Сорбент на основе силиката сурьмы для удаления ионов металлов

 

Предложен материал, содержащий легированный силикат сурьмы, в качестве сорбента для удаления ионов металлов, например ионов радиоактивных металлов, из кислотной жидкой среды. Ионы металлов можно селективно удалить из смеси с другими ионами, такими как ионы Na, К, Мg и Са. Предложен способ получения материала на основе силиката сурьмы, применяемого для удаления ионов металлов, легированного одним или более элементами, выбранными из группы, состоящей из вольфрама, ниобия и тантала. Легированный материал особенно эффективен в качестве сорбента для удаления ионов металлов, в частности стронция, из жидкой среды. 4 с. и 6 з.п. ф-лы, 20 ил., 5 табл.

Настоящее изобретение относится к удалению ионов металлов из фазы раствора. Например, его можно использовать при удалении радионуклидов из раствора, но следует понимать, что это изобретение никоим образом не ограничивается радионуклидами.

В атомной промышленности получаются большие объемы сточных вод, которые содержат радионуклиды и другие загрязняющие соединения металлов. Желательно удалять такие сточные воды при минимальном объеме для максимального использования мощности очистных сооружений. Обычно из таких стоков удаляют элементы группы актинидов, продукты деления, продукты, образующиеся в результате активации, и тяжелые металлы. Для удаления этих продуктов были использованы такие методы, как флокуляция или ионный обмен, которые обычно приводили к успеху. Однако некоторые радионуклиды сложнее удалять, чем другие. Например, ионы стронция трудно удалить известными методами ионного обмена, если они присутствуют в кислой среде. Кроме того, другие ионы, присутствующие в растворе, например Са2+, Мg2+, Nа+, К+, могут мешать поглощению стронция. Имеющиеся в промышленности материалы для удаления Sr включают клиноптилолит (цеолитный минерал), титанаты натрия (фирма "Allied Signal", США), титаносиликат CST (фирма "UОР", США) и материал на основе оксида титана SrTreat (фирма "Selion OY", Финляндия), которые работают более эффективно в нейтральной или щелочной среде.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложено применение материала, содержащего силикат сурьмы, в качестве сорбента для удаления ионов металлов из кислой жидкой среды.

Ионы металлов могут быть ионами радиоактивных металлов.

Ионы радиоактивных металлов могут включать в себя ионы Sr, Cs, Co, Pu или Am.

Ионы радиоактивных металлов могут быть удалены из кислой жидкой среды, которая содержит фоновые ионы, такие как ионы Na, К, Мg и Са, в более высоких концентрациях, чем ионы радиоактивных металлов.

Ионы радиоактивных металлов могут селективно удаляться из кислой жидкой среды, которая содержат фоновые ионы, такие как ионы Na, К, Мg и Са, причем фоновые ионы остаются в жидкой среде.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложен способ получения материала, содержащего силикат сурьмы, причем этот способ включает в себя реакцию друг с другом в жидкой среде кремнийсодержащего соединения и соединения, содержащего сурьму, в условиях полимеризации, характеризующийся тем, что мольное отношение Si:Sb составляет менее чем примерно 20, и продукт реакции сушат при температуре от 40 до 800oС для формирования этого материала.

Предпочтительно продукты реакции сушат при температуре от 40 до 300oС. Более предпочтительно продукт сушат при температуре от 40 до 100oС.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложен способ экстракции ионов металлов из водного раствора, предусматривающий взаимодействие водного раствора с материалом, содержащим силикат сурьмы, полученным по способу второго аспекта настоящего изобретения.

Ионы могут быть радиоактивными ионами. Ионы могут быть ионами стронция. Водный раствор может иметь рН менее 7.

Изобретатели обнаружили, что материал, содержащий силикат сурьмы, является высокоэффективным в качестве ионообменного материала для селективного удаления ионов металлов, например ионов Sr, Co, Pu и Am, из водных растворов.

Этот материал эффективен для селективного удаления ионов Sr, Со, Pu и Am из раствора, содержащего фоновые ионы металлов, таких как Na, К, Мg и Са, и при этом фоновые ионы остаются в растворе.

