Результат интеллектуальной деятельности: Композиция для полимерного сорбента

Изобретение относится к природоохранным технологиям, в частности к полимерным композициям для получения сорбентов, для сбора нефтепродуктов с загрязненных объектов почвы и гидросферы в виде сорбирующих бон, матов, крошки и т.д. и может быть также использовано для очистки грунтов, воды, включая радиоактивную, оборотную и технологическую.

Известна композиция для получения пенопласта, включающая мочевиноформальдегидную смолу, соляную кислоту, портландцемент и воду [SU 1761767, МПК, C08L 61/24, опубл. 15.09.1992 г., бюл. №34].

Полимер, получаемый на основе этой композиции, имеет хорошую пористую структуру, состоит из небольшого числа компонентов и экономичен, но его прочность при объемном весе 0,66 г/см³, не превышает 48,2 кгс/см². Это ограничивает использование ее в качестве полимерного сорбента, так как из нее нельзя делать сорбирующие боны, маты, крошку.

Известна также полимерная композиция для получения сорбента, включающая карбамидоформальдегидную смолу, антипирин, инертный наполнитель, пенообразователь ПО-1, отвердитель - неорганическую кислоту и воду [патент RU №2186800 С2 МПК C08L 61/24, опубл. 10.08.2002 г., бюл. №22].

Недостатком этого полимерного сорбента является его стоимость, т.к. в его состав входят дорогостоящие исходные ингредиенты.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является композиция для карбамидного пенопласта [Патент RU №2411267 С1, МПК C08L 61/24, C08J 9/06, опубл. 10.02.2011 г. (прототип)], включающая карбамидоформальдегидную смолу, пенообразователь, ортофосфорную кислоту, экстракт коры хвойных пород и золу-унос.

Основные недостатки данной композиции заключаются в узком диапазоне ее функционально-технологических возможностей и использование дорогостоящих компонентов.

Установлено, что в технологическом процессе производства сорбентов независимо от состава композиции в стадии отверждения происходит выделение формальдегида. Поэтому в данном изобретении предлагается устранить указанный недостаток с помощью введения в состав композиции гидролизного лигнина, который за счет химического взаимодействия полифенолов с формальдегидом, позволяет связать химически свободный формальдегид, содержащийся в исходной карбамидной смоле, и формальдегид, выделяющийся при отверждении композиции. Одновременно лигнин повышает сорбенту прочность, водостойкость и устойчивость к образованию трещин, сохраняя пористую структуру, обуславливающую сорбционные, и защитные свойства, при этом уменьшая его токсичность.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение прочности, огнестойкости, сорбционных и защитных свойств полимерного сорбента получаемого из заявляемой композиции и снижение его токсичности и стоимости.

Технический результат достигается тем, что в композиции для полимерного сорбента, содержащей карбамидоформальдегидную смолу, пенообразователь, отвердитель - ортофосфорную кислоту 10% концентрации и воду, новым является то, что она дополнительно содержит гидролизный лигнин и пыль электрофильтров алюминиевого производства при следующем соотношении компонентов, мас. %:

От прототипа заявляемая композиция отличается содержанием гидролизного лигнина, отходом целлюлозного производства и пылью электрофильтров, отходом алюминиевого производства, а также количественным составом, следовательно, соответствует критерию «новизна».

Среди полимерных сорбентов особый практический интерес представляют материалы, полученные на основе карбамидоформальдегидных смол, но имеющие у них недостатки - низкая механическая прочность и токсичность, связанная с выделением из них формальдегида за счет гидролитической или термодеструкции, сдерживают их применение. Улучшение их физико-механических и эксплуатационных свойств возможно за счет введения в пенообразующую композицию различных наполнителей, например, гидролизного лигнина - это аморфное порошкообразное вещество с плотностью 1,25-1,45 г/см³ от светло-кремового до темно-коричневого цвета со специфическим запахом. Молекулярная масса 5000-10000. Размеры частиц от нескольких микронов до миллиметров. Содержание в гидролизном лигнине собственно лигнина колеблется в пределах 40-88%, трудногидролизуемых полисахаридов - от 13 до 45% смолистых и веществ лигногуминового комплекса - от 5 до 19% и зольных элементов - от 0.5 до 10%. Состав золы лигнина: Al₂O₃ - 1%; SiO₂ - 93,4%; P₂O₅ - 1,5%; СаО - 1,5%; Na₂O - 0,3%; K₂O - 0,3%; MgO - 0,3%; TiO₂ - 0,1%. Введение в состав смоляной композиции инертного наполнителя - гидролизного лигнина (отходов целлюлозного производства), снижает содержание свободного формальдегида, содержащегося в исходной смоле, к тому же установлено, что пеносорбенты содержащие лигнин обладают высокой сорбционной способностью по отношению и к ионам металлов, в частности (Pb, Сu, Со, Hg, Cr, Fe, Мn, Zn). Минимальная степень сорбции наблюдается у цинка (75%), а максимальная - у железа (96,1%). Лигнин нетоксичен и обладает хорошей сорбционной способностью.

В процессе технологической стадии изготовления полимерного сорбента в состав композиции (в эмульсионный раствор) дополнительно вводится химически-реакционный наполнитель - в виде тонкодисперсной пыли электрофильтров (отходов алюминиевого производства «Саяногорского алюминиевого завода» СаАЗ), обладающего высокой температуро-огнестойкостью и малой плотностью. Введение в состав композиции тонкодисперсной пыли электрофильтров в качестве органоминерального модификатора, повышает прочность и огнестойкость сорбента, так как отходы содержат оксиды железа, алюминия, кальция и магния. Фазовый состав пыли электрофильтров (отходы алюминиевого производства) приведены в таблице 1.

