СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОРБЕНТА ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ФОРМАЛЬДЕГИДА
METHOD OF SORBENT PREPARATION FOR SEWAGE WATERS PURIFICATION OF FORMALDEHYDE

Изобретение относится к способу получения минеральных сорбентов на основе пористых минералов, предназначенных для сорбционной очистки сточных вод от формальдегида, и может быть использовано в химической, деревоперерабатывающей промышленности.
Известен сорбент для очистки сильно загрязненных сточных вод, в том числе от формальдегида, который представляет собой чередующиеся слои полипропиленового волокна, базальтового волокна и сферозолы [Заявка RU № 005110480,МПК С02А 1/40, 2006].
Известный сорбент не обеспечивает достаточную сорбционную емкость по формальдегиду.
Известен способ получения минерального сорбента путем смешения глины и серной кислоты и последующей термообработки при 98°С в течение 6 часов. Получаемый сорбент представляет собой активированный серной кислотой глинистый минерал в виде гранул с размерами 4-7 мм слоистой и слоисто-ленточной структуры и предназначен для очистки сточных вод от формальдегида [Патент RU № 2060953, МПК C02F 1/28, 1996; Патент RU № 2084404, C02F 1/28, C02F 1/58, 1997; Патент RU № 2085500, C02F 1/28, C02F 1/58, 1997; Патент RU № 2085501, C02F 1/28, C02F 1/58, 1997].
Недостатками способа является низкая степень очистки сточных вод от формальдегида (конверсия формальдегида составляет 60%), требующая впоследствии доочистки, разбавления и иных приемов снижения остаточного содержания формальдегида в воде до уровня ПДК. Кроме того, использование в процессе подготовки адсорбента концентрированной серной кислоты приводит к коррозии технологического оборудования.
Наиболее близким к предлагаемому является способ получения сорбента на основе пористого силикатного носителя, включающий дробление носителя, насыщение модифицирующими добавками, термообработку [Патент RU № 2031705 МПК B01J 20/30, B01J 20/10, 1995].
Недостатками этого метода являются многостадийность, длительность процесса и высокие температуры термической обработки. Кроме того, известный сорбент характеризуется невысокой сорбционной емкостью по формальдегиду, а следовательно, неэффективен для очистки воды от формальдегида.
Задачей изобретения является создание сорбента, обладающего высокой конверсией и сорбционной емкостью по формальдегиду, расширение арсенала недорогих сорбентов для очистки сточных вод, содержащих формальдегид.
Поставленная задача решается тем, что предлагается способ получения сорбента для очистки сточных вод от формальдегида, в котором в качестве минеральной основы используют предварительно измельченную опал-кристобаллитовую породу, которую подвергают термической обработке путем ее прокаливания с последующей иммобилизацией γ-аминопропилтриэтоксисиланом.
Сущность изобретения заключается в том, что опал-кристобаллитовую породу измельчают дроблением, подвергают термической обработке и обработке модифицирующим реагентом, при этом сначала ведут термическую обработку прокаливанием при 150-500°С в течение 60-180 минут, а потом ведут обработку модифицирующим реагентом, в качестве которого используют 5-20% водный раствор γ-аминопропилтриэтоксисилана, указанную обработку ведут при температуре рабочего помещения в течение 15-45 минут.
Полученный сорбент доводят до готовности путем сушки, промывки водой и последующей сушки.
Опал-кристобаллитовая порода - опока широко используется в качестве сорбента благодаря высоким значениям удельной поверхности и объему сорбционного пространства. При прокаливании опал-кристобаллитовой породы в заявленных режимах происходит повышение сорбционной активности за счет удаления из порового пространства структурной воды. Для целей настоящего изобретения в качестве опал-кристаллической породы (опока) может быть использована опока любого известного месторождения.
Широко известно, что сорбционная активность повышается в результате измельчения сорбента. В заявленном способе измельчение исходной опоки ведут путем ее дробления, предпочтительно до размеров 1-4 мм. Измельчение исходного сырья может быть проведено любыми известными способами.
