Способ получения сорбционного материала

Изобретение относится к области прикладной экологии и может быть использовано для очистки сточных вод предприятий от фенолов, взвешенных и поверхностно-активных веществ, ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов. Способ получения сорбционного материала включает обработку древесных опилок 4,5-5,5% раствором ортофосфорной кислоты, отмывку дистиллированной водой, смешивание бентонитовой глины, воды и обработанных опилок в соотношении, равном 1:2:2, сушку полученной смеси при температуре 80-85°С, измельчение с получением фракции 3-15 мм и термическую обработку при температуре 90-95°С. Изобретение обеспечивает получение эффективного сорбента с высокой механической прочностью. 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области прикладной экологии и может быть использовано в химической, металлургической промышленности и в различных отраслях машиностроения для очистки сточных вод предприятий от фенолов, взвешенных и поверхностно-активных веществ, ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов.

Известен способ получения сорбентов, включающий обработку сырья, в качестве которого используют опилки различных пород деревьев, промывку, сушку и измельчение. При этом обработку ведут смесью, содержащей ортофосфорную кислоту, диметилформамид и мочевину, при температуре кипения в течение 2-5 ч (Патент на изобретение №2079359, МПК B01J 20/22, опубл. 1997).

Недостатком описанного способа является область применения, ограниченная извлечением из загрязненных вод ионов тяжелых металлов вследствие использования в качестве сорбента модифицированных древесных опилок.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ получения сорбционно-ионообменного материала, включающий обработку древесных опилок модификатором, смешивание бентонитовой глины, воды и древесных опилок, сушку полученной смеси в течение 3,5-4 ч, измельчение до образования фракции размером 3-15 мм и термическую обработку. При этом в качестве модификатора используют бентонитовую глину, смешивают бентонитовую глину, воду и древесные опилки в соотношении 1:2:1, сушку полученной смеси осуществляют при температуре 115-125°С, а термическую обработку ведут при температуре 145-155°С в течение 2 - 2,5 ч (Патент на изобретение №2394628, МПК B01D 39/14, B01J 39/16, B01J 20/12, B01J 20/22, опубл. 2010).

Недостатком описанного способа является ограниченная область применения, обусловленная низкой сорбционной емкостью материала вследствие формирования неравномерного слоя большой толщины бентонитовой глины, обладающей сорбционными свойствами в верхней части слоя, на не развитой удельной поверхности древесных опилок с небольшим количеством пор малого размера.

Предлагаемым изобретением решается задача расширения области применения материала.

Для достижения указанного технического результата в способе получения сорбционного материала, включающем обработку древесных опилок модификатором, смешивание бентонитовой глины, воды и древесных опилок при соотношении бентонитовой глины и воды, равном 1:2, сушку полученной смеси в течение 3,5-4 ч, измельчение до образования фракции размером 3-15 мм и термическую обработку, обработку древесных опилок осуществляют пропиткой модификатором, в качестве которого используют 4,5-5,5% раствор ортофосфорной кислоты, в течение 23-25 ч при комнатной температуре с последующей отмывкой дистиллированной водой, после чего смешивают бентонитовую глину, воду и древесные опилки при соотношении бентонитовой глины и древесных опилок, равном 1:2, сушат полученную смесь при температуре 80-85°С и проводят термическую обработку при температуре 90-95°С в течение 075-1 ч.

Расширение области применения за счет повышения сорбционной емкости материала по отношению к фенолам, взвешенным и поверхностно-активным веществам при сохранении высокой сорбции в отношении ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов, обусловленное формированием тонкого слоя бентонитовой глины, проявляющего сорбционные свойства по толщине слоя, на развитой удельной поверхности древесных опилок с повышенным количеством и размерами пор, обеспечивается тем, что обработку древесных опилок осуществляют пропиткой модификатором, в качестве которого используют 4,5-5,5% раствор ортофосфорной кислоты, в течение 23-25 ч при комнатной температуре с последующей отмывкой дистиллированной водой, после чего смешивают бентонитовую глину, воду и древесные опилки при соотношении бентонитовой глины и древесных опилок, равном 1:2, сушат полученную смесь при температуре 80-85°С и проводят термическую обработку при температуре 90-95°С в течение 0,75-1 ч.

Осуществление обработки древесных опилок пропиткой модификатором, в качестве которого используют 4,5-5,5% раствор ортофосфорной кислоты, в течение 23-25 ч при комнатной температуре является оптимальным. Осуществление пропитки древесных опилок раствором ортофосфорной кислоты концентрацией, меньшей чем 4,5%, в течение менее 23 ч приводит к уменьшению удельной поверхности древесных опилок за счет образования меньшего количества пор с меньшим размером. Применение для пропитки раствора ортофосфорной кислоты концентрацией, большей чем 5,5%, в течение более 25 ч приводит к разрушению материала.

