Сорбент-катализатор для очистки природных и сточных вод и способ его получения
Изобретения могут быть использованы в установках для очистки природных и сточных вод. Сорбент-катализатор получают из предварительно измельченного до размера фракций 3-5 мм шунгита III с содержанием углерода около 30%. После промывки водой шунгит заливают раствором, состоящим из смеси растворов 5% НСl и 5% Н2О2 в соотношении: 5% НСl - 50%, 5% Н2О2 - 50%, и выдерживают в этом растворе в течение 8 часов. После этого вторично промывают водой и высушивают при температуре 105°С. Полученный сорбент-катализатор обладает повышенными сорбционными и каталитическими свойствами и его использование обеспечивает повышение эффективности и экономичности процесса очистки природных и сточных вод. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.
Изобретение относится к устройствам и установкам для очистки природных и сточных вод, а именно, к получению сорбента-катализатора для очистки природных и сточных вод на основе шунгита.
Известно, что шунгиты являются хорошими сорбентами и используются в различных устройствах и установках для очистки природных и сточных вод.
Шунгит III с содержанием углерода около 30% имеет суммарную пористость 5-10%, значительную внутреннюю поверхность в диапазоне 10-30 м2/г, насыпную плотность около 1,3 г/см3, обладает высокой механической прочностью, электропроводностью, химической стойкостью, каталитическими и бактерицидными свойствами. Отмечена адсорбция шунгитами ряда органических веществ различных классов: фенолов, жирных высокомолекулярных кислот, спиртов, веществ лингоуглеводного комплекса древесных и торфяных гидролизатов, водорастворимых смол гидролиза, гуминовых веществ и др., а также ряда газов. При фильтровании через шунгитовый фильтр значительно снижается цветность воды, практически полностью удаляется микрофлора, а также, в зависимости от скорости подачи воды через фильтр, достигается снижение до нуля коли-индекса.
Как показали исследования, порода шунгита однородна и представляет собой решетку кварца (60%), по которой равномерно распределены клистеры (глобулы), шунгитоуглероды (30%). Такое строение и состав материала и определяет свойства поверхности, на которой имеются активные центры - силинольные и карбоксильные группировки с ненасыщенными связями типа:
В зависимости от способа подготовки поверхности эти центры могут быть активными (с ненасыщенными связями) или закрытыми (окисленными, нейтрализованными).
Совокупность силинольных и карбоксильных центров поверхности шунгита и определяет эффективность сорбционных и каталитических свойств материала.
Известен способ химической активации шунгита, описанный в работе «Глубокая очистка водных растворов от фенола с использованием шунгитовой породы» (Ж. прикл. Хим., 2003. Т.76, №5. С.791-794). Способ заключается в обработке шунгита III Зажогинского месторождения, предварительно измельченного до крупности 2.5±0.5 мм, водным раствором NaOH. К недостаткам этого способа можно отнести незначительную степень увеличения удельной поверхности сорбента. Кроме того, в данном способе увеличение пористости поверхности производится за счет растворения кварцевой решетки, что приводит к уменьшению как на поверхности шунгита, так и внутри него количества силикатных (или силинольных) групп (активных центров), определяющих вместе с карбоксильными активными центрами каталитические и сорбционные свойства материала.
Известно использование шунгита III в качестве фильтрующего элемента (Патент РФ №2185328) в загрузке для очистки и кондиционирования воды. В соответствии с этим изобретением метод получения шунгитового сорбента состоит в измельчении шунгитовой породы до размера частиц 0,1 - 5 мм и последующей обработке паром при температуре 150 - 200°С в течение одного часа. К недостаткам сорбента, полученного описанным способом и выбранного в качестве прототипа, можно отнести недостаточную стабильность его сорбционных и каталитических свойств, а также довольно низкие сорбционные и каталитические свойства.
Задачей изобретения является повышение эффективности и экономичности процесса очистки природных и сточных вод за счет разработки сорбента-катализатора на основе измельченного шунгита, обладающего повышенными сорбционными и каталитическими свойствами, и способа его получения.
Для решения поставленной задачи предлагается в известном сорбенте-катализаторе для очистки природных и сточных вод на основе предварительно измельченного шунгита использовать шунгит III с содержанием углерода около 30% и размером измельченных фракций 1-3 мм. Затем предлагается его промывать водой и заливать раствором, состоящим из смеси 5% HCl и 5% Н2О2 в следующем соотношении:
5% HCl - 50%
5%Н2О2 - 50%,
выдерживать в этом растворе в течение 8 часов, после чего вторично промывать водой и высушивать при температуре 105°С.
Предлагается также в известном способе получения сорбента-катализатора для очистки природных и сточных вод на основе предварительно измельченного шунгита использовать шунгит III с содержанием углерода около 30% и размером измельченных фракций 3-5 мм. Затем предлагается его промывать водой и заливать раствором, состоящим из смеси 5% HCl и 5% Н2О2 в следующем соотношении:
5% HCl - 50%
5% Н2О2 - 50%,
выдерживать в этом растворе в течение 8 часов, после чего вторично промывать водой и высушивать при температуре 105°С.
За счет проведения предлагаемой обработки на поверхности шунгита увеличивается количество силинольных и карбоксильных центров, которые определяют эффективность сорбционных и каталитических свойств материала.