Обработку модифицирующим агентом ведут после прокаливания предварительно измельченной опоки, при этом в качестве модифицирующего агента используют водный раствор γ-аминопропилтриэтоксисилана. При обработке протекает процесс иммобилизации опоки, в результате которого происходит прививка аминогрупп в соответствии со следующей схемой:
При использовании заявляемого сорбента для очистки сточных вод от формальдегида протекают процессы избирательной сорбции формальдегида на поверхности модифицированной опоке с образованием оснований Шиффа в соответствии со следующей схемой:
При этом силанольные группы матрицы сорбента выступают в роли катализатора указанной реакции, вызывая смещение равновесия вправо, что обеспечивает высокую степень конверсии формальдегида и эффективность извлечения формальдегида модифицированным сорбентом (табл.1-4).
Сравнение с прототипом предлагаемого решения позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна», т.к. имеет место новая последовательность действий, использование нового модифицирующего агента - γ-аминопропилтриэтоксисилана, новые условия проведения процесса.
В известных нам источниках информации не обнаружена заявленная совокупность технических признаков в их качественном и количественном соотношении, позволяющая получить заявленный технический результат - очистка сточных вод, содержащих формальдегид. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного решения критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемый сорбент может быть получен с использованием известных в промышленности материалов и известных способов их обработки, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного решения критерию «промышленная применимость».
Заявляемый способ иллюстрируется следующими примерами конкретного выполнения.
Пример 1
Определялось влияние температуры и времени прокаливания сорбента на его сорбционные свойства.
2
2
3
2
3
В качестве исходного сырья использована опал-кристобаллитовая порода (опока) Богдановичевского месторождения, имеющая следующий химический состав: SiO - 85,2%; MgO - 0,65%; FeO, FeО - 4%; AlО, MgO, CaO - 7-8%. Навеску опоки 50 г в фарфоровой чашке помещали в сушильный шкаф для прокаливания при заданной температуре в течение заданного времени (см. таблица № 1). Полученные образцы были иммобилизированы 5% водным раствором γ-аминопропилтриэтоксисилана при 22°С (комнатная температура) в течение 30 минут. Затем полученные образцы сорбента были высушены, промыты 10 объемами воды и снова высушены. В стакан помещали 5 г образца полученного сорбента и 100 мл модельного раствора с концентрациями формальдегида, мг/л: 11,15; 13,03; 16,13. Сорбция формальдегида проведена в статических условиях в течение 30 минут при постоянном помешивании магнитной мешалкой. Концентрация формальдегида определена фотометрическим методом с ацетилацетоном (ПНД Ф 14.1:2.97-97). Полученные данные приведены в таблице 1.
Степень извлечения формальдегида определена по формуле: (Сисх.-Скон./Сисх.)×100%
Согласно полученным данным исходный сорбент-опока не проявляет сорбционных свойств по формальдегиду, тогда как заявляемый сорбент проявляет сорбционные свойства по формальдегиду при следующих условиях - температура прокаливания 150-500°С, время прокаливания - 60-180 минут. Наиболее высокая степень очистки модельного раствора от формальдегида наблюдается на образце, прокаленном при температуре 300°С в течение 120 минут (оптимальное значение). При понижении температуры ниже 150°С или времени прокаливания меньше 60 минут сорбционные свойства сорбента по формальдегиду резко снижаются. При увеличении температуры прокаливания выше 500°С или времени прокаливания выше 180 минут увеличения сорбционных свойств по формальдегиду не происходит, тогда как значительно повышаются энергозатраты.
Пример 2
Определение влияния концентрации γ-аминопропилтриэтоксисилана и времени иммобилизации на сорбционные свойства. Образец сорбента, прокаленный по примеру № 1 при температуре 300°С в течение 120 минут, был подвергнут модификации (иммобилизации) водным раствором γ-аминопропилтриэтоксисилана в соответствии с методикой, описанной в примере № 1. Варьировались концентрация водного раствора γ-аминопропилтриэтоксисилана и время иммобилизации. На полученных образцах сорбция формальдегида проведена из модельных растворов с концентрацией формальдегида, мг/л: 12,1 и 13,0 по методике, описанной в примере № 1. Концентрация формальдегида определена фотометрическим методом с ацетилацетоном (ПНД Ф 14.1:2.97-97). Полученные данные приведены в таблице 2.
Как видно из представленных в таблице 2 данных, заявляемый сорбент проявляет сорбционную активность по отношению к формальдегиду при воздействии модифицирующим реагентом в концентрации 5,0-20,0% γ-аминопропилтриэтоксисилана в водном растворе и времени воздействия 15-45 минут. При этом наиболее высокая степень очистки модельного раствора от формальдегида наблюдается на образце, иммобилизированном 10% водным раствором γ-аминопропилтриэтоксисиланом в течение 30 минут. Использование модифицирующего агента в концентрациях, выходящих за заявленные пределы, приводит либо к отсутствию сорбционной способности сорбента по формальдегиду (концентрация γ-аминопропилтриэтоксисилана - 2%, время - 15 минут), либо к недостаточной сорбционной способности (концентрация γ-аминопропилтриэтоксисилана - 2%, время - 30 минут или 45 минут), либо не приводит к ее существенному повышению.
