Сорбент для локализации и нейтрализации поверхностей от токсичных химических веществ и способ его получения

 

Изобретение относится к охране окружающей среды и применяется для локализации и нейтрализации поверхностей от токсичных химических веществ. Техническая сущность заявляемого изобретения заключается в том, что предложенные сорбенты, включающие модифицированный верховой торф, дополнительно содержат соли переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo, Fe и их окислов, ферриты данных металлов при следующем соотношении компонентов, вес.%: соли переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo, Fe и их окислов 0,030...0,040; ферриты переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo 0,0040...0,0050; верховой торф остальное. Солями переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo, Fe и их окислов являются соли фосфорной или щавелевой кислоты. Полученный сорбент обладает высокой емкостью. 2 с.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

Заявленное техническое решение относится к области охраны окружающей среды и применяется для локализации и нейтрализации поверхностей от токсичных химических веществ.

Известны способы локализации и нейтрализации поверхностей от токсичных химических веществ, в Отчете о НИР (Peг. 069047-98) "Методы обезвреживания почв, загрязненных НДМГ и ОМАРОМ", Спб., РНЦ " Прикладная химия" предлагается загрязненную поверхность обрабатывать горючим (керосином) и поджечь ее с помощью факела. Метод прост в исполнении, однако энергоемок (расход горючего 10. .. 25 кг керосина на 1 м² загрязненной поверхности) и не обеспечивает обезвреживания до предельно допустимой концентрации (ПДК), продукты неполного окисления являются источником вторичного загрязнения атмосферы. Почва после обработки не пригодна для сельскохозяйственных целей. Для повышения эффективности процесса обезвреживания грунта термическим методом обезвреживание проводят в специальном агрегате в две стадии: на первой при температуре 300. ..400^oС осуществляется испарение и десорбция токсичных веществ из грунта, на второй - при температуре 1000...1100^oС дожигаются выделяющиеся газы. Данный термический метод обезвреживания позволяет повысить эффективность процесса обезвреживания, снизить уровень неблагоприятного термического воздействия на грунт, но ему также присущи недостатки, а именно: -не удается обезвредить грунт от токсичных химических веществ до ПДК, -процесс энергоемок, удельный расход керосина 0,08...0,45 кг/кг грунта в зависимости от его влажности и размера комков (Экологические аспекты воздействия компонентов жидких ракетных топлив на окружающую среду. Спб., 1996, РНЦ " Прикладная химия", с. 26...27).

Известно, что для локализации и нейтрализации поверхностей от токсичных химических веществ применяются сорбенты. Основными технико-экономическими показателями, определяющими возможность промышленного использования сорбента в больших масштабах, являются следующие: - высокая поглощающая и нейтрализующая способности по отношению к токсичным химическим веществам; - простота технологического процесса получения сорбента; - простота технологического процесса обезвреживания; - возможность применения в технологическом процессе широко распространенного недорогого оборудования; - использование для получения сорбента недорогих и доступных веществ и материалов, в том числе отходов производства; - универсальность: способность сорбента к удалению токсичных химических веществ с любой поверхности как с водной, так и с твердой при любой толщине загрязнения; - простой и недорогой способ регенерации отработанного сорбента.

Известны из материалов научно-практической конференции "Экологические аспекты воздействия компонентов жидких ракетных топлив (ЖРТ) на окружающую среду" СПб., РНЦ "Прикладная химия", 1996, с. 32, следующие сорбенты:
- сорбент марки ACT-100, состоящий из технического углерода (сажа) и бикелекта жидкого (карбонизируемое связующее). Сорбент получают смешением технического углерода с бикелектом жидким с последующим уплотнением под давлением 25 атм при температуре 100^oС;
- сорбент ДАУ, состоящий из березовых опилок и чурок. Получают сорбент с применением низкотемпературного пиролиза с одновременной активацией водяным паром березовых опилок и чурок, с последующим дроблением березовых чурок до фракции 1...3,3 мм;
- сорбент "бертинат", состоящий из торфа. Получают сорбент обработкой торфа перегретым паром (температура 120^oС) с последующей воздушной сушкой в течение 24 часов.

