Способ получения сорбента и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к способам получения сорбентов при очистке воды от радионуклидов, пестицидов и других распространенных техногенных загрязнителей. Сущность изобретения заключается в том, что получают сорбент на основе природного известняка путем измельчения его до мелкодисперсного состояния, затем в мелкодисперсный порошок исходного материала добавляют воду до получения взвеси мелкодисперсного порошка исходного материала, материал в течение 1 - 3 мин подвергают одновременному воздействию гидростатического давления, ультразвука и электромагнитного поля на частоте электрофизического резонанса природного известняка, полученный сорбент подвергают сепарированию и сушке, при этом частота воздействия ультразвука и электромагнитного поля составляет 27,7 кГц при гидростатическом давлении 450 атм. Используемое при этом устройство получения сорбента на основе природного известняка представляет собой корпус - гидробарокамеру - рассчитанную на создание гидростатических давлений порядка 450 атм, где в взвесь предварительно измельченного природного известняка помещены ультразвуковой излучатель и его катушка возбуждения, выполненная на основе изолированного проводника и являющаяся одновременно источником электромагнитного поля на частоте работы ультразвукового излучателя, при этом гидробарокамера содержит гермовводы для подачи сигнала возбуждения от внешнего генератора, настроенного на частоту электрофизического резонанса природного известняка. Такой сорбент может быть использован для индивидуальной очистки воды в домашних условиях, в пищевой и медицинской промышленности, а также в экологически напряженных технологических процессах. Сорбционная емкость активированного сорбента в 3 раза выше, чем у исходного известняка. 2 с.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение касается обеспечение экологической безопасности при очистке воды от радионуклидов, пестицидов и других распространенных техногенных загрязнителей.

Предлагаемый сорбент, получаемый методом электрофизической обработки экологически чистого природного известняка, предназначается для комплексной очистки воды от радиоактивных веществ: стронция-90, цезия-137, наиболее токсичных пестицидов типа ДДТ и его производных, а также полихлорбифенилов.

Характерным недостатком известных сорбентов, применяемых для очистки воды от различных техногенных загрязнителей, является их селективность по отношению к сорбатам. Например, способ очистки воды от радионуклидов [1,2] где сорбцию стронция ведут на калиевом цеолите типа шабазит с определенным соотношением SiО₂/Al₂O₃, не обеспечивает одновременной сорбции других техногенных загрязнителей, например пестицидов [3] В ряде случае для очистки воды используют природный известняк (92-94%) СаСО₃, но в природном виде известняк обладает малой сорбционной емкостью, а также достаточно малой универсальностью по отношению к сорбатам [4] Приготовление сорбента по известному способу заключается в его измельчении до получения мелкодисперсного состояния, что существенно повышает его сорбционную емкость. Измельчение можно проводить любыми доступными средствами. Однако измельчение даже до порошкообразного состояния недостаточно универсально, что существенно ограничивает область практического применения данного сорбента.

Техническим результатом предлагаемого способа и устройства для его осуществления является устранение отмеченных недостатков известного способа путем повышения сорбционной емкости и универсальности сорбента, получаемого на основе природного известняка.

Это достигается следующим образом. Взвесь мелкодисперсного порошка природного известняка в воде с массовой концентрацией 0,25-0,75 г/см³помещают в гидробарокамеру, где подвергают в течение 1-3 мин комплексной электрофизической обработке, предусматривающей одновременное воздействие на него гидростатического давления в 450 атм, ультразвука и электромагнитного поля на частоте электрофизического резонанса известняка с последующим сепарированием и сушкой. Такое комплексное воздействие вызывает в исходном материале цепную реакцию образования дополнительных активных центров сорбции, что приводит к значительному повышению сорбционной емкости сорбента, а также одновременному повышению его универсальности по отношению к сорбатам за счет дипольного распределения активных центров, что способствует сорбции как положительных, так и отрицательных ионов загрязнителей.

Суть электрофизической обработки заключается в следующем.

При воздействии ультразвуковых колебаний на взвесь мелкодисперсного порошка исходного материала происходит релаксационное поглощение звука, определяемое выражением α · (1) где α коэффициент поглощения звука; ω круговая частота звуковой волны; τ время релаксации; С_о и C₁ скорости звука, зависящие от приложенного гидростатического давления при ωτ << 1 и ωτ > 1 соответственно, что вызывает образование кавитационных полостей, которые пульсируют, расширяясь в фазе разрежения и схлопываясь в фазе повышенного давления. При этом на частицы исходного материала, находящиеся в кавитационной области, действуют переменные давления, достигающие на частотах 20-30 кГц порядка нескольких тысяч МПа.

Давления увеличиваются на несколько порядков при наступлении электрофизического резонанса, условие наступления которого можно найти из уравнения первой производной, дифференцируя переменную часть выражения (1) α (C²₁-C²_o) f(ωτ) ωτ 0 1 + ω²τ²-2ω²τ² 0; ω²τ²=1 отсюда имеем ωτ 1 (2)
Для природного известняка резонансная частота составляет
ω_р 27,7 кГц.

Существование резонанса доказано аналитическим путем (2). Значение этой частоты определено экспериментально на электрофизической установке методом последовательного приближения.

Кавитационные схлопывания дополнительно диспегируют твердую фазу материала и приводят к трансформации его молекулярного строения с выделением атомных и ионизированных компонентов. Для воздействия одновременно прилагаемого электромагнитного поля происходит перераспределение зарядов и формирование дополнительных активных электрических центров сорбции дипольного характера.

При этом параметр сорбции Брунауэра-Эммета-Теллера имеет вид
(3) где Z количество дополнительных центров сорбции;
K₁ константа в зависимости от характера взаимодействия сорбент-сорбат;
К₂ константа в зависимости от электрофизического воздействия.

