СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОРБЦИОННО-ИОНООБМЕННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF PRODUCING SORPTION-ION-EXCHANGE MATERIAL

Изобретение относится к области прикладной экологии и может быть использовано в химической, металлургической промышленности и в различных отраслях машиностроения для очистки сточных вод предприятий от ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов.
Известен способ получения сорбционного материала, включающий обработку древесных опилок модификатором. В качестве модификатора используют смесь карбамида и фосфорной кислоты. Обработку осуществляют пропиткой древесных опилок водным раствором смеси карбамида и фосфорной кислоты при массовом соотношении в пропиточном растворе 1:(0,5-2) при 90-95°С в течение 0,3-1 ч, при этом массовое соотношение твердой фазы к жидкой составляет 1:(4,5-5,4), с последующей термообработкой при 140-160°С в течение 0,3-1 ч и отмывкой сорбента от избытка модифицирующих веществ до значения рН промывных вод, равного 6,0 (Патент РФ №2291113, МПК C02F 1/28, B01J 20/30, опубл. 2007).
Недостатками описанного способа являются узкая область применения вследствие использования для очистки сточных вод от ионов хрома (III) и (VI), высокая стоимость процесса, обусловленная применением в составе модификатора дорогостоящей фосфорной кислоты и большим расходом воды для промывки сорбционного материала от избытка модифицирующих веществ.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ получения сорбента для очистки технологических сточных вод от ионов хрома и цинка, включающий обработку древесных опилок модификатором и сушку. При этом в качестве модификатора используют раствор трехзамещенного фосфорно-кислого натрия и обработку ведут путем выдерживания опилок в растворе при комнатной температуре в течение 10 ч при периодическом помешивании с последующим отделением твердого остатка от жидкой фазы фильтрацией, промывкой и сушкой твердого осадка (Патент РФ №2313388, МПК B01J 20/24, B01J 20/30, опубл. 2007).
Недостатками описанного способа являются узкая область применения вследствие использования для очистки сточных вод от ионов хрома и цинка при низкой сорбционной емкости материала по отношению к ионам указанных металлов, продолжительность осуществления способа, обусловленная необходимостью выдерживания древесных опилок в растворе модификатора в течение 10 ч, высокая стоимость процесса за счет применения дорогостоящего трехзамещенного фосфорно-кислого натрия и потребности в большом количестве дистиллированной воды для промывки материала.
Предлагаемым изобретением решается задача расширения области применения, сокращения времени проведения процесса и снижения стоимости процесса.
Для достижения указанного технического результата в способе получения сорбционно-ионообменного материала, включающем обработку древесных опилок модификатором и сушку, в качестве модификатора используют бентонитовую глину, а обработку осуществляют смешиванием бентонитовой глины, воды и древесных опилок в соотношении, равном 1:2:1, сушкой полученной смеси при температуре 115-125°С в течение 3,5-4 ч, измельчением до образования фракции размером, равным 3-15 мм, и термической обработкой при 145-155°С в течение 2-2,5 ч.
Расширение области применения способа при одновременном повышении сорбционной емкости материала по отношению к ионам хрома и цинка, сокращение времени проведения процесса и снижение стоимости достигается тем, что в качестве модификатора используют бентонитовую глину, а обработку осуществляют смешиванием бентонитовой глины, воды и древесных опилок в соотношении, равном 1:2:1, сушкой полученной смеси при температуре 115-125°С в течение 3,5-4 ч, измельчением до образования фракции размером, равным 3-15 мм, и термической обработкой при 145-155°С в течение 2-2,5 ч.
Расширение области применения способа за счет использования для очистки сточных вод от ионов хрома, цинка, меди, никеля, свинца, железа и нефтепродуктов при одновременном повышении сорбционной емкости материала по отношению к ионам хрома и цинка обусловлено применением в качестве модификатора для обработки древесных опилок бентонитовой глины, в составе которой содержится монтмориллонит, обладающий высокой ионообменной способностью по отношению к ионам металлов и высокой сорбционной способностью по отношению к органическим молекулам, что позволяет эффективно удалять нефтепродукты.