Удельная сорбционная емкость, г/г, данных сорбентов по несимметричному диметилгидразину (НДМГ) составила: АСГ 100 1,0; ДАУ 2,8; бертината 0,5.

Таким образом, сорбенты имеют достаточно высокую сорбционную емкость и могут применяться для локализации и нейтрализации поверхностей от токсичных химических веществ.

Но сорбенты имеют и существенные недостатки, а именно:
- требуется регенерация отработанного сорбента;
- не используются для получения сорбентов недорогих и доступных веществ и материалов, в том числе отходов производства;
- не универсальность, так как используются для локализации и нейтрализации поверхностей от токсичных химических веществ только на грунте.

Таким образом, сорбенты не отвечают большинству технико-экономических показателей, необходимых для широкого их применения.

Известен сорбент, описанный в патенте РФ 2104103 от 10.02.98, C 02 F 3/34. Для его приготовления используют торф, измельченный до 0,1... 0,3 мкм и термообработанный при температуре 200^oС в течение 15 мин. После нанесения торфа на обезвреживаемую поверхность дополнительно наносят водную суспензию углеводороддеградирующих бактерий из рода Rhadococcus, содержащую соли азота, фосфора и калия. При этом концентрация солей азота, фосфора и калия в водной суспензии составляет 0,01...0,20%. Соотношение бактерий из рода Rhadococcus, соли азота, фосфора и калия составляет соответственно: (0,1..1): (0,2...2):(0,15...1,5):(0,05...0,5).

Сорбент обладает высокой сорбционной и нейтрализующей способностями по отношению к токсичным химическим веществам, не требуется регенерации отработанного сорбента. Но данный сорбент имеет существенные недостатки, а именно:
- сложный технологический процесс получения, связанный с электронагревом;
- сложный технологический процесс обезвреживания, связанный с выемкой обезвреживаемого грунта;
- не используются для получения сорбента недорогих и доступных веществ и материалов, в том числе отходов производства;
- недостаточная эффективность обезвреживания;
- не универсальность, так как сорбент применяется для обезвреживания от загрязнений только грунта.

Таким образом, сорбент не обладает большинством технико-экономических показателей, необходимых для использования его в больших масштабах для обезвреживания поверхностей от токсичных химических веществ.

Известны сорбенты, описанные в книге "Химия промышленных сточных вод", Москва, "Химия", 1983, с. 245...261. Для получения данных сорбентов торф обрабатывают концентрированными минеральными кислотами: серной, фосфорной, хромовой при нагревании. Используют фракцию высушенного торфа с частицами 0,5. . . 1,0 мм. Исследование ионообменной емкости модифицированного торфа проводят после промывания, высушивания и повторного просеивания. Как показали исследования, наиболее эффективен процесс обработки торфа концентрированной серной кислотой, он не дорог, прост. Сорбент имеет высокую обменную емкость по отношению к токсичным химическим веществам. Но данные сорбенты имеют недостатки, а именно:
- требуется регенерация отработанного сорбента;
- при обработке торфа концентрированными минеральными кислотами не сохраняется микрофлора торфа;
- при применении сорбентов для обеззараживания грунта наблюдается закисление почвы.

- не используются для получения сорбентов недорогих и доступных веществ и материалов, в том числе отходов производства.

Таким образом, сорбенты не обладают всеми технико-экономическими показателями, необходимыми для их широкого промышленного применения.

Наиболее близким прототипом предложенного изобретения по количеству общих признаков является сорбент, разработанный в РНЦ " Прикладная химия" и описанный в материалах научно-практической конференции " Экологические аспекты воздействия компонентов жидких ракетных топлив (ЖРТ) на окружающую среду" Спб., 1996, с. 32.

Модифицированнный торф получали обработкой природного торфа 1н серной кислотой при кипячении в течение 30 минут с последующей воздушной сушкой при температуре 20-22^oС в течение 24 час.

Удельная сорбционная емкость по НДМГ, г/г, модифицированного серной кислотой торфа составила 2,6.

Сорбент обладает высокой сорбционной емкостью по отношению к токсичным химическим веществам, но сорбент имеет недостатки, а именно:
- требуется регенерация отработанного сорбента;
- при обработке торфа 1н раствором серной кислоты не сохраняется микрофлора торфа;
- при применении сорбента для обезвреживания грунта наблюдается закисление почвы;
- не используются для получения сорбентов недорогих и доступных веществ и материалов, в том числе отходов производства.

