СОРБЕНТ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ

Полезная модель относится к охране окружающей среды и может быть использована для очистки воды и грунта от фенола, нефти и нефтепродуктов, ионов металлов (меди, цинка и др.).
В настоящее времени известно большое количество сорбентов для очистки воды и грунта от фенола, нефти и нефтепродуктов, ионов металлов.
Известно средство для очистки воды от нефти и нефтепродуктов в виде пластины на основе композиции из резиновой крошки и порошкообразного полиэтилена, при этом композиция дополнительно содержит измельченный волокнистый целлюлозный материал при соотношении компонентов (мас.ч.): резиновая крошка 100, полиэтилен 15-25, измельченный волокнистый материал 10-30 [Патент RU 2148025 МКП С02F 1/28, 27.04.2000].
Недостатками данного способа являются токсичность сорбента при длительном пребывании в воде, длительное время поглощения вязких нефтепродуктов, трудности в утилизации, неспособность биодеградировать в природных условиях.
Известен сорбент для сбора нефти и нефтепродуктов с водной и твердой поверхностей, полученный в процессе щелочной обработки гидролизного лигнина в виде частиц размером не более 5 мм; сорбент выполнен в виде нефракционного порошка, и/или гранул с размером частиц 1-5 мм, и/или мелкодисперсного порошка размером частиц менее 1 мм, имеющих нефтепоглотительную вместимость 300-600% при времени поглощения 15-30 с [Патент RU 2277437 МКП В01J 20/24, 10.06.2006].
Недостатками данного сорбента являются невозможность использования его для сбора ионов металлов, фенола; к тому же гидролизный лигнин является экологическим загрязнителем, а его оседание на дно во время «работы» может привести к экологическому загрязнению донных слоев.
Известен сорбент для удаления нефти и нефтепродуктов из жидких сред из шелухи гречихи, представляющий собой органическую матрицу
многоразмерной пористой структуры с размером пор от 2 до 35 мкм с распределенной в ней минеральной калийсодержащей составляющей при весовом соотношении ее к углероду в матрице 1:(16-20) [Патент RU 2259874 МКП В01J 20/24, 10.09.2005].
Недостатками данного сорбента являются трудность сбора загрязнения с поверхности воды и низкая сорбционная способность.
Известен сорбирующий материал для удаления загрязнений нефтепродуктами, включающий два наружных волокнистых слоя, содержащих полипропиленовые волокна, и скрепленный с этими слоями промежуточный волокнистый слой, содержащий полипропиленовые или полиэфирные волокна, при этом все слои скреплены термически, каждый из волокнистых слоев дополнительно содержит бикомпонентные полиэфирные волокна [Патент RU 2182939 МКП D04Н 1/54, 27.05.2002].
Недостатками данного сорбента являются трудность утилизации отработанного сорбента, крайне низкая его способность к биодеградации, узкий профиль применения сорбента - только для сорбции нефти и нефтепродуктов.
Наиболее близким является сорбент для очистки воды от тяжелых металлов, полярных органических веществ (красителей, фенола и др.) на основе природного алюмосиликата (цеолита, вспученного вермикулита или их смеси), модифицированного хитозаном, полученный по способу, описанному в [Патент RU 2277013 МКП В01J 20/16, 27.05.2006].
Недостатками данного способа являются низкая степень сорбции ионов металлов, невозможность использования сорбента для сбора нефти и нефтепродуктов, крайне низкая его способность к биодеградации, что не отвечает экологической безопасности.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка сорбента на основе композиции хитозан-желатин, который можно использовать для сорбции ионов металлов (меди, цинка и т.д.), для сбора как полярных органических веществ (фенола и др.) так и неполярных
органических соединений - нефти и нефтепродуктов с поверхности воды и грунта. Сочетание в композиции таких двух составляющих как хитозан и желатин обеспечивает наилучшие характеристики сорбента.
Техническим результатом является повышение сорбционных характеристик сорбента по отношению к ионам металлов, и возможность использования предлагаемого сорбента для очистки воды и грунта от фенола, нефти и нефтепродуктов. При этом сорбент получается нетоксичным, биодеградируемым, экологически безопасным для окружающей среды. Расширяются области применения отработанного сорбента: его можно вносить в почву или использовать в качестве топлива при сжигании.
Технический результат достигается в сорбенте для очистки воды на основе природного полимера, который представляет собой органическую матрицу многоразмерной ячеистой структуры с размером ячеек 80-130 нм, причем используют композицию при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: хитозан - 1, желатин - 1,8-2,2. Сорбент выполнен в виде пленки, гранул или порошка.