Сокращение времени проведения процесса происходит за счет уменьшения времени сушки до 3,5-4 ч.
Снижение стоимости процесса достигается использованием бентонитовой глины - широко распространенного минерала, и древесных опилок, являющихся отходом деревообрабатывающих производств.
Соотношение при смешивании бентонитовой глины, воды и древесных опилок, равное 1:2:1, является оптимальным, так как приводит к образованию однородного по толщине и составу слоя бентонитовой глины на поверхности древесных опилок и способствует частичному проникновению глины в поры древесных опилок. Уменьшение доли в соотношении бентонитовой глины и увеличение доли древесных опилок приводит к снижению сорбционно-ионообменных свойств материала, а увеличение доли бентонитовой глины более 1 приводит к образованию твердой структуры сорбционно-ионообменного материала, измельчение которой до фракции с требуемыми размерами затруднительно.
Добавление воды в качестве связующего агента в количестве меньшем, чем в указанном соотношении, не приводит к образованию однородного слоя бентонитовой глины на древесных опилках. Применение воды в количестве большем, чем в указанном соотношении, не целесообразно, так как приводит к значительному увеличению времени сушки сорбционно-ионообменного материала.
Температура сушки, равная 115-125°С в течение 3,5-4 ч, является оптимальной. Проведение сушки при температуре менее 115°С в течение менее 3,5 ч не целесообразно вследствие увеличения длительности процесса получения материала, а при температуре более 125°С в течение более 4 ч приводит к спеканию смеси из бентонитовой глины и древесных опилок, что делает невозможным дальнейшее измельчение материала.
Измельчение сорбционно-ионообменного материала до образования фракции размером, равным 3-15 мм, является оптимальным. Получение фракции размером менее 3 мм не целесообразно вследствие легкого вымывания материала из фильтровального аппарата с потоком очищаемой воды, а образование фракции размером более 15 мм приводит к уменьшению удельной поверхности материала и, как следствие, к снижению его сорбционно-ионообменной емкости.
Проведение термической обработки при температурах 145-155°С в течение 2-2,5 ч является оптимальным, так как термическая обработка при температуре менее 145°С в течение менее 2 ч не обеспечивает прочного сцепления бентонитовой глины и древесных опилок и, следовательно, полученный сорбционно-ионообменный материал не способен сохраняться в течение длительного времени. Термическая обработка при температуре более 155°С в течение более 2,5 ч приводит к обугливанию и разрушению материала. Кроме того, воздействие температуры, равной 145-155°С, в течение 2-2,5 ч на бентонитовую глину приводит к ее активации, увеличивая количество активных центров, на которых происходит процесс ионного обмена, и, следовательно, увеличивая сорбционно-ионообменную емкость материала.
Предлагаемое изобретение поясняется таблицами, где в таблице 1 показана сорбционно-ионообменная емкость полученного данным способом материала по отношению к ионам хрома, цинка, меди, никеля, свинца, железа и нефтепродуктов; в таблице 2 - эффективность очистки сточных вод с применением сорбционно-ионообменного материала, полученного данным способом.
Способ получения сорбционно-ионообменного материала осуществляется следующим образом.
Обрабатывают древесные опилки модификатором. В качестве модификатора используют бентонитовую глину.
Обработку осуществляют смешиванием бентонитовой глины, воды и древесных опилок в соотношении, равном 1:2:1, сушкой полученной смеси при температуре 115-125°С в течение 3,5-4 ч, измельчением до образования фракции размером, равным 3-15 мм, и термической обработкой при 145-155°С в течение 2-2,5 ч.
Пример конкретного выполнения способа.
Обрабатывают древесные опилки, например сосны, модификатором, в качестве которого используют бентонитовую глину.
Исходные навески бентонитовой глины и древесных опилок массой 100 г помещают в фарфоровую чашку емкостью 500 мл с 200 мл воды и смешивают, например, вручную до образования однородной массы.
Фарфоровую чашку с полученной смесью помещают в сушильный шкаф для проведения сушки при температуре 120°С в течение 3,5 ч.
Затем высушенный материал измельчают до образования фракции размером, равным 3-15 мм, например на щековой дробилке типа ЩДС-1×2.
