Способ получения сорбентов на основе гелей оксигидратов тяжелых металлов
Владельцы патента RU 2359752:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к золь-гель технологии получения сорбентов на основе гелей оксигидратов, преимущественно циркония, иттрия и лантана. Способ заключается в щелочном осаждении оксигидрата металла в течение 2,5 часов под воздействием УФ-излучения освещенностью 1500 лк, созревании осадка, его отделении, сушке и последующем гранулировании конечного продукта. Технический результат - повышение сорбционной емкости и воспроизводимости сорбционных свойств сорбента. 1 табл., 2 ил.
Изобретение относится к золь-гель технологии получения перспективных сорбентов на основе гелей оксигидратов тяжелых металлов, в частности циркония и РЗЭ, и может быть использовано в химической технологии, ядерной энергетике и радиохимии.
Известен способ получения сорбента на основе оксигидрата циркония (Сухарев Ю.И. Синтез и применение специфических оксигидратных сорбентов. - М. 1987, С.6-7). Однако широкому распространению данного способа препятствуют низкая емкость и воспроизводимость получаемых сорбентов.
Известен способ увеличения сорбционной емкости данных сорбентов путем воздействия на сорбент постоянным магнитным полем в процессе синтеза (Сухарев Ю.И., Крупнова Т.Г., Апаликова И.Ю. и др. // Изв. ЧНЦ УрО РАН. - 2005. - Вып.2. - С.68-73). Недостатком данного способа являются увеличение длительности процесса синтеза сорбента и существенное усложнение технологии его получения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения сорбентов на основе гелей оксигидратов металлов (RU 2289474 C1, B01J 20/06, опубл. 20.12.2006), включающий щелочное осаждение оксигидрата металла, отделение, сушку, гранулирование сорбента и воздействие на конечный продукт постоянным магнитным полем напряженностью 980 Э в течение 2-х часов. Недостатком данного способа является существенное усложнение технологии получения сорбента при незначительном увеличении его сорбционной емкости.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении сорбционной емкости сорбента.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения сорбентов на основе гелей оксигидратов тяжелых металлов, преимущественно циркония, иттрия и лантана, включающем аммиачное осаждение оксигидрата металла в течение 2,5 ч, созревание осадка, отделение, сушку, гранулирование сорбента, согласно изобретению в течение всего процесса осаждения на образующийся гель воздействуют ультрафиолетовым облучением освещенностью 1500 лк.
Особенность предложенного способа состоит в том, что с начального момента синтеза (осаждения) образующийся гель подвергают воздействию ультрафиолета. В результате формирующиеся на начальной стадии синтеза низкомолекулярные частицы подвергаются структурным перестройкам и становятся термодинамически более выгодными. Как следствие, образуются фрагменты с высокой полимерной связанностью и упорядоченностью. Высокая полимерная связанность обуславливает устойчивость гелей к механическим и термическим воздействиям, а высокая доля упорядоченных фрагментов обеспечивает беспрепятственный доступ собрата к сорбционным центрам, повышая, таким образом, сорбционные характеристики.
По предлагаемому способу осаждение производится из водных растворов солей тяжелых металлов, а именно оксихлорида циркония, нитрата лантана или нитрата иттрия. В качестве щелочного агента использовали 1 М водный раствор аммиака. В реактор вводят исходную соль металла, на реактор направляют источник УФ-излучения и при перемешивании реакционной смеси по каплям прибавляют осадитель.
Преимущества способа поясняется чертежами, где на фиг.1 изображены изотермы сорбции ионов иттрия на образцах оксигидратов циркония, полученных различными методами; на фиг.2 - кинетика сорбционного извлечения ионов кальция (а) и марганца (б) сорбентами (на основе цирконогеля) в динамических условиях.
Осуществление предлагаемого способа раскрыто в примерах получения сорбентов.
Пример 1.
Раствор соли оксихлорида циркония, содержащий 0,07 моль ионов металла, помещали в реактор для синтеза, разбавляли дистиллированной водой. Емкость реактора - 5 л, начальный объем раствора соли металла - 4 л, конечный - 5 л, рН окончания осаждения: 9,05…9,55, концентрация аммиака 1:14 (ρ=991 кг/м3 при 20°С). При включенном источнике ультрафиолетового излучения из капельной воронки вводили в реактор раствор аммиака со скоростью около 0,1 мл/с при постоянном перемешивании механической мешалкой до появления опалесценции. С началом опалесценции добавление аммиака прекращали и перемешивали раствор в реакторе 5…7 минут до исчезновения опалесценции. Далее прибавляли раствор аммиака со скоростью 0,01 мл/с до требуемого значения рН, после чего доводили объем маточника до 5 л и перемешивали реакционную смесь еще в течение часа.
Гель выдерживали в маточнике в течение суток, затем декантировали, отфильтровывали через фильтр «синяя лента» и изотермически сушили в эксикаторе до воздушно-сухого состояния в течение трех-шести месяцев. После высыхания гель гранулировали.
В качестве источника ультрафиолета использовали ртутную лампу высокого давления (PLM 125 производства Финляндии), оснащенную светофильтром УФС6. Доза облучения составила 3750 лк·ч (освещенность 1500 лк).