Пример 3
Определение влияния времени сорбции на степень извлечения формальдегида из водного раствора. Сорбция формальдегида из модельного раствора проведена на образце, прокаленном при 300°С в течение 30 минут и иммобилизированном 10% водным раствором γ-аминопропилтриэтоксисилана в течение 30 минут при комнатной температуре. Варьировались масса сорбента и время сорбции. Объем модельного раствора 100 мл. Сорбция проводилась при постоянном перемешивании на магнитной мешалке. Концентрация формальдегида определена фотометрическим методом с ацетилацетоном (ПНД Ф 14.1:2.97-97). Полученные данные приведены в таблице 3.
Как видно из данных, представленных в таблице 3, сорбция, проведенная на сорбенте из водного раствора формальдегида в течение 15-45 минут, приводит к заявленному результату при соотношении твердая фаза:жидкая фаза = 1:12,5÷100. Наиболее высокая степень очистки модельного раствора от формальдегида наблюдается при соотношении твердая фаза:жидкая фаза = 1:12,5 в течение 30 минут.
Пример 4
Проведена сорбция формальдегида из рабочего раствора - сточной воды производства КФМТ-15 Уралхимпласт (г.Нижний Тагил) на образце сорбента, прокаленном при 300°С в течение 2 часов, иммобилизированном 10% водным раствором γ-аминопропилтриэтоксисилана в течение 30 минут. Сорбция проводилась при постоянном помешивании на магнитной мешалке. Концентрация формальдегида определена фотометрическим методом с ацетилацетоном (ПНД Ф 14.1:2.97-97). Полученные данные приведены в таблице 4.
Пример 5
Определение статической обменной емкости. Определена СОЕ путем контакта образца (прокаленного при 300°С в течение 2 часов, иммобилизированного 10% водным раствором γ-аминопропилтриэтоксисилана в течение 30 мин) массой 0,5 г.с 100 мл модельного раствора формальдегида в течение 24 часов в статических условиях. Концентрация формальдегида определена фотометрическим методом с ацетилацетоном (ПНД Ф 14.1:2.97-97). Полученные данные приведены в таблице 5.
Пример 6
Определение динамической обменной емкости (ДОЕ) и полной динамической обменной емкости (ПДОЕ). ДОЕ и ПДОЕ определялась путем фильтрования раствора, содержащего формальдегид известной концентрации, через колонку диаметром 1 см, заполненную образцом, прокаленным при 300°С в течение 2 часов, иммобилизированным 10% водным раствором γ-аминопропилтриэтоксисилана в течение 30 минут. Скорость фильтрования раствора 70 мл/ч. ДОЕ определялась фильтрованием до проскока (0,1 мг/л). Для определения ПДОЕ фильтрация проводилась до выравнивания концентрации формальдегида в исходном растворе с его концентрацией в фильтр. Концентрация формальдегида определена фотометрическим методом с ацетилацетоном (ПНД Ф 14.1:2.97-97). Полученные данные приведены в таблице 6.
Как видно из представленных данных, получаемый сорбент обеспечивает высокие показатели сорбционной емкости - СОЕ, ДОЕ и ПДОЕ. Результаты таблиц 5 и 6 свидетельствуют, что в динамическом режиме реализуется - 82% емкости сорбента от его емкости в статическом режиме, что свидетельствует о высокой скорости достижения равновесия при конверсии формальдегида в модифицированной опоке. Заявляемый сорбент позволяет эффективно извлекать формальдегид из водных растворов даже при их однократном контакте и при невысоком значении соотношения твердая фаза: жидкая фаза. С повышением кратности контакта заявляемого сорбента и водного раствора формальдегида степень извлечения формальдегида из водных растворов повышается. При реализации двух- или трехстадийной схемы очистки обеспечивается достижение уровня ПДК - 0,5-1,0 мг/л.