Соотношение бентонитовой глины, воды и древесных опилок, равное 1:2:2, является оптимальным и способствует формированию равномерно распределенного тонкого слоя бентонитовой глины на развитой удельной поверхности древесных опилок. Как уменьшение доли бентонитовой глины и увеличение доли древесных опилок, так и увеличение доли бентонитовой глины и уменьшение доли древесных опилок приводит к снижению сорбционной емкости материала вследствие формирования неравномерно распределенного слоя большой толщины бентонитовой глины на развитой удельной поверхности древесных опилок.

Добавление воды в качестве связующего агента в количестве, меньшем, чем в указанном соотношении, нецелесообразно за счет невозможности достижения однородного перемешивания бентонитовой глины и древесных опилок и, следовательно, формирования равномерно распределенного тонкого слоя бентонитовой глины на развитой удельной поверхности древесных опилок. Применение воды в количестве, большем, чем в указанном соотношении, нецелесообразно, так как увеличивает время сушки сорбционного материала.

Проведение сушки полученной смеси при температуре 80-85°С является оптимальным. Проведение сушки при температуре менее 80°С нецелесообразно вследствие значительного увеличения времени сушки. Сушка при температуре более 85°С приводит к спеканию смеси из бентонитовой глины и древесных опилок, что делает невозможным дальнейшее измельчение материала.

Проведение термической обработки при температуре 90-95°С в течение 0,75-1 ч является оптимальным. Проведение термической обработки при температуре менее 90-95°С в течение менее 0,75-1,0 ч нецелесообразно, поскольку не обеспечивает прочного механического сцепления слоя бентонитовой глины с пористой поверхностью древесных опилок, что приводит к вымыванию частиц слоя бентонитовой глины при фильтровании. Проведение термической обработки при температуре более 95°С в течение более 1 ч также нецелесообразно, так как приводит к обугливанию и разрушению материала.

Предлагаемое изобретение поясняется таблицей, в которой показаны эффективность очистки и механическая прочность материала, полученного по данному способу.

Из таблицы видно, что очистка сточных вод предлагаемым материалом характеризуется высокой эффективностью очистки от фенолов, взвешенных и поверхностно-активных веществ при сохранении высокой эффективности очистки в отношении ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов и повышенной механической прочностью материала.

Способ получения сорбционного материала осуществляется следующим образом.

Обработку древесных опилок осуществляют пропиткой модификатором, в качестве которого используют 4,5-5,5% раствор ортофосфорной кислоты, в течение 23-25 ч при комнатной температуре с последующей отмывкой дистиллированной водой. Это обеспечивает создание развитой удельной поверхности древесных опилок с увеличенным количеством и размерами пор.

После чего смешивают бентонитовую глину, древесные опилки и воду в соотношении, равном 1:2:2, до получения смеси однородного состава. При этом происходит формирование равномерно распределенного тонкого слоя бентонитовой глины на предварительно развитой удельной поверхности древесных опилок. Величина слоя бентонитовой глины сопоставима с размером частиц бентонитовой глины, что создает условия для проявления сорбционных свойств по толщине слоя.

Кроме того, смешивание бентонитовой глины, древесных опилок и воды в указанном соотношении приводит к снижению расхода бентонитовой глины по сравнению с прототипом.

Сушат полученную смесь при температуре 80-85°С в течение 3,5-4 ч и измельчают до образования фракции размером 3-15 мм.

Проводят термическую обработку при температуре 90-95°С в течение 0,75-1 ч. Происходит активация бентонитовой глины и, следовательно, увеличение сорбционной емкости материала, который также характеризуется повышенной механической прочностью за счет повышения степени фиксации слоя бентонитовой глины с древесными опилками.

Пример конкретного выполнения способа.

Обработку древесных опилок, например, сосны осуществляют пропиткой модификатором, в качестве которого используют 5% раствор ортофосфорной кислоты. Для чего исходную навеску древесных опилок сосны массой 100 г помещают в емкость на 1000 мл, добавляют 200 мл 5% раствора ортофосфорной кислоты и выдерживают в течение 24 ч при комнатной температуре с последующей отмывкой от избытка модификатора дистиллированной водой.

После чего смешивают 50 г бентонитовой глины, 100 мл воды и 100 г модифицированных древесных опилок в фарфоровой чашке емкостью 500 мл, например, вручную до образования смеси однородного состава.

