Способ получения сорбента
METHOD FOR OBTAINING SORBENT

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано для получения сорбента, который применяют для очистки радиационно загрязненных вод от радионуклида цезия Cs-137.
Известны хитозан-ферроцианидные сорбенты на основе ферроцианидов Ni-K, Cu-K и Zn-K для концентрирования Cs-137 из морской воды (см. Tokar’, E., Zemskova, L., Tutov, M. et al. Development and practical evaluation of the scheme for 137Cs concentrating from seawater using chitosan and mixed ferrocyanides of Zn-K and Ni-K. J Radioanal Nucl Chem 325, (2020), p. 567-575).
В динамических условиях эффективность сорбции Cs-137 и элюирования CFS Zn-K превышает 95%. Предложена двухступенчатая схема концентрирования Cs-137 из морской воды. Первый этап - это удаление радионуклида из морской воды сорбентом CFS Zn-K, а второй этап - сорбция Cs-137 из элюата сорбентом CFS Ni-K.
Недостатком известного решения является необходимость поэтапного применения разных сорбентов.
В качестве ближайшего аналога принят способ получения сорбента, при котором соединяют при перемешивании раствор соли металла и раствор калия железосинеродистого, образовавшийся в результате взаимодействия солей осадок промывают водой, сушат и гранулируют (см. патент РФ № 2069094, МПК B01J 20/02, 1996 г.).
Недостатком ближайшего аналога является тот факт, что он предназначен для выделения радионуклидов цезия Cs-137 из организма животных и не подходит для очистки вод.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка технологии получения сорбента, используемого для очистки радиационно загрязненных вод от радионуклида цезия Cs-137.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении высокой степени очистки радиационно загрязненных вод от радионуклида цезия Cs-137.
Поставленная задача решается тем, что способ получения сорбента, при котором соединяют при перемешивании раствор соли металла и раствор калия железосинеродистого, образовавшийся в результате взаимодействия солей осадок промывают водой, сушат и гранулируют, отличается тем, что соединяют при перемешивании со скоростью 800-1000 об/мин в течение 60 минут раствор соли металла, в качестве которого используют 0,18 М водный раствор хлорида металла, и 0,08 М водный раствор калия железосинеродистого при их объемном соотношении 1:1, образовавшийся осадок промывают дистиллированной водой и сушат до постоянного веса при температуре 100°С, затем гранулируют и отделяют фракцию полученного ферроцианида Ме-K с размером частиц 0,2-0,3 мм, готовят гомогенный раствор, для чего соединяют при перемешивании со скоростью 400-600 об/мин и нагреве до температуры 120°С полиэтилен высокого давления и толуол при их соотношении 1 г:150 мл, в полученный гомогенный раствор вносят ферроцианид Ме-K с размером частиц 0,2-0,3 мм при массовом соотношении полиэтилена высокого давления и ферроцианида Ме-K 1:5 и перемешивают со скоростью 400-600 об/мин при нагреве до температуры 120°С в течение 30 минут, далее полученный раствор остывает естественным путем при перемешивании в течение 30 минут, после чего полученный осадок отделяют фильтрованием и сушат в течение 24 часов при комнатной температуре.
Кроме того, в качестве хлорида металла используют хлорид никеля.
Кроме того, в качестве хлорида металла используют хлорид цинка.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
При этом признаки формулы изобретения обеспечивает решение следующих функциональных задач.
Признаки «соединяют при перемешивании со скоростью 800-1000 об/мин в течение 60 минут раствор соли металла, в качестве которого используют 0,18 М водный раствор хлорида металла, и 0,08 М водный раствор калия железосинеродистого при их объемном соотношении 1:1, образовавшийся осадок промывают дистиллированной водой и сушат до постоянного веса при температуре 100°С, затем гранулируют и отделяют фракцию полученного ферроцианида Ме-K с размером частиц 0,2-0,3 мм» описывают технологию получения ферроцианида Ме-K с заданным размером частиц.
Признаки «готовят гомогенный раствор, для чего соединяют при перемешивании со скоростью 400-600 об/мин и нагреве до температуры 120°С полиэтилен высокого давления и толуол при их соотношении 1 г:150 мл, в полученный гомогенный раствор вносят ферроцианид Ме-K с размером частиц 0,2-0,3 мм при массовом соотношении полиэтилена высокого давления и ферроцианида Ме-K 1:5 и перемешивают со скоростью 400-600 об/мин при нагреве до температуры 120°С в течение 30 минут, далее полученный раствор остывает естественным путем при перемешивании в течение 30 минут, после чего полученный осадок отделяют фильтрованием и сушат в течение 24 часов при комнатной температуре» позволяют придать готовому сорбенту гидрофобные свойства за счет внедрения в его структуру волокон полиэтилена.