Как показали наши исследования, заявляемый сорбент эффективен при очистке сточных вод с содержанием формальдегида от 10 мг/л до 150 мг/л и может быть использован для очистки промышленных сточных вод от формальдегида при производстве фенол-формальдегидных смол (СФ-0,15; СФ-0,10; СФ-0,11), новолачных смол (БЖ-3; БЖ-3У; PC-11-32), карбамидно-формальдегидных (КФМТ-10; КФМТ-15; КФЖ; ПКП-52). Заявляемый сорбент может быть также использован в сочетании с другими известными способами доочистки от формальдегида, обеспечивая достижения уровня ПДК.
Таблица 1
Влияние температуры и времени прокаливания сорбента на его сорбционные свойства
Температура (Т) прокаливания, °С
Время прокаливания, мин.
Концентрация (Скон.) формальдегида после сорбции, мг/л
Степень извлечения формальдегида, %
Концентрация формальдегида в исходной пробе (Сисх.) = 11, 15 мг/л
Нативный образец
11,15
0
150
60
4,87
56,32
150
120
6,28
43,68
150
180
5,81
47,89
Концентрация формальдегида в исходной пробе (Сисх.) = 13,03 мг/л
200
60
4,4
66,23
200
120
4,6
64,70
200
180
5,3
59,32
Концентрация формальдегида в исходной пробе (Сисх.) = 11,15 мг/л
300
60
2,5
77,58
300
120
1,6
85,65
300
180
1,6
85,65
Концентрация формальдегида в исходной пробе (Сисх.) = 16,13 мг/л
400
60
5,8
64,04
400
120
5,7
64,66
400
180
6,3
60,94
Концентрация формальдегида в исходной пробе (Сисх.) = 11,15 мг/л
500
60
6,75
39,46
500
120
6,05
45,74
500
180
6,28
43,68
Таблица 2
Влияние концентрации γ-аминопропилтриэтоксисилана и времени модификации на сорбционные свойства сорбента
Время модификации, мин
Концентрация γ-аминопропилтриэтоксисилана, %
Концентрация (Скон.) формальдегида после сорбции, мг/л
Степень извлечения формальдегида, %
Концентрация формальдегида в исходной пробе (Сисх.) = 13,0 мг/л
15
2
13,0
0
15
5
6,28
51,69
15
10
2,28
82,46
15
20
2,2
83,08
Концентрация формальдегида в исходной пробе (Сисх.) = 12,1 мг/л
30
2
11,4
5,78
30
5
4,6
61,98
30
10
1,3
89,26
30
20
0,55
95,45
Концентрация формальдегида в исходной пробе (Сисх.) = 12,1 мг/л
45
2
11
9,09
45
5
4,4
63,64
45
10
1,58
86,94
45
20
1,5
87,60
Таблица 3
Влияние времени контакта на степень извлечения формальдегида в статических условиях
Масса сорбента, г
Время контакта, мин
Концентрация формальдегида (Скон.) после сорбции, мг/л
Степень извлечения формальдегида, %
Концентрация формальдегида в исходной пробе (Сисх.) = 14,9 мг/л
1
45
4,36
70,74
3
45
2,8
81,21
5
45
1,52
89,80
8
45
1,36
90,87
Концентрация формальдегида в исходной пробе (Сисх.) = 13,0 мг/л
1
30
5,6
56,92
3
30
2,5
80,77
5
30
1,59
87,77
8
30
0,42
96,77
Концентрация формальдегида в исходной пробе (Сисх.) = 13,98 мг/л
1
15
8,61
38,41
3
15
2,52
81,97
5
15
0,63
95,49
8
15
0,87
93,78
Таблица 4
Сорбция формальдегида из рабочего раствора
Масса сорбента, г
Время сорбции, мин.
Концентрация формальдегида (Сисх.) до сорбции, мг/л
Концентрация формальдегида (Скон.) после сорбции, мг/л
Степень извлечения формальдегида, %
5
30
15,3
3,83
74,97
Таблица 5
Определение статической обменной емкости
Концентрация исходного формальдегида, мг/л
СОЕ, мг/г
5,98
0,18
10,68
0,55
23,39
1,4
53,36
3,39
75,95
4,0
98,12
4,24
135,76
7,05
Таблица 6
Определение динамической обменной емкости (ДОЕ) и полной динамической обменной емкости (ПДОЕ)
Концентрация исходного формальдегида, мг/л
Масса сорбента, г
ПДОЕ, мг/г
ДОЕ, мг/г
11,15
10
2,5
0,45
49,6
10
7,44
2,8