Было обнаружено, что силикат сурьмы, в частности, эффективен для удаления радиоактивных ионов. Радиоактивные ионы могут включать один или более ионов таких металлов, как Sr, Cs, Co или Pu. Кроме того, можно удалять ионы токсичных тяжелых металлов.

Было найдено, что этот материал имеет эффективность, сравнимую с имеющимися в промышленности ионообменными материалами для удаления многих ионов, и было найдено, что он намного более эффективен, чем выпускаемые промышленностью материалы для удаления некоторых ионов. Этот материал более эффективен для удаления ионов Sr, Co, Pu и Am, чем, например, многие обычно применяемые ионообменники. Этот материал весьма эффективен для удаления ионов Sr из водного раствора.

Было найдено, что этот материал особенно хорош при удалении ионов Sr из кислой среды. В противоположность этому известные ионообменники малоэффективны при удалении ионов металлов, в частности Sr, из кислой водной среды.

Величины Кd для нескольких нуклидов в различных "модельных" средах показаны в таблице 1. Кd рассчитывали по уравнению (I) Kd=(Ai-A)V/Aim (I), где Аi обозначает начальную концентрацию катиона, А - концентрацию катиона после контакта с ионообменником, V - объем раствора и m - массу ионообменного материала. Величина Kd служит для оценки технологической емкости материала. Kd является мерой распределения изотопа между твердой и жидкой фазами.

Этот материал намного более эффективен для поглощения Sr, чем, например, выпускаемые промышленностью материалы, такие как CST и клиноптилолит, см. фиг.2 и таблицы 1, 2 и 3.

Этот материал также более эффективен для поглощения Sr, чем промышленные материалы, в присутствии других катионов, например, таких как Na+, см. фиг. 7.

Этот материал может быть аморфным или кристаллическим, но предпочтительно, чтобы он был кристаллическим.

Предпочтительно, чтобы рентгенограмма кристаллического материала показывала характеристики кристаллического силиката сурьмы.

Что касается способа получения силиката сурьмы, то соединениями, содержащими кремний и сурьму, могут быть соединения, которые использовались ранее для синтеза силикатов сурьмы, как, например, в работе J. Solid State Chem. , 99, 173 (1992). Например, кремнийсодержащим соединением может быть Si(OC2H5)4 (тетраэтилортосиликат, ТЭОС) или Nа2Si3O7 (силикат натрия) или другое подходящее исходное вещество. Кремнийсодержащие соединения можно растворить в подходящем растворителе, например, таком как вода или этанол. Соединением, содержащие сурьму, может быть, например, KSb(OH)6 или SbCl5. Соединение, содержащее сурьму, может быть растворено в воде или другом подходящем растворителе. Предпочтительно соединение, содержащее сурьму, содержит Sb(V), а не Sb(III).

Мольное отношение Si: Sb составляет менее примерно 20. Предпочтительно мольное отношение Si:Sb менее 5. Более предпочтительно отношение Si:Sb находится в пределах от 3:1 до 1:3. Наиболее предпочтительно отношение Si:Sb составляет от 1:1 до 1:2.

Продукт реакции можно сушить в течение некоторого периода времени, например нескольких суток. Продукт реакции можно сушить в течение ночи. Продукт реакции сушат при температуре от немного выше комнатной до примерно 800oС. Более конкретно температура сушки составляет от 40 до 800oС.

Предпочтительно температура сушки составляет от 40 до 300oС. Более предпочтительно температура сушки составляет от 40 до 100oС. В типичном случае продукт реакции можно сушить в течение ночи при температуре от примерно 40 до примерно 70oС.

На фиг. 8 показан коэффициент распределения Kd, величина которого для 85Sr меняется в зависимости от применяемой температуры сушки.

Соединения могут взаимодействовать друг с другом- при их смешении. Время смешения может изменяться, например, от примерно одного часа до нескольких суток. Предпочтительно время смешения составляет от одного до восьми часов. Однако время смешения может быть намного короче или намного длительнее, чем время, приведенное в качестве примера.

