СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОРБЕНТА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ
METHOD OF PRODUCING SORBENT FOR PURIFYING WATER

Изобретение относится к области промышленной экологии, а именно к способу получения сорбционного материала для очистки от ионов тяжелых металлов сточных вод, а также водоподготовки для технических нужд и питьевых целей.
Известен способ получения сорбента для очистки от ионов тяжелых металлов бытовых и сточных вод на основе природного сорбента, включающего измельченную до определенных фракций древесину, обработанную раствором минеральной кислоты. /Патент РФ №2251449, МПК B01J 20/24, 10.12.2003 г./
Недостатком данного способа является недостаточно высокая сорбционная емкость по ионам тяжелых металлов, применение окислителя и как следствие невысокая степень очистки сточных вод.
Известен способ получения сорбента для очистки от ионов тяжелых металлов сточных вод для хозяйственных и питьевых целей, заключающийся в том, что брусит природный измельчают до крупности зерен 1,5-0,6 мм или до крупности зерен 0,01-0,1 мм. /Патент РФ 2108297, МПК C02F 1/28, 27.08.1998 г./
Недостатком известного сорбента брусита природного является то, что слоистая структура брусита, обладая хорошими сорбционными свойствами, имеет низкие физико-механические свойства, поэтому брусит природный имеет небольшой срок службы и не обеспечивает высокого качества сорбции тяжелых металлов из сточных вод.
В предлагаемом изобретении эти недостатки устранены. В качестве сорбента для очистки от тяжелых металлов сточных вод, а также технической и питьевой воды при водоподготовке используется композитный материал, полученный термическим путем из отходов преимущественно местного производства шихты огнеупорной глины и брусита. Этот композитный материал представляет собой гранулы размером 0,4-2,0 мм, состоящие из алюмосиликатного каркаса из пыли огнеупорной глины, на который нанесен мелкодисперсный термически модифицированный брусит. Такое выполнение сорбента значительно увеличивает площадь сорбционной поверхности. Благодаря своей слоистой структуре термически модифицированный брусит обладает высокими селективными свойствами по отношению к катионам Cu, Zn, Al, Ni, Со, Pb, Fe, Mn, Sn, As, а алюмосиликатный каркас придает сферическим гранулам высокие механические свойства, что позволяет использовать сорбент в течение длительного периода. Стоимость термически модифицированного брусита на алюмосиликатном каркасе не высокая за счет использования отходов производства.
Технической задачей предлагаемого способа является получение сорбента для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, а также водоподготовки как для технических нужд, так и для питьевых с высокими сорбционными и физико-механическими свойствами, которые увеличат срок использования, понизят стоимость производства и применения.
Техническим результатом является получение сорбента для очистки воды, а именно гранулированного термически модифицированного брусита на алюмосиликатном каркасе.
Технический результат достигается тем, что по способу получения сорбента для очистки воды, содержащего измельченный брусит, термически обработанные брусит при температуре 250-300°С и пыль от обжига глины с размером измельченных фракций 0,05-0,001 мм каждого из них смешивают в массовом соотношении 30-70% в соответствии с заданными значениями физико-механических свойств конечного продукта, засыпают в смеситель, в котором накатываются гранулы из шихты размером 0,4-2,0 мм, после этого гранулы термически обрабатывают при температуре 700-1000°С.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.
Для получения предлагаемого сорбента проведены исследования по определению физико-механических свойств исходных пяти образцов: глины (пыль от обжига), шихты двух глин разных по составу (пыль от обжига), брусита (молотый) и два образца смеси указанных глин и брусита.
Хорошо изучены сорбционные способности брусита и каолинитовых глин по отношению к тяжелым металлам. Относительно брусита можно утверждать, что его поглощающая способность по отношению к тяжелым металлам очень высокая, а каолинитовые глины обладают низкой сорбционной способностью по отношению к тяжелым металлам. Однако, известные свойства каждого из указанных материалов в отдельности не отвечают поставленной задаче.
Пример 1. Для проведения опыта использовался водный раствор пятиводного медного купороса CuSO4⋅5H2O, имеющего характерную голубую окраску, так как из всех тяжелых металлов медь наиболее сильно адсорбируется бруситом.
При исследовании сорбции меди использовался исходный раствор сульфата меди при концентрации 100 г/л. Суспензия изучаемой глины или брусита, а также смесь брусита и глин перемешивалась в закрытой колбе, а затем выдерживалась в закрытом цилиндре в течение одних суток. Через сутки в равновесном растворе над осадком образовалась прозрачная часть, из которого сорбирована часть ионов меди. Чем прозрачнее раствор, тем больше меди адсорбировалось грунтом. Самый прозрачный раствор оказался в цилиндре, в который был помещен брусит. Таким образом, можно утверждать, что сорбционная емкость смесей глин и брусита меньше, чем у чистого брусита.
Пример 2. Поскольку из тяжелых металлов, плохо адсорбирующихся бруситом, отмечены марганец и никель, то в опытах также использовались водные растворы сульфатов марганца и никеля, имеющие слабо розовую и слабо зеленую окраски, что позволило для определения их концентрации применить колориметрический метод, заключающийся в определении и сравнении концентрации изучаемых тяжелых металлов в исходном и прореагировавшем с адсорбентом растворе. Результаты исследований приведены в таблице 1.