Фарфоровую чашку с полученной смесью помещают в сушильный шкаф при температуре 80°С и сушат в течение 3,5 ч.

После этого измельчают высушенный материал до образования фракции размером, равным 3-15 мм, например, на щековой дробилке типа ЩДС-1×2.

Проводят термическую обработку измельченного материала. Для чего помещают его в фарфоровую чашку объемом 200 мл и выдерживают в печи при температуре 90°С в течение 0,8 ч.

Определение сорбционной емкости полученного предлагаемым способом материала в статических условиях по отношению, например, к фенолам осуществляют следующим образом.

В каждую из 9 колб помещают навеску массой 1 г сорбционного материала. После этого в каждую колбу добавляют раствор фенола объемом 100 мл с концентрацией, равной 10, 50, 100, 150, 200, 300, 500, 800, 1000 мг/л соответственно. Затем содержимое каждой колбы перемешивают в течение 2 ч и проводят анализ каждого раствора на содержание фенола, в частности, фотоколориметрическим методом. Значение сорбционной емкости материала рассчитывают как разницу между начальной и конечной (равновесной) концентрацией раствора в каждой колбе, отнесенную к единице массы сорбента.

Аналогично определяют сорбционную емкость по ионам меди, хрома, цинка, никеля, свинца, железа, нефтепродуктов, поверхностно-активных веществ.

Определение эффективности очистки сточных вод сорбционным материалом, в частности, от фенолов осуществляют в динамических условиях следующим образом. Материал загружают в колонку диаметром 40 мм и высотой фильтровального слоя 100 мм. После этого через колонку пропускают со скоростью от 5 до 10 м/ч раствор фенолов с концентрацией 10 мг/л. На выходе из колонки раствор анализируют на содержание фенолов, в частности, фотоколориметрическим методом.

Аналогично определяют эффективность очистки сточных вод по ионам хрома, цинка, никеля свинца, железа, нефтепродуктов, поверхностно-активных веществ.

Анализ сточных вод на наличие взвешенных веществ осуществляют выделением из пробы воды взвешенных веществ фильтрованием через бумажный фильтр «синяя лента», высушиванием фильтра в течение 2 ч при температуре 105°С, охлаждением в эксикаторе и взвешиванием осадка на фильтре до постоянной массы.

Механическую прочность сорбционного материала определяют путем измельчения образца материала с массой 10 г в горизонтальной шаровой мельнице в течение 20 минут с керамическими шарами диаметром 10 мм в количестве 10 штук. После истирания образец рассеивается на мелком сите для отделения пылевидной фракции, после чего определяют долю материала, не подвергнувшегося измельчению.

Результаты эксперимента представлены в таблице.

Таким образом, использование предлагаемого способа приводит к расширению области применения сорбционного материала, снижению расхода бентонитовой глины, интенсификации процесса получения материала вследствие сокращения времени и снижения температуры термической обработки, а также позволяет получить сорбционный материал, обладающий высокой механической прочностью.

Таблица
Эффективность очистки и механическая прочность материала, полученного по предлагаемому способу, и прототипа
Компонент, извлекаемый из очищаемых сточных вод	Эффективность очистки, %	Механическая прочность, %
по прототипу	по предлагаемому материалу	по прототипу	по предлагаемому материалу
Cr+3	82-88	83-90	62	78
Zn+2	91-95	90-95
Сu+2	83-91	95-98
Ni+2	90-95	90-95
Pb+2	95-99	92-97
Fe+3	97-99	98-99
нефтепродукты	98-99	98-99
фенолы	-	85-93
взвешенные вещества	-	96-98
поверхностно-активные вещества		75-82

Способ получения сорбционного материала, включающий обработку древесных опилок модификатором, смешивание бентонитовой глины, воды и древесных опилок при соотношении бентонитовой глины и воды, равном 1:2, сушку полученной смеси в течение 3,5-4 ч, измельчение до образования фракции размером 3-15 мм и термическую обработку, отличающийся тем, что обработку древесных опилок осуществляют пропиткой модификатором, в качестве которого используют 4,5-5,5%-ный раствор ортофосфорной кислоты, в течение 23-25 ч при комнатной температуре с последующей отмывкой дистиллированной водой, после чего смешивают бентонитовую глину, воду и древесные опилки при соотношении бентонитовой глины и древесных опилок, равном 1:2, сушат полученную смесь при температуре 80-85°С и проводят термическую обработку при температуре 90-95°С в течение 0,75-1 ч.