Условия, необходимые для полимеризации, можно обеспечить путем добавления подходящего катализатора полимеризации, такого как, например, кислота. Кислота может представлять собой HNO3, HCl или H2SO4. Кислоту можно добавлять к соединению, содержащему сурьму, перед тем, как добавляют кремнийсодержащее соединение, или после этого.

Продукт реакции можно фильтровать и/или промывать водой в одну или несколько стадий до или во время сушки.

Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предложен материал, содержащий силикат сурьмы, легированный одним или более элементами, выбранными, из группы, состоящей из вольфрама, ниобия и тантала, которые будут называться здесь легирующими элементами. Материал согласно четвертому аспекту будет называться легированным материалом.

Согласно пятому аспекту настоящего изобретения предложено использовать материал, содержащий силикат сурьмы, легированный одним или более элементами, выбранными из группы, состоящей из вольфрама, ниобия и тантала, в качестве сорбента для удаления ионов металла из жидкой среды.

Согласно шестому аспекту настоящего изобретения предложен способ экстракции ионов металлов из водного раствора, включающий взаимодействие водного раствора с легированным материалом согласно четвертому аспекту настоящего изобретения.

Легированный материал может быть легирован только одним элементом из группы, состоящей из вольфрама, ниобия и тантала. Легированный материал может быть легирован двумя или более элементами из группы, состоящей из вольфрама, ниобия и тантала.

Вольфрам и/или ниобий являются предпочтительными легирующими добавками.

Мольное отношение Sb : Si : легирующий элемент может находиться в интервале от примерно 1:1:0,005 до примерно 1:1:2 для случая, когда отношение Sb : Si примерно равно 1:1. Вообще, лучшие результаты получаются, когда относительное содержание легирующего элемента, т.е. отношение Sb : Si : легирующий элемент составляет от примерно 1:1:0,01 до примерно 1:1:0,5. Однако оптимальное относительное содержание легирующего элемента может не всегда находиться в упомянутом выше интервале, поскольку другие факторы, такие как отношение Si: Sb, тип реагентов, применяемых для синтеза, время сушки и температура могут влиять на оптимальное содержание легирующего элемента. Кроме того, оптимальное содержание легирующего элемента может зависеть от типа иона, который должен быть удален из раствора.

Предпочтительно концентрация легирующего элемента в материале, выраженная в мас. %, должна находиться в интервале от примерно 0,5 до примерно 30,0 мас.%. Точная оптимальная концентрация легирующего элемента будет зависеть, кроме всего прочего, от того, какой ион должен быть удален из раствора. Некоторые оптимальные концентрации вольфрама, используемого в качестве легирующего элемента для различных ионов, показаны на фиг.13.

Легированный материал может быть кристаллическим или аморфным по своей структуре. Кристаллическая структура является предпочтительной. Рентгенограмма кристаллической структуры предпочтительно должна быть в основном подобна рентгенограмме кристаллического силиката сурьмы.

Также было обнаружено, что легирование силиката сурьмы одним или более элементами, выбранными из группы, состоящей из вольфрама, ниобия и тантала, изменяет селективность для различных ионов. Таким образом, селективное легирование упомянутыми выше легирующими элементами можно регулировать таким образом, чтобы сделать силикат сурьмы более селективным по отношению к конкретным ионам металлов. Например, было найдено, что легирование вольфрамом может привести к большей селективности по отношению к ионам цезия.

Согласно седьмому аспекту настоящего изобретения предложен способ получения материала, содержащего силикат сурьмы, легированный одним или более элементами, выбранными из группы, состоящей из вольфрама, ниобия и тантала, причем этот способ включает реакцию друг с другом в жидкой среде кремнийсодержащего соединения, соединения, содержащего сурьму, и соединения, содержащего один или более элементов, в условиях, полимеризации.

Способ согласно седьмому аспекту изобретения включает признаки (обязательные и второстепенные) способа согласно второму аспекту изобретения для получения силиката сурьмы, в тех случаях, где они применимы.

Четвертый, пятый, шестой и седьмой аспекты настоящего изобретения включают в себя признаки (обязательные и второстепенные) первого, второго и третьего аспектов в тех случаях, где они применимы.

Далее конкретные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны при помощи следующих примеров. Эти примеры являются только иллюстративными, и никоим образом не ограничивают это изобретение.

