Сорбент на основе соединений алюминия

 

Использование: для очистки водных растворов. Сорбент содержит, мас.%: гидролизованные грубодисперсные алюмосиликаты с диаметром частиц более 1 мкм 45-70; гидролизованные тонкодисперсные алюмосиликаты с диаметром частиц 0,1-1 мкм 10-40; гидролизованные коллоидно-дисперсные алюмосиликаты с диаметром частиц менее 0,1 мкм 3-10; молекулярно-дисперсные гидроксиды кремния, алюминия, железа, титана, кальция и магния 1-10. Изобретение позволяет получить сорбент многоцелевого назначения с высокой емкостью.

Изобретение относится к области сорбционных материалов и может быть применено для очистки вод, загрязненных тяжелыми металлами, нефтью и нефтепродуктами, бактериальными клетками и др. веществами.

Известны сорбенты на основе соединений алюминия, в частности оксида алюминия, применяемые для очистки водных растворов от органических соединений и бактериальных клеток, содержащие 3 - 12 мас. % углерода; в качестве сорбирующей матрицы содержится оксид алюминия, состоящий не менее чем на 50% из χ -подобной фазы и имеющий удельную поверхность 90 - 180 мг/г, объем пор радиусом 100 - 1000 0,02-0,08 см³/г и объем пор радиусом 1000-10000 0,05 -0,10 см³/г, см. патент Российской Федерации N 2026734 по кл. В 01 J 20/08.

Недостатком этого сорбента является невысокая адсорбционная способность вследствие ограниченной удельной поверхности. Кроме того, его адсорбционная способность в высокой степени зависит от вида сорбируемого загрязнителя (41 - 95% - для витамина B₁₂ и 63 -73% для стафилококка и кишечной палочки). Для очистки загрязненных вод от тяжелых металлов и нефтепродуктов данный сорбент не эффективен. Кроме того, он имеет весьма высокую стоимость.

Известен также сорбент на основе соединений алюминия; в качестве сорбирующей матрицы содержится оксид алюминия, модифицированный углеродом; применяется для очистки водных растворов от органических соединений и бактериальных клеток и содержит микро-, мезо- и макропоры; сорбент имеет истинную, плотность 2,90 - 3,15 г/см³, удельную поверхность 150 - 350 мг/г, потери при истирании 0,1 - 0,5%/мин, объем пор радиусом 1000 - 10000 0,005 - 0,1 см³/г и объем радиусом 100 - 1000 0,008 - 0,25 см³/г, при этом модифицирующий углерод распределен равномерно по диаметру зерна сорбента и расположен в виде псевдографитовых кристаллитов как между агрегатами частиц оксида алюминия, так и внутри этих агрегатов, см., например, патент Российской Федерации N 20266733 по кл. В 01 J 20/08.

Этот сорбент имеет несколько большую удельную поверхность, однако ему, как и всем сорбентам контактного действия, в полной мере свойственны недостатки описанного выше технического решения: низкая адсорбционная способность, высокая степень зависимости от вида сорбируемого загрязнителя, высокая стоимость, сложность приготовления ввиду необходимости предельно высокой степени гомогенизации состава.

Известен также сорбент на основе природного алюмосиликатного сырья, используемый для очистки водных растворов, содержащий цеолиты и примесные минералы типа кварца, полевых шпатов, слюд, см. патент Российской Федерации N 2035994 по кл. В 01 J 20/16.

Этот сорбент, принятый за прототип настоящего изобретения, также позволяет осуществить только контактную сорбцию, что обусловливает его невысокую адсорбционную способность, существенно зависящую от вида сорбируемого загрязнителя; удаление токсичных веществ из сорбента по патенту N 2035994 осуществляется путем отмывки, что вызывает вымывание самых активных компонентов коллоидно-дисперсных и молекулярно-дисперсных; сорбент имеет высокую стоимость.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи создания сорбента на основе соединений алюминия, например алюмосиликатов, который имел бы высокую адсорбционную способность, уменьшенную зависимость от вида сорбируемого загрязнителя и невысокую стоимость.

Согласно изобретению сорбент на основе природного алюмосиликатного сырья, используемый для очистки водных растворов, содержит, мас.%: Гидролизованные грубодисперсные алюмосиликаты с диаметром частиц более 1 мкм - 45 - 70 Гидролизованные тонкодисперсные алюмосиликаты с диаметром частиц 0,1 - 1 мкм - 10 - 40 Гидролизованные коллоидно-дисперсные алюмосиликаты с диаметром частиц менее 0,1 мкм - 3 - 10 Молекулярно-дисперсные гидроксиды кремния, алюминия, железа, титана, кальция и магния - 1 - 10 В связи с этим, по мнению заявителя, можно сделать выводы о соответствии изобретения критерию "новизна". Реализация отличительных признаков изобретения (в совокупности с признаками, приведенными в ограничительной части формулы изобретения) обусловливает появление у объекта принципиально новых свойств, заключающихся в осуществлении комплексной сорбции: контактной (поверхностной) и сквозьрастворной. Грубо- и тонкодисперсные частицы сорбируют загрязнители топохимически, а коллоидно-дисперсные алюмосиликаты и молекулярно-дисперсные гидроксиды обусловливают процессы сквозьрастворной хемосорбции, при которой "удельная поверхность" сорбента чрезвычайно велика. Понятие "удельная поверхность" сорбента при этом - условное, т.к. сорбция происходит на коллоидно-молекулярном уровне сорбирующего вещества. Благодаря этому адсорбционная способность сорбента возрастает на несколько порядков в сравнении с сорбентами только контактного действия.