Таким образом, сорбент не обладает всеми технико-экономическими показателями, необходимыми для его широкого промышленного применения.

Задачей заявляемого изобретения является создание сорбента, который бы удовлетворял всем параметрам технико-экономических показателей, позволяющим использовать сорбент в промышленности в больших масштабах.

Техническая сущность заявляемого изобретения заключается в том, что сорбенты для локализации и нейтрализации поверхностей от токсичных химических веществ, включающие торф, дополнительно содержат соли фосфорной или щавелевой кислот переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo, Fe и ферриты данных металлов при следующем соотношении компонентов (весовой процент):
- соли щавелевой или фосфорной кислот переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo, Fe - 0,030 -0,040;
- ферриты переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo - 0,0040-0,0050;
- торф - остальное.

Данные сорбенты получают обработкой торфа солями фосфорной или щавелевой кислот переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo, Fe, при этом предварительно проводят химическую обработку мелкодисперсного порошка с частицами не более 0,5 мм, состоящего из переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo, Fe 2-5% раствором щавелевой или фосфорной кислоты до получения коллоидного раствора солей переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo, Fe, которые вместе с ферритами переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo, перемешивают при температуре 20-22^oС с торфом и выдерживают до относительной влажности 45-50%. Мелкодисперсный порошок может быть отходом шихты металлических сварочных электродов марок ТМЛ-14, ТМЛ-94, ЦЛ-39. Основным составом отходов шихты являются переходные металлы: Со, Ni, Mn, Mo, Fe и ферриты данных металлов.

Предлагаемые сорбенты не только обладают высокими сорбционными и нейтрализующими способностями, но и являются эффективным локализующим средством. Анализ газовой фазы показал, что засыпка места пролива слоем сорбента полностью предотвращает выделение паров токсиканта в атмосферу. Сорбенты являются высокоэффективными, гидрофобными, экологически чистыми сорбентами, причем дополнительной гидрофобизирующей обработки сырья, связанной с применением химических реактивов, не требуется, так как сорбент становится гидрофобным при способе его получения. При обработке торфа коллоидным раствором солей фосфорной и щавелевой кислот переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo, Fe и ферритами данных металлов не только сохраняется микрофлора торфа, но и происходит ее подпитывание. При обезвреживании грунта от токсичных химических веществ не происходит его закисление. Ионы переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo, Fe катализируют процесс окисления токсичных химических веществ, а также участвуют в важнейших биохимических процессах, снижают антропогенную нагрузку на растения. Отработанные сорбенты собирают в полиэтиленовые мешки, где при температуре 20-30^oС за 3-4 месяца за счет естественных процессов деструкции проходит регенерация сорбентов.

При получении сорбентов мелкодисперсный порошок с частицами не более 0,5 мм, состоящий из переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo, Fe и ферритов данных металлов, помещают в кислотостойкий сосуд и растворяют в 2-5% растворах щавелевой или фосфорной кислоты. На 1 кг мелкодисперсного порошка требуется 0,090-0,050 м³ щавелевой или фосфорной кислоты. Полученный коллоидный раствор фосфорной или щавелевой кислот солей переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo, Fe и ферритов данных металлов перемешивают с торфом при температуре 20-22^oС в соотношении (весовой процент):
Соли щавелевой или фосфорной кислот переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo, Fe - 0,030-0,040
Ферриты данных переходных металлов - 0,0040-0,0050
Торф - Остальное
Для дополнительного диспергирования и равномерного распределения коллоидного раствора раствор вводится при постоянном перемешивании и выдерживается на воздухе до относительной влажности 45-50%.

При растворении мелкодисперсного порошка в фосфорной кислоте и затем смешении с торфом получают сорбент с условным обозначением "ЭФ", состоящий из (весовой процент):
Соли фосфорной кислоты переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo, Fe - 0,035
Ферриты данных переходных металлов - 0,0048
Торф - Остальное
При растворении мелкодисперсного порошка в щавелевой кислоте и затем смешении с торфом получают сорбент с условным обозначением "ЭЩ", состоящий из (весовой процент):
Соли щавелевой кислоты переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo, Fe - 0,038
Ферриты данных переходных металлов - 0,0042
Торф - Остальное
Основные параметры и свойства полученных сорбентов приведены в таблице 1.