Примеры (1) Получение базовых соединений Силикаты сурьмы получали следующими двумя методами.

Метод А 5,26 г КSb(ОН)6 растворяли в 360 мл дистиллированной H2O и этот раствор затем добавляли при перемешивании к 4,17 г ТЭОС, растворенного в этаноле. Затем добавляли 2,75 мл концентрированной НNО3 в качестве катализатора полимеризации и смесь перемешивали 1 час при 77oС. Полученный продукт промывали дистиллированной водой и сушили. Высушенный продукт затем нагревали для образования желаемого материала. Методом рентгеноструктурного анализа было найдено, что эти материалы аморфны (см. фиг.1). В таблице 1 показаны величины Кd для различных ионов для образца, который был нагрет до 450oС.

Метод В SbCl5 смешивали с силикатом, натрия Nа2Si3O7 в присутствии 4М НСl, поддерживая величину рН около 1. Эта смесь образовывала желеподобный продукт после выдерживания при 60oС в течение ночи. Этот продукт фильтровали, промывали и сушили; рентгенограмма показала, что материал является кристаллическим.

Результаты, описанные ниже, были получены с использованием материала, синтезированного методом А, описанным выше.

(2) Влияние рH и присутствующих ионов других металлов.

На фиг. 2 и 3 показано, как изменяется величина Кd для удаления 85Sr в зависимости от рН в 0,1М NaNO3, для силиката сурьмы, полученного при 450oС, как указано выше, коммерческих образцов CST и клиноптилолита и выпускаемого промышленностью материала SrTreat. Величины Кd для силиката сурьмы являются почти постоянными в интервале рH 3-13, и Кd еще остается выше 1000 мл/г при рН 1, чти намного- превосходит промышленные образцы SrTreat, а также CST и клиноптилолит.

Фиг.4 показывает, как на величину Kd влияет присутствие ионов кальция.

На фиг.5 показано, как на величины Кd влияет присутствие ионов Мg2+.

На фиг.6 показано, как на величины Кd влияет присутствие ионов К+.

На фиг.7 показано, как на величины Кd влияем присутствие ионов Na+.

(3) Влияние температуры синтеза Различные образцы силиката сурьмы были затем получены путем нагревания продукта до различных температур. Образцы получали путем нагревания до 100, 200, 300, 450, 600 и 800oС. На фиг.8 и 9 показано, как Кd для 85Sr и 57Co изменяется с температурой синтеза. Слабым максимум виден примерно при 300oС. Отдельные результаты приведены для случая, когда в ходе синтеза добавляли кислоту перед силикатом (см. ниже).

(4) Влияние добавления кислоты перед добавлением силиката Образцы были получены при различных температурах синтеза, как описано выше, за исключением того, что перед добавлением ТЭОС добавляли некоторое количество HNO3, чтобы ускорить растворение КSb(ОН)6. Сравнение величин Кd при предварительном добавлении и без предварительного добавления НNО3 показано на фиг.8 и 9. Материал, полученный, в том случае, когда кислоту добавляли перед силикатом, был немного лучше при удалении 85Sr и 57Со.

(5) Влияние отношения Sb:Si Был проведен также синтез, в котором варьировали отношение Sb:Si. Использовали отношения Sb: Si, равные 1:1, 2:1, 3:1, 1:2 и 1:3. Кроме того, проводили синтез без силиката, чтобы получить сурьмяную кислоту. Температуры синтеза были равны примерно 100 и 300oС. Величины Кd для 85Sr в 0,1М HNO3 показаны на фиг.10.

Сурьмяная кислота и материал, полученный при отношении Sb:Si=l:2, показали самые лучшие характеристики. При увеличении количества 85Sb величины Кd для 85Sr обнаруживают тенденцию к снижению. Было найдено, что отношение Sb:Si, дающее лучшие характеристики для удаления Sr, составляет от 1:1 до 2: 1.