Комплексная сорбция (как топохимическая, так и сквозьрастворная), обеспечивает радикальное уменьшение зависимости эффективности процесса адсорбции от вида загрязнителя.

Невысокая стоимость сорбента обусловлена использованием природного минерального сырья.

Заявителем не выявлены какие-либо сведения о влиянии отличий изобретения на достигаемый технический результат. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемый материал получают путем последовательной обработки естественных алюмосиликатных пород кислым и щелочным реагентами.

В частности, использована кембрийская глина (месторождения Ленинградской области), содержащая глинистых частиц (< 0,001 мм) 35,7%, с числом пластичности 23,5.

В состав глины входят, мас.%: SiO₂ - 65,43; Al₂O₃ - 17,32; Fe₂O₃ - 4,23; CaO -1,91; MgO - 2,27; TiO₂ - 0,67; SO₃ - 0,08; Na₂O - 0,67; Ka₂O - 3,11; n. n. n. - 4,31. Содержание карбонатов меньше 2%. Сорбент из глины готовился в виде вязко-пластичной пасты, для чего в глиняную массу при ее влажности 25 - 30% вносилось 8 мас.% концентрированной серной кислоты. При этом сухое вещество глины составляет 92 мас.%. Равномерно перемешанная кислотно-глиняная масса выдерживалась при нормальной температуре и давлении в течение 3-4 часов, что обеспечивало глубокий кислотный гидролиз алюмосиликатов при реакции среды pH≅2.

Затем, после кислотной активизации, паста подвергалась нейтрализации и щелочному гидролизу с помощью добавок извести, (10 - 15 мас.%) с доведением pH среды до 12-14 при дополнительном увеличении влажности пасты до 60 - 70%. После выдерживания вязкопластичной пасты в течение 4 - 5 часов при нормальной температуре и добавлении алюмосиликатный сорбент использовался для очистки загрязненной воды.

Благодаря интенсивному гидролизу минеральных компонентов сырья формируется комплексная минеральная сорбирующая матрица с широким диапазоном дисперсности.

Адсорбционную способность предлагаемого материала определяли по следующей методике. В колбу емкостью 200 мл вводили навеску сорбента в пастообразном состоянии в соотношениях т/ж (твердое/жидкое) = 1:100:1:200. В качестве модельных растворов использовали растворы различных загрязнителей в дистиллированной воде. Навеску сорбента перемешивали с раствором в течение 1 мин. До получения равномерной суспензии и выдерживали в течение 1:24 часов в зависимости от вида загрязнителя. Остаточное содержание загрязнителей в отфильтрованной осветленной воде определяли с помощью атомно-адсорбционного спектрофотометра.

Сорбент содержал: Пример 1.

Сорбент содержал, мас.%: Грубодисперсные алюмосиликаты - 30,0 Тонкодисперсные алюмосиликаты - 55,0 Коллоидно-дисперсные алюмосиликаты - 12,5
Гидроксид алюминия - 0,9
Гидроксид железа - 0,3
Гидроксид кремния - 0,7
Гидроксид титана - 0,1
Гидроксид кальция - 0,3
Гидроксид магния - 0,2
Содержание сухого вещества сорбента к загрязненной жидкости составляло 1:100.

Концентрация загрязнителей в модельном растворе, мг/л:
Cu - 9,87
Zn - 10,80
Cd - 5,39
Ni - 11,55
Cr⁺³ - 4,55
pH Раствора - 3,9
Время взаимодействия сорбента с раствором - 24 часа.

Остаточное содержание загрязнителей после применения сорбента, мг/л:
Cu - 0,01
Zn - 0,005
Cd - 0,02
Ni - 0,02
C⁺³ - 0,02
Степень очистки определялись из известного соотношения:

где I_ad - степень очистки (величина адсорбции);
Σ M_{ei исх.} - суммарная концентрация загрязнителей в исходном растворе, мг/л;
Σ M_{ei ост.} - суммарная концентрация загрязнителей в очищенном растворе, мг/л.

I_ad1 = [(42,26 - 0,075)/42,26] = 99,9%.

Пример 2.