Признаки зависимых пунктов формулы описывают используемые для получения ферроцианида Ме-K хлориды металлов.
На фиг. 1 приведены рентгенограммы сорбентов:
а - полученный на основе ферроцианида K-Ni;
б - полученный на основе ферроцианида K-Zn.
На фиг. 2 изображены снимки поверхности сорбентов, сделанные сканирующим электронным микроскопом:
а - полученный на основе ферроцианида K-Ni;
б - полученный на основе ферроцианида K-Zn.
На фиг. 3 показаны экспериментальные значения сорбции сорбентов, полученных на основе ферроцианидов K-Ni (а) и K-Zn (б).
На чертежах обозначены:
1 - аппроксимация экспериментальных значений;
2 - аппроксимация экспериментальных значений с использованием уравнения Ленгмюра;
3 - аппроксимация экспериментальных значений с использованием уравнения Фрейндлиха.
Заявляемый способ осуществляют на стандартном оборудовании в два этапа.
На первом этапе получают ферроцианид Ме-K.
Для этого соединяют при перемешивании со скоростью 800-1000 об/мин в течение 60 минут раствор соли металла, в качестве которого используют 0,18 М водный раствор хлорида металла, и 0,08 М водный раствор калия железосинеродистого при их объемном соотношении 1:1, образовавшийся осадок промывают дистиллированной водой и сушат до постоянного веса при температуре 100°С, затем гранулируют и отделяют фракцию полученного ферроцианида Ме-K с размером частиц 0,2-0,3 мм.
На втором этапе внедряют волокна полиэтилена в структуру.
Для этого готовят гомогенный раствор, для чего соединяют при перемешивании со скоростью 400-600 об/мин и нагреве до температуры 120°С полиэтилен высокого давления и толуол при их соотношении 1 г:150 мл, в полученный гомогенный раствор вносят ферроцианид Ме-K с размером частиц 0,2-0,3 мм при массовом соотношении полиэтилена высокого давления и ферроцианида Ме-K 1:5 и перемешивают со скоростью 400-600 об/мин при нагреве до температуры 120°С в течение 30 минут, далее полученный раствор остывает естественным путем при перемешивании в течение 30 минут, после чего полученный осадок отделяют фильтрованием и сушат в течение 24 часов при комнатной температуре.
Как видно на фиг. 1, полученные сорбенты имеют высокоорганизованную кристаллическую структуру, о чем свидетельствует наличие пиков на рентгенограммах.
Исследование микроскопических характеристик (см. фиг. 2) позволили установить, что морфология поверхности полученных сорбентов имеет рыхлую неупорядоченную микроструктуру.
Анализируя участки поверхности сорбентов, характеризующихся отсутствием включений полиэтилена, можно говорить о том, что их структура гомогенна и однородна, что свидетельствует о равномерном распределении компонентов ферроцианидной составляющей.
Исследованы сорбционные свойства сорбентов, полученных на основе ферроцианидов K-Ni, K-Zn в составе с полиэтиленом (см. фиг. 3) путем сорбции стабильного изотопа цезия Cs-133 из растворов дистиллированной и морской воды, содержание в которых цезия составляло приблизительно 150 мг/л (концентрация цезия в дистиллированной воде 160 мг/л, в морской воде - 177 мг/л). На основании остаточного содержания цезия в анализируемых пробах были рассчитаны сорбционные показатели полученных сорбентов.
Характеристики сорбции определяли расчетным путем с помощью уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха, константы которых (константы адсорбционного равновесия K1 и предельной сорбции Gmax уравнения Ленгмюра, константы Kf и m изотермы Фрейндлиха, а также коэффициенты корреляции R2), рассчитанные после аппроксимации экспериментальных данных, приведены в таблице 1.
Таблица 1
Константы уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха,
рассчитанные после аппроксимации экспериментальных данных
Уравнение
Параметры
KNiFC-Pe
KZnFC-Pe
Ленгмюра
Gmax
249,34±32,3
246±10,6
K1
0,010±0,004
0,009±0,003
R2
0,96
0,96
Фрейндлиха
Kf
27,8±5,16
24,17±11,54
m
0,236±0,047
0,448±0,11
R2
0,91
0,88
Степень очистки исследуемых растворов от цезия с применением сорбентов, полученных на основе ферроцианидов K-Ni, K-Zn в составе с полиэтиленом может достигать 96%.
Величина коэффициента распределения Кр цезия на образцах достигает 104-105 мл/г, что говорит о хороших сорбционных свойствах материалов по отношению к радионуклиду цезия Cs-137.