(6) Получение силиката сурмы, легированного вольфрамом
Метод А
Na2WO42H2O смешивали с KSb(ОН)6 и ТЭОС при рН, соответствующем кислой среде, при мольных отношениях Sb:Si:W 1:1:0,5, 1:1:1, 1:1:2 и 1:1:. 0,1. Смеси выдерживали в сушильном шкафу при 77oС в течение ночи и полученный желеобразный продукт фильтровали и сушили при комнатной температуре. Полученные таким образом материалы по данным рентгеноструктурного анализа были аморфными.

Метод В
Кристаллический материал, легированный вольфрамом, получали путем добавления 6,10 SbCl5 в 100 мл 4М НСl к раствору 4,46 г силиката натрия ("жидкое стекло") в 100 мл воды одновременно с раствором 3,3 г Na2WO4 2H2O в 100 мл воды. Быстро добавляли еще 200 мл воды. Использовали несколько различных соотношений Sb: Si: W и варьировали время нагревания при 77oС. Рентгенограммы были характерными для кристаллического силиката сурьмы.

(7) Величины Кd для силикатов сурьмы, легированных вольфрамом
В таблице 4 показаны величины Кd для удаления Cs, Sr и Со в 0,1М НNО3 с использованием силикатов сурьмы, легированных вольфрамом, полученных обоими методами А и В, описанными выше.

Для Sr величины Кd показывают незначительное улучшение по сравнению с нелегированным силикатом сурьмы, за исключением очень низких концентраций W, например Sb:Si:W=1:1:0,1.

С другой стороны, при удалении Cs величины Кd имеют тенденцию к увеличению при увеличении концентрации W с последующим уменьшением при более высоких концентрациях W. Легированные вольфрамом материалы обычно более селективны по отношению к Cs, чем нелегированный материал.

На фиг.11a.b.c показано, как изменяются величины Кd в зависимости от рН в 0,1М NaNo3.

На фиг.12 показано, как величина Кd для. Sr изменяется в зависимости от концентрации Са(NО3)2.

На фиг.13 показано, как величины Кd для Cs, Sr и Со изменяются в зависимости от массового процентного содержания вольфрама в материале.

(8) Силикаты сурьмы, легированные ниобием
Для получения материала с отношением Sb:Si:Nb=1:1:0,48 раствор силиката натрия (27% SiO2, 14% NаОН) разбавляли до 80 мл дистиллированной водой. Этот раствор быстро добавляли к перемешиваемому раствору 1,22 г SbCl5 и 0,53 г NbСl3 в 4М НСl (20 мл). Образовавшийся в результате этого прозрачный бесцветный раствор оставляли на ночь при комнатной температуре, при 348 К или при 473 К. Полученные продукты выделяли путем центрифугирования, промывали дистиллированной водой и сушили на воздухе при 348 К. Затем были получены другие образцы с различными отношениями Sb:Si:Nb.

(9) Величины Kd для силикатов сурьмы, легированных ниобием
В таблице 5 показаны величины Кd для CS, Sr и Со в 0,1М НNО3 для легированных ниобием силикатов сурьмы, полученных при различных мольных соотношениях и температурах.

Для ионов Cs максимальные величины Кd наблюдаются при отношении Nb:Sb в пределах от 0,01 до 0,05 и при температуре синтеза 298 К. Однако при использовании температуры синтеза 473 К максимум Кd наблюдается вблизи отношения Nb:Sb примерно 1:1.

Для ионов Sr максимальные величины Кd обычно наблюдаются при низких концентрациях Nb.


Формула изобретения

1. Материал, содержащий силикат сурьмы, легированный одним или более элементами, выбранными из группы, состоящей из вольфрама, ниобия и тантала.

2. Материал по п.1, в котором один или более элементов присутствуют в материале при концентрации в пределах от примерно 0,5 до примерно 30 мас.%.

3. Материал по п.1 или 2, в котором материал имеет кристаллическую структуру, как показано методом рентгеноструктурного анализа материала.

4. Материал по п.3, в котором кристаллическая структура в основном аналогична кристаллическому силикату сурьмы.

5. Способ получения материала по любому из пп.1-4, предусматривающий взаимодействие в жидкой среде кремнийсодержащего соединения, соединения, содержащего сурьму, и соединения, содержащего один или более элементов, в условиях полимеризации.

6. Способ по п.3, в котором условия полимеризации обеспечиваются кислотой.