При отсутствии дополнительных активных центров сорбции (Z=0) выражение ( 3) приводится к известной формуле Ленгмюра
Θ_Z=0 (4)
Отношение Θ_Z= /Θ_Z=0 дает количественную оценку тенденции повышения сорбционной емкости сорбента, получаемого по предлагаемому способу.

Например, при К 0,25, К=1 и Z=3 сорбционная емкость исходного материала увеличивается в 4,2 раза. К тому же дипольное распределение дополнительных активных центров сорбции, обусловленное воздействием электрической составляющей электромагнитного поля, обеспечивает сорбцию как положительных, так и отрицательных ионов загрязнителей, существенно повышая универсальность применения сорбента по отношению к сорбатам. Предлагаемый сорбент сохраняет свои свойства при сверхвысоких (до 2 ˙ 10⁷рад) дозах гамма-облучения.

В таблице представлены экспериментальные данные сравнительной проверки эффективности сорбентов на примере очистки водопроводной воды с предварительно внесенными загрязнителями (содержание радионуклидов 2 кБк/л, пестицидов 0,25 г/л).

Сорбционные свойства сорбентов представлены коэффициентом очистки, определяемым отношением удельных радиоактив- ностей исходного раствора и фильтрата.

При работе с пестицидами в водный раствор вносились стандарты ядохимикатов, меченые радиоактивным углеродом С-14. Коэффициент очистки воды от загрязнителей типа полихлорбифенилов (ПХБ)) определялся методом газовой хроматографии водной смеси. В смесь вводился американский стандарт типа арахлор-54 с последующей экстракцией.

Сорбция проводилась при нормальных условиях окружающей среды, расход сорбентов составлял 2,5 г на 1 л очищаемой воды. Величина зерен сорбентов составляла 1 мкм.

Из данных таблицы видно, что сорбент, полученный по предлагаемому способу, обладает значительно большей сорбционной емкостью (более чем в 3 раза) и универсальностью практического применения, что соответствует цели предложенного изобретения.

Устройство для осуществления предлагаемого способа получения сорбента представляет собой корпус гидробарокамеру, рассчитанную на создание гидростатических давлений порядка 450 атм, где внутри корпуса в взвесь мелкодисперсного порошка природного известняка помещены ультразвуковой излучатель и его катушка возбуждения, выполненная на основе изолированного проводника и являющаяся одновременно источником электромагнитного поля на частоте работы ультразвукового излучателя.

Корпус содержит гермовводы для по- дачи сигнала возбуждения от внешнего генератора, настроенного на частоту электрофизического резонанса известняка (27,7 кГц). Мощность ультразвукового излучателя выбирается из расчета 1000 Вт/л рабочей среды. Длительность электрофизической обработки составляет 1-3 мин. Затем полученный сорбент подвергается сепарированию и сушке.

На чертеже показана структурная схема устройства для получения сорбента на основе природного известняка.

Она имеет корпус компрессорной барокамеры 1, входной канал подачи исходного материала 2, компрессор 3, штуцер 4, генератор возбуждения ультразвукового излучателя 5, гермоввод 6, катушку возбуждения ультразвукового излучателя, являющуюся одновременно источником электромагнитного поля, ультразвуковой излучатель 8, выходной канал активированного материала 9, центрифугу 10, сушильную камеру 11, накопительный бункер 12.

Взвесь мелкодисперсного порошка природного известняка в воде через предварительно открытый клапан 2 подается во внутреннюю полость барокамеры 1. После чего клапан 2 закрывается. Включается компрессор 3, связанный с корпусом 1 штуцером высокого давления 4. По условию достижения во внутренней области гидробарокамеры 450 атм компрессор 3 отключается. При этом включается генератор частоты возбуждения ультразвукового излучателя 5. Сигнал возбуждения внешнего генератора 5 по электрическим жилам через гермовводы 6, встроенные в корпус 1, поступает на катушку возбуждения ультразвукового излучателя 7, выполненного из изолированного проводника, затем на собственно ультразвуковой излучатель 8. Последовательно включенные катушка 7, порождающая электромагнитное поле, и ультразвуковой излучатель 8 находятся внутри корпуса 1 непосредственно в среде исходного материала. Таким образом исходный материал подвергается одновременному воздействию гидростатического давления, а также ультразвука и электромагнитного поля на частоте электрофизического резонанса природного известняка. По окончании 1-3 мин генератор 5 отключают. После чего активированный материал через выходной клапан 9 поступает в последовательно соединенные продуктопроводом центрифугу 10 и сушильную камеру 11, а затем в накопительный бункер 12. После чего выходной клапан 9 закрывается и устройство приходит в исходное состояние.

Такой сорбент с успехом может быть использован для индивидуальной очистки воды в домашних условиях, для нужд пищевой и медицинской промышленности, а также использоваться в экологически напряженных технологических процессах.

Формула изобретения

1. Способ получения сорбента для очистки воды на основе природного известняка, включающий его измельчение до мелкодисперсного состояния, отличающийся тем, что взвесь мелкодисперсного порошка природного известняка в воде подвергают в течение 1 3 мин одновременному воздействию гидростатического давления в 450 атм, а также ультразвука и электромагнитного поля на частоте электрофизического резонанса известняка с последующим сепарированием и сушкой.

2. Устройство для получения сорбента на основе природного известняка, включающее корпус, отличающееся тем, что устройство снабжено ультразвуковым излучателем с катушкой возбуждения, выполненной из изолированного проводника, и размещенным внутри корпуса, а также гермовводами, встроенными в корпус от внешнего генератора, настроенного на частоту электрофизического резонанса известняка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2