Измельченный материал в фарфоровой чашке объемом 200 мл помещают в печь при температуре 150°С на время 2 ч.
Определение сорбционно-ионообменной емкости полученного предлагаемым способом материала в статических условиях по отношению, например, к ионам цинка осуществляют следующим образом. В каждую из 10 колб помещают навеску массой 1 г сорбционно-ионообменного материала. После этого в каждую колбу добавляют раствор соли цинка, например сульфата цинка, объемом 100 мл с концентрацией ионов цинка, равной 10, 50, 100, 150, 200, 300, 500, 800, 1000, 1200 мг/л соответственно. Затем содержимое каждой колбы перемешивают в течение 3 ч и проводят анализ каждого раствора на содержание ионов цинка, например фотоколориметрическим методом. Значение сорбционно-ионообменной емкости материала рассчитывают, как разницу между начальной и конечной (равновесной) концентрацией раствора в каждой колбе, отнесенную к единице массы сорбента.
Аналогично определяют сорбционно-ионообменную емкость по ионам хрома, меди, никеля свинца, железа и нефтепродуктов.
Результаты экспериментов представлены в таблице 1.
Определение эффективности очистки сточных вод сорбционно-ионообменным материалом, в частности, от ионов цинка осуществляют в динамических условиях следующим образом. Материал загружают в колонку диаметром 40 мм и высотой фильтровального слоя 100 мм. После этого через колонку пропускают со скоростью от 5 до 10 м/ч раствор соли цинка, например сульфата цинка, с концентрацией ионов цинка 10 мг/л. На выходе из колонки раствор анализируют на содержание ионов цинка, в частности фотоколориметрическим методом.
Аналогично определяют эффективность очистки сточных вод по ионам хрома, меди, никеля свинца, железа и нефтепродуктов.
Результаты эксперимента представлены в таблице 2.
3
3
Время защитного действия фильтра, загруженного сорбционно-ионообменным материалом, полученным предлагаемым способом, в колонку диаметром 40 мм и высотой фильтровального слоя 100 мм, составило 2,2 ч. После однократной регенерации время защитного действия фильтра снижается менее чем на 5%, после второй регенерации - на 7%, третьей - на 10%. При расчете сорбционно-ионообменного аппарата с количеством сорбционно-ионообменного материала, полученного предлагаемым способом в объеме 3,5 м, скоростью пропускания раствора соли цинка, например сульфата цинка, 10 м/ч, при расходе данного раствора 12,5 м/ч, время защитного действия фильтра составит 26,1 ч, что позволяет предлагаемый материал использовать в промышленных целях.
Таким образом, использование предлагаемого способа приводит к расширению области применения, сокращению времени проведения процесса и снижению стоимости процесса, а также позволяет получить сорбционно-ионообменный материал, не вызывающий вторичного загрязнения очищаемых сточных вод, с возможностью неоднократного использования после регенерации.
Таблица 1Сорбционно-ионообменная емкость материала по отношению к ионам хрома, цинка, меди, никеля, свинца, железа и нефтепродуктов
Компонент, извлекаемый из очищаемых сточных вод
Сорбционно-ионообменная емкость, мг/г
сорбционно-ионообменный материал по предлагаемому способу
сорбционный материал по прототипу
Cr<sup>+3</sup>
56,3
35,0-45,0
Zn<sup>+2</sup>
68,1
52,5-65,2
Cu<sup>+2</sup>
49,7
-
Ni<sup>+2</sup>
60,4
-
Pb<sup>+2</sup>
54,8
-
Fe<sup>+3</sup>
70,5
-
нефтепродукты
76,1
-
Таблица 2Эффективность очистки сточных вод от ионов хрома, цинка, меди, никеля, свинца, железа и нефтепродуктов с применением сорбционно-ионообменного материала
Компонент, извлекаемый из очищаемых сточных вод
Эффективность очистки, %
Cr<sup>+3</sup>
82-88
Zn<sup>+2</sup>
91-95
Cu<sup>+2</sup>
83-91
Ni<sup>+2</sup>
90-95
Pb<sup>+2</sup>
95-99
Fe<sup>+3</sup>
97-99
нефтепродукты
98-99