7. Способ по любому из пп.5 и 6, в котором продукт реакции сушат при менее 800°С для формирования материала.

8. Способ по п.7, в котором температура составляет ниже 300°С.

9. Сорбент для удаления ионов металлов из жидкой среды, отличающийся тем, что он выполнен из материала по любому из пп. 1-4.

10. Способ экстракции ионов металлов из водного раствора, включающий в себя контактирование водного раствора с материалом по любому из пп.1-4.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17

PC4A Государственная регистрация договора об отчуждении исключительного права

Дата и номер государственной регистрации договора: 16.11.2011 № РД0090225

Лицо(а), передающее(ие) исключительное право:
ИНЕОС СИЛИКАС ЛИМИТЕД (GB)

Приобретатель исключительного права: ПиКью СИЛИКАС ЮКей ЛИМИТЕД (GB)

(73) Патентообладатель(и):
ПиКью СИЛИКАС ЮКей ЛИМИТЕД (GB)

Адрес для переписки:
ООО "ЮФ Городисский и Партнеры", С.Р. Абубакирову, ул. Б.Спасская, 25, стр.3, Москва, 129090

Дата публикации: 27.12.2011




 

Похожие патенты:
Изобретение относится к способам очистки проточных водоемов, таких как реки Теча, Припять, зараженных в результате аварии на ПО "Маяк" и Чернобыльской АЭС, от радиоактивных изотопов стронция 90, 89 и цезия 137

Изобретение относится к аналитической химии радиоактивных элементов, а именно к способам концентрирования радионуклидов с одновременным выделением их

Изобретение относится к цеолитам, полученным из техногенного алюмосиликатного сырья, в частности из компонентов летучих зол тепловых электростанций, и может быть использовано в ядерной энергетике и химико-металлургической промышленности при очистке жидких радиоактивных отходов и сточных вод от радионуклидов, ионов цветных и тяжелых металлов

Изобретение относится к области переработки жидких радиоактивных отходов

Изобретение относится к области защиты окружающей среды от радиоактивных отходов

Изобретение относится к области хроматографического разделения трансплутониевых элементов и редкоземельных элементов
Изобретение относится к способу обезвреживания радиоактивных жидкостей, скопившихся в водоемах-отстойниках и обладающих возможностью загрязнения окружающих территорий в результате смерчей, шквальных ветров и тому подобных явлений, с помощью минеральных веществ
Изобретение относится к очистке естественного водоема от радиоактивных изотопов стронция 90, 89 и цезия 137 и может быть использовано для дезактивации воды водных систем (рек, прудов, озер, водохранилищ)

Изобретение относится к технологии очистки от радионуклидов жидких радиоактивных отходов
Изобретение относится к области переработки среднеактивных жидких отходов АЭС, ядерных энергетических установок, радиохимических производств, ядерных научных центров
Изобретение относится к технологии изготовления фильтрующего материала на основе осадочных горных пород

Изобретение относится к способам выделения ионов тяжелых металлов сорбцией на целлюлозосодержащих сорбентах из растворов различной природы, образующихся после проведения разнообразных технологических процессов, и может быть использовано для совершенствования мембранных и сорбционных технологий

Изобретение относится к области получения сорбентов из природного сырья

Изобретение относится к области очистки от галогеносодержащих соединений

Изобретение относится к поглотителям аммиака и сероводорода и может быть использовано в средствах защиты органов дыхания

Изобретение относится к области хроматографии белков, может быть использовано в биотехнологии для очистки и фракционирования ферментов

Изобретение относится к получению гидрофобных сорбентов для очистки растворов от нефтезагрязнений и других органических примесей и может быть использовано в различных отраслях промышленности для очистки судовых льяльных, балластных вод, а также при ликвидации аварийных разливов нефти по поверхности водоемов

Изобретение относится к области разделения рацематов оптически активных соединений путем хроматографии

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и касается сорбционных способов очистки водных и грунтовых поверхностей от нефтепродуктов и тяжелых металлов

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и касается сорбционных способов очистки водных и грунтовых поверхностей от нефтепродуктов и тяжелых металлов
Наверх