Проведены экспериментальные исследования по выявлению влияния ионов переходных металлов: Zn, Mn, Mo, Сu, Со, содержащихся в сорбенте, на деструкцию НДМГ в почве. В экспериментах использовали сорбент, в 1 кг которого содержится по 75 мг Zn и Mn, 40 мг Сu, по 5 мг Со и Mo, остальное торф. Исследования проводили на почвах различных типов в широком диапазоне исходных концентраций НДМГ (от 0,1 до 50 г/кг почвы). Контроль за процессом деструкции проводили по изменению содержания как самого НДМГ, так и его производных, при выдержке загрязненных образцов при температуре 20-22^oС, при поддержке влажности, соответствующей исходной.

Исследования показали, что внесение добавок ионов переходных металлов ускоряет деструкцию НДМГ и его производных, резко снижает количество наиболее токсичного производного - нитрозы. Результаты приведены на фиг. 1 и 2.

В таблице 2 приведены результаты исследований деструктивной способности сорбентов по отношению к токсичным химическим веществам.

Как видно из результатов, представленных в таблице 2, сорбенты обладают высокой деструктивной способностью, так у такого трудноокисляемого нефтепродукта, как мазут, концентрация снижается со 100 г/кг до 0,12 г/кг с применением сорбента "ЭФ" и до 0,095 г/кг с применением сорбента "ЭЩ" при обезвреживании в течение 3-х месяцев. Сорбенты обладают высокой сорбционной способностью.

Исследования проводили на полигоне с проливом НДМГ как на грунт, так и в водоем. Плотность пролива 0,2 г/м², высота слоя токсиканта 0,20...0,25 см. Сорбенты насыпали на поверхность "пролива" равномерным слоем через 1 час после пролива. Масса сорбента рассчитывалась в соответствии с удельной сорбционной емкостью g_m. Через 30 минут сорбент собирали с водной поверхности и проводили анализ воды и сорбента на содержание токсиканта. С поверхности почвы сорбент убирали через 24 часа, проводили анализ почвы и сорбента на содержание токсиканта. Результаты исследований представлены в таблице 3.

Как видно из приведенных результатов, представленных в таблице 3, сорбенты обладают высокой сорбционной емкостью, так удельная сорбционная емкость (г/г) по отношению к НДМГ составила 4,3, в то время как у прототипа - 2,6.

Результаты испытаний сорбентов доказывают эффективность и экономическую целесообразность их применения. Технический результат, который достигается при использовании предлагаемого изобретения, заключается в повышении сорбционной емкости и нейтрализующей способности по отношению к токсичным химическим веществам, в новизне выбора материалов для получения сорбентов, а также в решении вопроса утилизации неизбежных технологических отходов производства сварочных электродов.

Заявленные сорбенты при их осуществлении предназначены для использования в штатных и аварийных ситуациях для ликвидации последствий проливов токсичных химических веществ, сорбенты обеспечивают достижение усматриваемого заявителем результата.

Формула изобретения

1. Сорбент для локализации и нейтрализации поверхностей от токсичных химических веществ, включающий торф, отличающийся тем, что он дополнительно содержит соли фосфорной и щавелевой кислот переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo, Fe, ферриты данных переходных металлов при следующем соотношении компонентов, вес. %:
Соли фосфорной и щавелевой кислот переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo, Fe - 0,030-0,040
Ферриты переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo - 0,0040-0,0050
Торф - Остальное
2. Способ получения сорбента для локализации и нейтрализации поверхностей от токсичных химических веществ, включающий обработку торфа, отличающийся тем, что предварительно проводят химическую обработку мелкодисперсного порошка с частицами не более 0,5 мм, состоящего из переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo, Fe, 2-5% щавелевой или фосфорной кислотой до получения коллоидного раствора солей переходных металлов: Со, Ni, Mn, Mo, Fe, после чего полученный коллоидный раствор перемешивают с ферритами данных металлов и торфом при температуре 20-22^oС и выдерживают до относительной влажности 45-50%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6