Примечание: п.о. - предел обнаружения
Как видно из представленных данных, образцы глин №1 и №2 характеризуются низкой сорбционной способностью по отношению к ионам Mn, Ni и Cu. В то же время, природный брусит образец №3 обладает довольно высокой способностью поглощать тяжелые металлы, особенно медь. Смеси анализируемых глин и природного брусита образцы №4 и №5 также проявляют более высокую сорбционную способность, чем «чистые» глины.
На основании этого опыта можно сделать вывод, чем больше в смеси массовая доля брусита, тем больше сорбционная емкость смеси. Задавая различное массовое соотношение смесей, можно таким образом регулировать величину их сорбционной емкости по отношению к тяжелым металлам.
Далее из исходных образцов глин №1 и №2 и брусита №3 были изготовлены десять искусственных смесей. Соотношение смешиваемых частей в этих образцах приведено в таблице 2.
Для этих смесей с термически модифицированным бруситом при температуре 250-300°С также были определены физико-химические свойства смесей: их сорбционная емкость по отношению к некоторым тяжелым металлам.
Пример 3. Для исследования сорбционной емкости анализируемых смесей глин и термически модифицированного брусита, они помещались в цилиндры с раствором сульфата меди при концентрации 100 г/л и взбалтывались. Через сутки отстоя по интенсивности голубой окраске прозрачной части отстоя оценивалась сорбционная емкость смеси.
Проведенные исследования сорбционной емкости смесей анализируемых исходных глин №1 и №2, составленных на основе термически модифицированного брусита, показали, что такие смеси более эффективны, чем смеси на основе природного брусита. После прокаливания брусита его сорбционная емкость заметно увеличивается.
Наибольшая сорбционная емкость проявляется у образца, представляющего собой смесь термически модифицированного брусита с глиной обр. №1 в соотношении 1:1 (по массе). Несколько меньшую сорбционную емкость имеет образец, представляющий смесь термически модифицированного брусита с глиной обр. №2 также в соотношении 1:1 (по массе). При соотношении в смесях термически модифицированного брусита и глин в соотношении 1:9 сорбционная емкость смесей заметно снижается.
По сравнению с природным бруситом сорбционная емкость смесей на его основе возрастает в десятки раз, а использование термически обработанного сорбента позволяет получить более высокие показатели сорбции при меньшем его расходе.
После термической обработки происходят некоторые изменения в химико-минеральном составе образцов глин и брусита. В интервале температур от 250-700°С обжиг брусита способствует образованию оксида магния, а при температуре 1000°С и выше образуется периклаз.
3
3
Что касается физических свойств смесей, то при нагревании меняется плотность твердой фазы брусита: от исходной равной 2,42-2,44 г/см после обжига при температуре выше 1000°С она повышается, приближаясь к плотности периклаза (3,43 г/см).
2
2
При этом меняется и его удельная поверхность (Sуд): от незначительной величины около 4 м/г при обычной температуре, она повышается до 23-24 м/г при обжиге выше 600°С. Это также является одним из факторов, увеличивающих его сорбционную способность.
Для промышленного применения с целью обеспечения высокой скорости фильтрации и исключения вымывания сорбента из рабочего фильтра предлагаемая шихта термически модифицированного брусита и пыли от обжига глины гранулируется.
Гранулирование осуществляется следующим образом.
Гранулы предлагаемого сорбента для очистки воды накатываются из шихты, прошедших термическую обработку тонко размолотого брусита и пыли от обжига глины в пропорциях: брусит 30-70% и пыль 70-30% в зависимости от исходной задачи по сорбционной емкости и прочности гранул. Брусит для шихты проходит предварительную сушку или термообработку до температуры 250-300°С, затем размалывается до размера частиц 0,05-0,001 мм. Выбранная для предлагаемого изобретения глина Троицко-Байновского месторождения, Свердловской обл., также предварительно высушивается до гигроскопической влажности, затем подается печь для получения шамота. Образовавшаяся в процессе обжига в диапазоне от 200 до 1200°С пыль осаждается на фильтре и состоит из частиц глины размером 0,05-0,001 мм.
Шихта из термически обработанных брусита и пыли глины засыпается в смеситель, в котором осуществляется ее гранулирование до размера гранул от 0,4 мм до 2 мм. Такой размер позволяет использовать большие скорости фильтрации и предотвращает унос материала из рабочего фильтра, а за счет размера частиц брусита 0,05-0,001 мм поверхность контакта сред значительно превышает площадь поверхности гранул.
В процессе получения гранул мелкодисперсный термически модифицированный брусит, который отвечает за сорбционную емкость, послойно накатывается на отвечающий за физико-механические свойства алюмосиликатный каркас из частиц глины, а именно пыли, образовавшейся в процессе обжига. Размер частиц брусита, входящих в гранулы получаемого сорбента, определяет кратное увеличение поверхности контакта сред и, следовательно, сорбционную емкость материала.
После накатки гранулы предлагаемого сорбента проходят термическую обработку в диапазоне температур от 700 до 1000°С. Это термомодифицирует брусит, кратно увеличивая его сорбционную емкость, а также придает алюмосиликатному каркасу и в целом гранулам необходимую прочность, соответствующую ГОСТ по истираемости и измельчаемости.
Таким образом, данный способ обеспечивает получение высококачественного сорбента для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, а также водоподготовки как для технических нужд, так и для питьевых целей, из термически модифицированного брусита на алюмосиликатном каркасе из пыли от обжига глины, который за счет улучшенных физико-механических свойств позволяет при меньшем объеме сорбента очистить больший объем воды, а также использовать сорбент в течение длительного периода.