Способ получения углеродсодержащих сорбентов на основе слоистых алюмосиликатов для очистки вод от многокомпонентных загрязнений
Владельцы патента RU 2337751:
Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к области получения сорбционных материалов для очистки природных, технологических и сточных вод от многокомпонентных загрязнений: нефти и нефтепродуктов, органических веществ, катионов тяжелых металлов, радионуклидов, катионов аммония и других загрязнений. Способ получения углеродсодержащего сорбента на основе природных слоистых алюмосиликатов включает одновременные обжиг и обработку алюмосиликата углеводородами нефтяного происхождения при температуре 500-700°С до образования гидрофобного нанослоя и содержания углерода в сорбенте 0.7-1.1%. Изобретение позволяет получить сорбенты, обладающие ионообменной активностью и высокой нефтеемкостью. 2 табл.
Изобретение относится к области получения сорбционных материалов для очистки природных, технологических и сточных вод от многокомпонентных загрязнений. Целью изобретения является расширение области использования сорбентов нефти на основе вермикулита за счет его ионообменных свойств. Углеродсодержащий сорбент на основе вермикулита может быть использован при очистке технологических и сточных вод на предприятиях нефтеперерабатывающей отрасли, химической промышленности, цветной металлургии, горнопромышленного, оборонного, теплоэнергетического комплексов, транспорта и на предприятиях по водообеспечению, а также для удаления поверхностных загрязнений водоемов.
Известен способ получения сорбентов для очистки воды на основе природного алюмосиликата, включающий обработку алюмосиликата раствором хитозана, гранулирование, сушку, обработку раствором гуминовых кислот [1]. Недостатком этого способа является многостадийность получения сорбента.
Известен способ получения сорбента для удаления нефти и нефтепродуктов с поверхности воды, включающий три стадии: обжиг вермикулита при 600-700°С, его обработку водной эмульсией органического вещества и повторный обжиг в том же диапазоне температур [2]. Недостатком данного способа является многостадийность получения сорбента.
Известен способ получения сорбентов для очистки воды от органических примесей, включающий три стадии: первая - высушивание пористого материала в рабочей камере при 300-500°С, вторая - вакуумирование рабочей камеры, третья - гидрофобизация пористого материала в углеводородной газовой среде при 180-220°С [3]. Недостатком этого способа получения сорбентов также является многостадийность процесса.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения сорбента, включающий одновременные обжиг вермикулита и его обработку углеводородами нефтяного происхождения в струе раскаленных газов при 670-850°С путем совместной подачи реагентов в зону обжига [4]. По данному способу в заявленном диапазоне температур ионообменные свойства, присущие природному вермикулиту, проявляются в недостаточной степени.
Предлагаемый способ позволяет получить углеродсодержащий сорбент на основе вермикулита, обладающий ионообменной активностью при сохранении значительной нефтеемкости, что позволяет его использовать для очистки вод от многокомпонентных загрязнений.
Способ получения углеродсодержащего сорбента на основе вермикулита включает обжиг и обработку вермикулита углеводородами нефтяного происхождения в струе раскаленных газов путем одновременной подачи реагентов в зону обжига, при этом обжиг и обработку проводят при температуре 500-700°С до образования гидрофобного нанослоя и содержания углерода в сорбенте 0.7-1.1%.
Примеры достижения технического результата при использовании предлагаемого способа.
Пример 1.
Вермикулит крупностью 1-10 мм подают в зону обжига одновременно с дизтопливом в количестве 3% по отношению к вермикулиту. Подачу компонентов осуществляют сжатым воздухом. Обжиг вермикулита и обработку дизтопливом производят одновременно в струе раскаленных газов, образующихся при сгорании топлива в факеле форсунки. Температуру обжига поддерживают равной 700°С. Нефтеемкость полученного сорбента по мазуту Ф5 составляет 12.7 г/г, обменная емкость - 0.9 мг-экв./г. Толщина углеродного слоя определяется соотношением содержания углерода в сорбенте и удельной поверхностью его макропор (плотность углерода принята равной 2 г/см3 [5]) и составляет 4 нм при содержании углерода - 0.7% и удельной поверхности макропор - 0.9 м2/г.
Пример 2.
Процесс ведут аналогично примеру 1 за исключением того, что снижают температуру модификации до 650°С. Нефтеемкость сорбента по мазуту Ф5 составляет 12.6 г/г, обменная емкость - 1.4 мг-экв./г. Толщина углеродного слоя составляет 6 нм при содержании углерода - 0.9% и удельной поверхности макропор - 0.77 м2/г.
Пример 3.
Процесс ведут аналогично примеру 2 за исключением того, что температуру модификации снижают до 500°С. Нефтеемкость сорбента по мазуту Ф5 составляет 9.2 г/г, обменная емкость - 1.9 мг-экв./г. Толщина углеродного слоя составляет 12 нм при содержании углерода - 1.1% и удельной поверхности макропор - 0.47 м2/г.
Пример 4.
Процесс ведут аналогично примеру 1 за исключением того, что для обработки вермикулита используют флотский мазут Ф5. Нефтеемкость сорбента по мазуту Ф5 составляет - 11.1 г/г, обменная емкость - 0.8 мг-экв./г. Толщина углеродного слоя составляет 5 нм при содержании углерода - 0,9% и удельной поверхности макропор - 1.0 м2/г.
Пример 5.
Процесс ведут аналогично примеру 4 за исключением того, что снижают температуру модификации до 650°С. Нефтеемкость сорбента по мазуту Ф5 составляет 10.2 г/г, обменная емкость - 1.2 мг-экв./г. Толщина углеродного слоя составляет 8 нм при содержании углерода - 1% и удельной поверхности макропор - 0.59 м2/г.