Сорбент содержал:
Грубодисперсные алюмосиликаты - 58,0
Тонкодисперсные алюмосиликаты - 30,5
Коллоидно-дисперсные алюмосиликаты - 2,0
Гидроксид алюминия - 2,6
Гидроксид железа - 2,2
Гидроксид кремния - 3,3
Гидроксид титана - 0,4
Гидроксид кальция - 0,6
Гидроксид магния - 0,4
Соотношение сухого вещества сорбента к загрязненной жидкости составляло 1:100.

Концентрация загрязнителей в модельном растворе, мг/л:
Cu - 10,27
Zn - 9,90
Cd - 4,29
Ni - 12,57
Cr⁺³ - 6,51
pH Раствора - 4,5
Время взаимодействия сорбента с раствором - 1 час.

Остаточное содержание загрязнителей, мг/л:
Cu - 0,71
Zn - 0,96
Cd - 0,25
Ni - 0,93
Cr⁺³ - 0,56
Степень очистки I_ad2 = 92,2%
Пример 3.

Сорбент содержал, мас.%:
Грубодисперсные алюмосиликаты - 37,8
Тонкодисперсные алюмосиликаты - 45,0
Коллоидно-дисперсные алюмосиликаты - 7,5
Гидроксид алюминия - 2,3
Гидроксид железа - 2,2
Гидроксид кремния - 3,5
Гидроксид титана - 0,5
Гидроксид кальция - 0,9
Гидроксид магния - 0,3
Соотношение сухого вещества сорбента к загрязненной жидкости составляло 1:200.

Концентрация загрязнителей в модельном растворе, мг/л:
Cu - 8,71
Zn - 12,21
Pb - 4,34
Co - 2,72
Sr - 1,75
Cr⁺³ - 6,74
pH Раствора - 4,8
Время взаимодействия сорбента с раствором - 12 час.

Остаточное содержание загрязнителей, мг/л:
Cu - 0,15
Zn - 0,92
Pb - 0,01
Co - 0,03
Sr - 0,01
Cr⁺³ - 0,17
Степень очистки I_ad3 = 96,4%
Пример 4.

Сорбент содержал, мас.%:
Грубодисперсные алюмосиликаты - 47,0
Тонкодисперсные алюмосиликаты - 39,0
Коллоидно-дисперсные алюмосиликаты - 7,6
Гидроксид алюминия - 1,9
Гидроксид железа - 0,8
Гидроксид кремния - 2,2
Гидроксид титана - 0,4
Гидроксид кальция - 0,7
Гидроксид магния - 0,4
Соотношение сухого вещества сорбента к загрязненной жидкости составляло 1:150.

Концентрация загрязнителей в воде, мг/л:
Сырая нефть - 57,0
Мазут - 12,1
Минеральное масло - 5,7
Поверхностно-активные вещества - 2,6
pH Раствора - 6,7
Время взаимодействия сорбента с загрязненной жидкостью - 1 час.

Остаточное содержание загрязнителей, мг/л:
Сырая нефть - 0,05
Мазут - 0,01
Минеральное масло - 0,06
Поверхностно-активные вещества - 0,01
Степень очистки I_ad4 = 98,5%
Пример 5.

Сорбент содержал, мас.%:
Грубодисперсные алюмосиликаты - 35,7
Тонкодисперсные алюмосиликаты - 50,2
Коллоидно-дисперсные алюмосиликаты - 8,7
Гидроксид алюминия - 2,1
Гидроксид железа - 0,7
Гидроксид кремния - 1,6
Гидроксид титана - 0,2
Гидроксид кальция - 0,7
Гидроксид магния - 0,1
Соотношение сухого вещества сорбента к загрязненной жидкости составляло 1:100.

Концентрация загрязнителей в воде:
Высушенная культура кишечной палочки - 200 мг/л
pH Раствора - 6,9
Время взаимодействия сорбента с раствором - 20 часов.

Остаточное содержание загрязнителя:
Высушенная культура кишечной палочки - 2,4 мг/л.

Степень очистки: I_ad5 = 98,8%.

Как видно из вышеприведенных примеров, предложенный сорбент имеет весьма высокую адсорбционную способность, которая сравнительно мало зависит от вида сорбируемого загрязнителя. Для изготовления сорбента используются распространенные и относительно недорогие природные материалы, недефицитные реагенты и типовое оборудование.

Указанные обстоятельства позволяют сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

Формула изобретения

Сорбент на основе природного алюмосиликатного сырья, используемый для очистки водных растворов, отличающийся тем, что он содержит, мас.%:
Гидролизованные грубодисперсные алюмосиликаты с диаметром частиц более 1 мкм - 45 - 70
Гидролизованные тонкодисперсные алюмосиликаты с диаметром частиц 0,1 - 1 мкм - 10 - 40
Гидролизованные коллоидно-дисперсные алюмосиликаты с диаметром частиц менее 0,1 мкм - 3 - 10
Молекулярно дисперсные гидроксиды кремния, алюминия, железа, титана, кальция и магния - 1 - 10

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 10.04.2005        БИ: 10/2005

---