3+
-
Желатин и хитозан являются хорошими комплексообразователями с ионами различных металлов; при образовании композиции желатин-хитозан образуются центры ионно-координационных взаимодействий между положительно-заряженными протонированными аминогруппами хитозана ~NH и анионом карбоксила - аминокислотных остатков белка ~СОО; за счет этих центров и происходит связывание с ионами металлов. К тому же композиция обладает одновременно гидрофильной и разветвленной структурой, содержит достаточное количество функциональных аминогрупп, способных к комплексообразованию и с группами фенола, нефти и нефтепродуктов.
Заявляемое массовое соотношение хитозана и желатина 1:(1,8-2,2) для получения сорбента является оптимальным, так как в данном соотношении соблюдено эквивалентное соотношение реакционно-способных групп хитозана и желатина, что приводит к образованию композиции с
наилучшими сорбционными показателями. При использовании желатина меньше 1,8 уменьшается степень извлечения нефти и нефтепродуктов, а выше 2,2 увеличивается растворимость комплекса в воде, желатин начинает вымываться.
Сорбент представляет собой органическую матрицу многоразмерной ячеистой структуры, состоящую из полимеров, входящих в состав композиции - хитозана и желатина, соединенных между собой межмолекулярными связями. Размер ячеек в сорбенте составляет порядка 88-130 нм, что свидетельствует об его очень высокой величине удельной поверхности, физико-химической активности и сорбционной способности. Ячеистая структура сорбента, за счет входящих в нее функционально-активных групп, способствует удержанию нефти и нефтепродуктов и в тоже время обеспечивает микродиффузионные и капиллярные эффекты сорбирования загрязнений, тем самым, блокируя их обратное попадание в воду.
Сорбент получают следующим образом.
Навеску хитозана массой 2 г растворяют в водном растворе уксусной кислоты, перемешивают и оставляют набухать на 30 мин при температуре 20-25°С. Навеску желатина массой 5-10 г растворяют в 95-90 мл воды соответственно и оставляют набухать 20-30 мин при температуре 20-25°С. Далее набухший желатин доводят до полного растворения на водяной бане при перемешивании при температуре 55-60°С. Для получения сорбента полученные растворы тщательно перемешивают на магнитной мешалке в течение 20-30 мин при температуре 20-25°С, фильтруют и сушат под вакуумом до постоянной массы.
В итоге получают композицию хитозан-желатин, которую в дальнейшем в зависимости от предъявляемых требований либо формуют в виде пленки, или гранул, либо измельчают в порошок и используют в качестве сорбента для очистки воды и грунта от фенола, нефти и нефтепродуктов, ионов металлов.
Пример 1. Для сбора разливов легких фракций нефтепродуктов (бензина) используют сорбент соотношением в композиции хитозан-желатин = 1:1,8. Для этого в 100 мл 3% раствора хитозана в водном растворе уксусной кислоты вводят при температуре 20-25°С 55 мл 10% водного раствора желатина и перемешивают в течение 20-30 мин на магнитной мешалке до полного распределения объема реакционной смеси. Далее полученную смесь фильтруют. Пленки получают поливом раствора на стеклянную подложку с последующим высушиванием под вакуумом до постоянной массы. В итоге получают сорбент в виде пленки толщиной 0,1-0,2 мм.
Пример 2. Для сбора разливов средних фракций нефтепродуктов (отработанное масло), фенола используют сорбент соотношением в композиции хитозан-желатин = 1:2,0. Для этого в 100 мл 2% раствора хитозана в водном растворе уксусной кислоты вводят при температуре 20-25°С 80 мл 5% водного раствора желатина и перемешивают в течение 20-30 мин на магнитной мешалке до полного распределения объема реакционной смеси. Далее полученную смесь фильтруют, а образовавшуюся влажную массу продавливают через фильеры диаметром 2 мм. Полученные гранулы высушивают под вакуумом до постоянной массы и используют в качестве сорбента.
Пример 3. Для сбора разливов тяжелых фракций нефтепродуктов (мазута, нефтешлама) используют сорбент соотношением в композиции хитозан-желатин = 1:2,2. Для этого в 100 мл 2,5% раствора хитозана в водном растворе уксусной кислоты вводят при температуре 20-25°С 70 мл 7% водного раствора желатина и перемешивают в течение 20-30 мин на магнитной мешалке до полного распределения объема реакционной смеси. Далее смесь фильтруют, высушивают под вакуумом до постоянной массы и измельчают в шаровой мельнице для получения сорбента в виде мелкодисперсионного порошка с размерами частиц не более 1 мм.