Пример 6.
Процесс ведут аналогично примеру 4 за исключением того, что снижают температуру модификации до 500°С. Нефтеемкость сорбента по мазуту Ф5 составляет 8.9 г/г, обменная емкость - 1.7 мг-экв./г. Толщина углеродного слоя составляет 16 нм при содержании углерода - 1.4% и удельной поверхности макропор - 0.44 м2/г.
Пример 7.
Процесс ведут аналогично примеру 5 за исключением того, что для обработки вермикулита используют масло дизельное моторное. Нефтеемкость сорбента по мазуту Ф5 составляет 10.1 г/г, обменная емкость - 1.3 мг-экв./г. Толщина углеродного слоя составляет 8 нм при содержании углерода - 1.0% и удельной поверхности макропор - 0.65 м2/г.
Пример 8.
Процесс ведут аналогично примеру 5 за исключением того, что для обработки вермикулита используют керосин для технических целей. Нефтеемкость сорбента по мазуту Ф5 составляет 12.0 г/г, обменная емкость - 1,1 мг-экв./г. Толщина углеродного слоя составляет 5 нм при содержании углерода - 0.8% и удельной поверхности макропор - 0.83 м2/г.
Пример 9.
Процесс ведут аналогично примеру 5 за исключением того, что для обработки вермикулита используют парафин П-1. Нефтеемкость сорбента по мазуту Ф5 составляет 9.4 г/г, обменная емкость - 1.2 мг-экв./г. Толщина углеродного слоя составляет 10 нм при содержании углерода - 1.0% и удельной поверхности макропор - 0.72 м2/г.
Сравнительные свойства полученного углеродсодержащего сорбента на основе вермикулита приведены в таблице 1.
| Таблица 1 Свойства полученного углеродсодержащего сорбента на основе вермикулита | |||||
| № примера | Обменная емкость, мг-экв./г | Нефтеемкость, г/г | Толщина углеродного слоя, нм | Удельная поверхность макропор, м2/г | Содержание углерода в сорбенте, % |
| 1 | 0.9 | 12.7 | 4 | 0.90 | 0.7 |
| 2 | 1.4 | 12.6 | 6 | 0.77 | 0.9 |
| 3 | 1.9 | 9.2 | 12 | 0.47 | 1.1 |
| 4 | 0.8 | 11.1 | 5 | 1.0 | 0.9 |
| 5 | 1.2 | 10.2 | 8 | 0.59 | 1.0 |
| 6 | 1.7 | 8.9 | 16 | 0.44 | 1.4 |
| 7 | 1.3 | 10.1 | 8 | 0.65 | 1.0 |
| 8 | 1.1 | 12.0 | 4 | 0.89 | 0.8 |
| 9 | 1.2 | 9.4 | 10 | 0.72 | 1.0 |
Приведенные в таблице данные показывают, что предлагаемый способ позволяет получить углеродсодержащий сорбент на основе вермикулита, обладающий ионообменной активностью и нефтеемкостью, в диапазоне температур обжига 500-700°С.
Сорбционные свойства в отношении нефти и нефтепродуктов, связанные с гидрофобным характером смачивания поверхности пор, максимально выражены у сорбента при толщине углеродного слоя 4-12 нм (таблица 1).
Как видно из таблицы 2, увеличение толщины углеродного слоя более 12 нм не приводит к существенному увеличению гидрофобности сорбента. Уменьшение толщины углероднодного слоя ниже 4 нм нежелательно, поскольку приводит к снижению гидоофобности сорбента.
| Таблица 2 Содержание углерода, толщина углеродного слоя и объемная доля гидрофобных пор в углеродсодержащем сорбенте на основе вермикулита | |||
| Содержание углерода в сорбенте, % | Толщина углеродного слоя, нм | Объемная доля гидрофобных пор | |
| суммарная | макропор | ||
| 0.7 | 4 | 0.911 | 0.981 |
| 0.8 | 4 | 0.913 | 0.983 |
| 1.1 | 12 | 0.925 | 0.996 |
| 1.4 | 16 | 0.927 | 0.998 |
Установленному оптимальному диапазону толщины углеродного слоя соответствует диапазон содержания углерода в сорбенте 0.7-1.1%.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить углеродсодержащий сорбент на основе вермикулита, обладающий одновременно гидрофобными и ионообменными свойствами, что позволяет его использовать для очистки вод от многокомпонентных загрязнений.
Источники информации
1. Патент РФ 2277013, МКИ В01J 20/16, В01J 20/26, В01J 20/32. Опубл. 27.05.2006 г. Бюл. №15.
2. А.с. СССР №1207486, МКИ В01J 20/16. Опубл. 30.01.1986 г. Бюл. №4.
3. А.с. СССР №1606182, МКИ В01J 20/32. Опубл. 15.11.1990 г. Бюл. №42.
4. А.с. СССР №1438836, МКИ В01О 20/32, С02F 1/28. Способ получения сорбента. Опубл.23.11.1988 г. Бюл. №43.
5. Физический энциклопедический словарь: в 5 т.: т.5 / Гл. ред. Б.А.Введенский, Б.М.Вул. - М.: Советская энциклопедия, 1966. - С.222.
Способ получения углеродсодержащего сорбента на основе вермикулита для очистки вод от многокомпонентных загрязнений, включающий обжиг вермикулита и обработку углеводородами нефтяного происхождения в струе раскаленных газов путем одновременной подачи реагентов в зону обжига, отличающийся тем, что обжиг и обработку проводят при температуре 500-700°С до образования гидрофобного нанослоя и содержание углерода в сорбенте 0,7-1,1%.