Пример 2.
Раствор соли нитрата иттрия, содержащий 0,07 моль ионов металла, помещали в реактор для синтеза, разбавляли дистиллированной водой. Емкость реактора - 5 л, начальный объем раствора соли металла - 4 л, конечный - 5 л, рН окончания осаждения: 8,50…10,0, концентрация аммиака 1:14 (ρ=991 кг/м3 при 20°С). При включенном источнике ультрафиолетового излучения из капельной воронки вводили в реактор раствор аммиака со скоростью около 0,1 мл/с при постоянном перемешивании механической мешалкой до появления опалесценции. С началом опалесценции добавление аммиака прекращали и перемешивали раствор в реакторе 5…7 минут до исчезновения опалесценции. Далее прибавляли раствор аммиака со скоростью 0,01 мл/с до требуемого значения рН, после чего доводили объем маточника до 5 л и перемешивали реакционную смесь еще в течение часа.
Гель выдерживали в маточнике в течение суток, затем декантировали, отфильтровывали через фильтр «синяя лента» и изотермически сушили в эксикаторе до воздушно-сухого состояния в течение трех-шести месяцев. После высыхания гель гранулировали.
В качестве источника ультрафиолета использовали ртутную лампу высокого давления (PLM 125 производства Финляндии), оснащенную светофильтром УФС6. Доза облучения составила 3750 лк·ч (освещенность 1500 лк).
Пример 3.
Раствор соли нитрата лантана, содержащий 0,07 моль ионов металла, помещали в реактор для синтеза, разбавляли дистиллированной водой. Емкость реактора - 5 л, начальный объем раствора соли металла - 4 л, конечный - 5 л, рН окончания осаждения: 9,00…10,1, концентрация аммиака 1:14 (ρ=991 кг/м3 при 20°С). При включенном источнике ультрафиолетового излучения из капельной воронки вводили в реактор раствор аммиака со скоростью около 0,1 мл/с при постоянном перемешивании механической мешалкой до появления опалесценции. С началом опалесценции добавление аммиака прекращали и перемешивали раствор в реакторе 5…7 минут до исчезновения опалесценции. Далее прибавляли раствор аммиака со скоростью 0,01 мл/с до требуемого значения рН, после чего доводили объем маточника до 5 л и перемешивали реакционную смесь еще в течение часа.
Гель выдерживали в маточнике в течение суток, затем декантировали, отфильтровывали через фильтр «синяя лента» и изотермически сушили в эксикаторе до воздушно-сухого состояния в течение трех-шести месяцев. После высыхания гель гранулировали.
В качестве источника ультрафиолета использовали ртутную лампу высокого давления (PLM 125 производства Финляндии), оснащенную светофильтром УФС6. Доза облучения составила 3750 лк·ч (освещенность 1500 лк).
На фиг.1 представлены изотермы сорбции ионов иттрия оксигидратом циркония в статическом режиме для образцов, полученных предлагаемым методом (а) и методом быстрого щелочного гидролиза (б) (Сухарев Ю.И. Синтез и применение специфических оксигидратных сорбентов. - М., 1987, С.6-7).
Сорбционная емкость сорбента по отношению к ионам Fe2+ и Mn2+ составила 0,29 и 0,27 ммоль/г соответственно, что в 1,5-3 раза больше, чем аналогичных показателей образцов, полученных общепринятыми методами быстрого гидролиза.
Кинетика извлечения кальция и марганца (II) показана на фиг.2. Сравнение некоторых характеристик сорбента, полученного по предложенному способу, с существующими аналогичными сорбентами приведено в таблице. Десятикратное использование сорбента с регенерацией разбавленной соляной кислотой не позволило выявить снижение сорбционной емкости к ионам иттрия, марганца и железа.
| Таблица Основные характеристики опытного сорбента (на основе цирконогеля) и существующих аналогов |
|||
| Наименова- ние |
Квалификация | Техническая характеристика | |
| Насыпная масса, кг/дм3 | ПДОЕ, ммоль/г | ||
| Термоксид 35 | ч | 1,15…1,21 | 0,18 |
| ГСН | ч | 0,8…0,95 | 0,08 |
| ГСЦ | ч | 0,8…1,2 | 0,08 |
| Опытный сорбент | 2,0…2,2 | 0,27 |
Использование предлагаемого способа позволяет получать сорбенты на основе гелей оксигидратов металлов с высокой сорбционной емкостью. Эти сорбенты можно использовать в гидрометаллургии для очистки сточных вод промышленных предприятий, извлечения металлов, в атомной энергетике для очистки водных растворов от радионуклидов, в водоподготовке для очистки питьевой воды от токсичных металлов.
Способ получения сорбентов на основе гелей оксигидратов тяжелых металлов, преимущественно циркония, иттрия и лантана, включающий аммиачное осаждение оксигидрата металла в течение 2,5 ч, созревание осадка, отделение, сушку, гранулирование сорбента, отличающийся тем, что в течение всего процесса осаждения на образующийся гель воздействуют ультрафиолетовым облучением освещенностью 1500 лк.