Размер частиц пыли электрофильтров по агрегатному состоянию близок к наночастицам (удельная поверхность ≈ равна 110.000-135.000 см²/г), что позволяет, эффективно вводить химически-реакционный тонкодисперсный наполнитель, включающий ряд оксидов в состав эмульсии, состоящей из водного раствора карбамидной смолы и пенообразователя, а это позволяет повысить растворимость и реакционную способность смолы.

Совместное введение в состав композиции гидролизного лигнина (отходов целлюлозного производства) и тонкодисперсной пыли электрофильтров (отходов алюминиевого производства) в заявленных количествах, не следует явным образом из известного уровня техники и позволяет достичь заявленный технический результат - повысить прочность, огнестойкость, сорбционные и защитные свойства полимерного сорбента получаемого из заявляемой композиции и снизить его токсичность, и стоимость, что позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию "изобретательский уровень".

Для достижения технического результата используется карбамидная смола любых товарных марок, например КФМТ-15, КФ-Ж, ВПС-Г, КФО, КФ-Б, КБ-С, Крепитель М-1, М-2, М-3 и т.д.

В качестве пенообразователя используют СОФЭКС-ПО-01А - смесь натриевых солей алкилбензолсульфокислот и алкилсульфонатов линейного строения природных полимеров. Введение пенообразователя обеспечивает улучшение физико-химических свойств композиции, а именно растворимость карбамидной смолы, повышается ее реакционноспособность протекания процесса поликонденсации, и образующаяся из нее пена имеет высокую стабильность, стойкость и кратность.

В качестве кислотного отвердителя используют ортофосфорную кислоту 10% концентрации.

Принцип получения полимерных сорбентов на основе заявляемой композиции основан на том, что первоначально получают полиэдрическую пену, содержащую пенообразователь, смолу, инертный наполнитель, химически-реакционный наполнитель и воду, затем отверждают путем быстрого введения в пену водного раствора отвердителя.

Пример 1

Одновременно подготавливают два раствора в разных емкостях: водный смоляной раствор эмульсии и раствор ортофосфорной кислоты 10% концентрации. Путем воздушно-механического перемешивания в течение 5-10 мин до однородной гомогенной смеси 20 мас. % карбамидоформальдегидной смолы КФМТ, 5 мас. % пенообразователя СОФЭКС-ПО-01 А, 16 мас. %, гидролизного лигнина, 8 мас. % пыль электрофильтров, вода - остальное, подают сжатый воздух для вспенивания. В образующуюся пену методом впрыскивания через форсуночное устройство разбрызгивается кислотный отвердитель 9 мас. % - раствора ортофосфорной кислоты 10% концентрации. До наступления момента отверждения вспененную массу заливают в соответствующие формы определенных размеров. Механическую прочность образцов композиции определяют после полного отверждения по ГОСТ 23206-78.

Пример 2

Получение композиции осуществляют аналогично примеру 1, при смешивании 25 мас. % карбамидоформальдегидной смолы КФ-Ж, 7 мас. % пенообразователя СОФЭКС-ПО-01А, 14 мас. % гидролизного лигнина, 10 мас. % пыль электрофильтров, вода - остальное с последующим отверждением 12 мас. % раствор ортофосфорная кислота 10% концентрации.

Пример 3

Получение композиции осуществляют аналогично примеру 1, при смешивании 35 мас. % карбамидоформальдегидной смолы ВПС-Г, 10 мас. % пенообразователя СОФЭКС-ПО-01А, 10 мас. % гидролизного лигнина, 12 мас. % пыль электрофильтров, вода - остальное с последующим отверждением 14 мас. % раствор ортофосфорная кислота 10% концентрации.

Состав композиции и свойства предлагаемой композиции приведены в таблицах 2 и 3.

Полученный полимерный сорбент представляет собой мезапористый быстротвердеющий, прочный, огнестойкий, экологически чистый материал с развитой ячеистой структурой, с прочностью 0,56-0,72 МПа/см³, токсичностью по формальдегиду 0,024-0,018 мг/м³, и степенью горючести Г-1.

Результаты испытаний композиции полимерного сорбента (таблица 3) показывают влияние лигнина на экологические и токсикологические свойства сорбента. Установлено, что присутствие гидролизного лигнина (отходов гидролизного производства) повышает сорбционную способность полимерного сорбента по отношению к ионам металлов, в частности (Рb, Сu, Со, Hg, Cr, Fe, Мn, Zn). А присутствие в составе композиции полимерного сорбента тонкодисперсной пыли электрофильтров алюминиевого производства (отходов «Саяногорского алюминиевого завода» СаАЗ), повышает прочность и огнестойкость сорбента.

Использование в данной композиции отходов целлюлозного и алюминиевого производств, позволяет значительно снизить стоимость полимерного сорбента и одновременно способствует решению экологических проблем, связанных с утилизацией отходов промышленных предприятий.

Получен эффективный по своим эксплуатационным характеристикам многофункциональный полимерный сорбент с пониженным содержанием формальдегида, независимо от марок используемых карбамидных смол в составе композиции, обладающий повышенной прочностью и огнестойкостью, хорошими сорбционными и защитными свойствами и низкой токсичностью и стоимостью, что дает возможность получения из него сорбирующих бон, матов, фильтров, крошки, применения при тушении пожаров в качестве изолирующего средства и т.д.