Полученные сорбенты наносят на загрязненную поверхность известными способами (например, вручную, с помощью залпового выброса и т.п.), а
после окончания процесса сорбции отработанные сорбенты с загрязнениями удаляют с поверхности и утилизируют (вносят в почву или используют в качестве топлива при сжигании). Время поглощения загрязнений с поверхности воды и грунта составляет 30-60 секунд при температуре от 0°С до 80°С.
Извлечение ионов металлов из воды или с грунта осуществляется любым из сорбентов, полученных по примерам 1-3.
Пример 4. Для определения степени очистки сточных вод от нефтепродуктов в колонну заливают 500 мл нефтесодержащих сточных вод и через нее пропускают сорбент, полученный по примеру 2, массой 2 г. После раствор фильтруют и определяют степень очистки воды от загрязнений на анализаторе жидкости «Флюорат-02» [Методика выполнения измерений массовой концентрации фенола и нефтепродуктов в пробах сточной воды на анализаторе жидкости «Флюорат-02» ТУ 4321-001-20506233-94]. Очистку сточных вод, содержащих фенол, проводят аналогичным образом. В результате степень очистки воды от нефтепродуктов составляет - 98,5%, от фенола - 96,8%.
В таблице 1 приведена сравнительная характеристика сорбента, полученного по примеру 2, и сорбента из прототипа. Опытным путем показано, что сорбент на основе композиции хитозан-желатин обладает высокими сорбционными характеристиками не только к различным ионам металлов, но и к фенолу и нефтепродуктам.
Таблица 1Сравнительная характеристика сорбентов
№ п/п
Характеристика сорбента
Композиця хитозан-желатин (по примеру 2)
Смесь вермикулита с хитозаном (прототип)
1.
Насыпной удельный вес, г/см<sup>3</sup>
1,10
0,7-0,75
2.
Размер гранул, мл
1,5-3
1,8-2
3.
Удельная поверхность, м<sup>2</sup>/г
20-25
40,0-42,0
4.
Нефтеемкость, см<sup>3</sup>/см<sup>3</sup>
4,5
-
5.
Мин. рабочая температура, °С
0
-
6.
Мах. рабочая температура, °С
80
-
7.
Температурная устойчивость к разложению, °С
350
-
8.
Статическая обменная емкость, мг/г
по ионам Cu<sup>2+</sup>
6,0
5,85
по ионам Fe<sup>3+</sup>
7,1
6,90
по ионам Zn<sup>2+</sup>
5,1
-
по ионам Cd<sup>2+</sup>
5,7
-
по ионам Ni<sup>2+</sup>
4,2
-
Насыпной удельный вес определяли весовым методом по методике, описанной в книге [Производство изделий из полимерных материалов: Учеб. пособие /В.К.Крыжановский, М.Л.Кербер, В.В.Бурлов, А.Д.Паниматченко. - СПб.: Профессия, 2004. - 464 с.].
Нефтеемкость определяли по степени набухания сорбента в растворе с фенолом и нефтепродуктами по методике, описанной в книге [Практикум по химии и физике полимеров: Учеб. изд. / Под ред. В.Ф.Куренкова. - М.: Химия, 1990. - 304 с.].
Статическую обменную емкость композиции хитозан-желатин по ионам металла определяли по ГОСТ 20255.1-89. Метод определения статической обменной емкости. Издательство стандартов. 1989. - 112 с.
Температурную устойчивость композиции к разложению определяли методом дифференциально-термического анализа [Методы исследования структуры и свойств полимеров / И.Ю.Аверко-Антонович, Р.Т.Бикмуллин; КГТУ. Казань, 2002. - 604 с.]
Использование сорбента в интервале температур от 0°С до 80°С является оптимальным, в котором сорбент работает и сохраняет свои сорбционные характеристики. Минимальная рабочая температура сорбента соответствует температуре, при которой вода не замерзает, а при использовании сорбента выше максимальной рабочей температуры происходит его деструкция, так как входящий в состав композиции желатин начинает разрушаться и терять свои свойства.
Размер ячеек в композиции хитозан-желатин определяли методом светорассеивания [Булатов М.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотометрическим методам анализа. - Л. Химия, 1986. - 436 с.].
Таким образом, использование сорбента на основе композиции хитозан-желатин позволяет повысить сорбционные характеристики по отношению к различным ионам металлов, проводить очистку воды и грунта от фенола, нефти и нефтепродуктов. Это представляется перспективным, так как используемый сорбент является нетоксичным, биодеградируемым, экологически безопасным. При этом расширяются области применения отработанного сорбента: его можно вносить в почву или использовать в качестве топлива при сжигании.