Технологически предлагаемый способ осуществляют следующим образом:
1. Шунгитовая порода Зажогинского месторождения шунгит III измельчается на щековой дробилке до фракции 0-10 мм, просеивается на ситах с ячейкой <1 мм, затем на ситах 3 мм отбирается фракция 1-3 мм и на ситах 5 мм отбирается фракция 3-5 мм, которые промываются в проточной воде с перемешиванием массы до полного осветления промывных вод.
2. Влажный продукт, полученный на предыдущем этапе, помещается в емкость из химически стойкого пластика или нержавеющей стали, заливается раствором, состоящим из смеси 5% соляной кислоты (HCl) и 5% перекиси водорода (Н2О2).
3. Продукт находится в растворе в течение 8 часов, при этом над слоем шунгита должен быть слой раствора не менее 1 см. Затем раствор сливается, шунгит неоднократно промывается в проточной воде, при этом постоянно перемешиваясь, и высушивается при температуре 105°С до воздушно-сухого состояния.
Пример
В качестве органических загрязнителей исследовались модельные растворы хлоруглеводородов (хлороформ и 1.2-дихлорэтан), алифатические спирты (1-пропанол и 1-бутанол) и ароматические углеводороды (бензол, толуол). Измерения выполняли на хромотографе ЛХМ-8-МД1.
В качестве неорганических загрязнителей исследовались модельные растворы хлоридов железа, алюминия, цинка, хрома, бериллия, ртути, олова и циркония. Измерения выполняли атомно-сорбционным методом.
Результаты непроточного контактирования образцов шунгитовых пород, прошедших активацию, с модельными водными растворами органических микропримесей (соотношение шунгит-раствор 1:15 при t-20°C) приведены в таблице.
| Примесь | Начальная концентрация мг/л | Время контакта час | Остаточная концентрация в растворе мг/л при контакте | |
| с материалом прототипа | с активированным материалом | |||
| CHCl3 | 200 | 1 | 142.0 | 121.0 |
| 2 | 86.0 | 55.0 | ||
| 3 | 35.0 | 27.0 | ||
| 4 | 13.0 | 6.0 | ||
| 5 | 8.0 | 3.0 | ||
| C2H4Cl2 | 85 | 1 | 51.5 | 43.0 |
| 2 | 28.0 | 18.5 | ||
| 3 | 12.5 | 8.0 | ||
| 4 | 6.5 | 3.0 | ||
| 5 | 3.5 | 1.5 | ||
| С3Н7ОН | 35 | 1 | 22.0 | 18 |
| 2 | 15.5 | 9.5 | ||
| 3 | 7.5 | 3.5 | ||
| 4 | 3.7 | 2.3 | ||
| 5 | 1.5 | 1.0 | ||
| C4H9OH | 35 | 1 | 20.0 | 16.5 |
| 2 | 14.5 | 11.00 | ||
| 3 | 7.0 | 5.0 | ||
| 4 | 3.0 | 1.0 | ||
| 5 | 2.0 | 0.5 | ||
| С6Н6 | 25 | 1 | 18.5 | 16.0 |
| 2 | 12.0 | 8.5 | ||
| 3 | 9.5 | 6.5 | ||
| 4 | 7.0 | 4.0 | ||
| 5 | 4.0 | 2.0 | ||
| C6H5CH3 | 25 | 1 | 19.0 | 17.0 |
| 2 | 13.0 | 12.5 | ||
| 3 | 9.5 | 7.5 | ||
| 4 | 7.0 | 5.0 | ||
| 5 | 4.5 | 3.0 |
Образец 1 (прототип)
500 гр шунгитовой породы Зажогинского месторождения (шунгит III) измельчали на дезинтеграторе, просеивали на ситах из нержавеющей стали и отбирали фракции 0.5 мм, которые помещали в стеклянную колонну, снизу подавали пар t-150°C. Обработку паром проводили в течение часа. После охлаждения материала до комнатной температуры материал использовался в опытах по определению каталитических и сорбционных свойств.
Образец 2 (активированный шунгит)
500 г шунгитовой породы Зажогинского месторождения (шунгит III) фракции 0.5 мм отмывается от взвесей и мелких частиц в проточной воде до осветления промывных вод (мутность <1), замачивается в некоррозируемой емкости раствором, состоящим из смеси 5% HCl и 5% Н2О2 в равных пропорциях в течение 8 часов, промывается в проточной воде и высушивается при температуре 105°С. Материал, приготовленный описанным способом, использовали в опытах по определению каталитических и сорбционных свойств материала.
Из таблицы видно, что изготовленный с помощью предлагаемого способа сорбент превосходит прототип на 30-70% по каталитическим и сорбционным свойствам.
Для шунгита, обработанного в соответствии с предложенным способом, было зафиксировано изменение пористой структуры, заключающееся в увеличении удельной поверхности шунгита с 5-10 до 50-54 м2/г.
Экспериментально установлено, что при использовании шунгитового сорбента, полученного заявленным способом, цветность и мутность очищаемой воды приходят к норме в два раза быстрее, чем при использовании шунгита, полученного по способу-прототипу, и в десять раз быстрее, чем при использовании необработанного шунгита. Кроме того, у шунгитового сорбента, полученного предлагаемым способом, в 1,3-1,5 раза повысилась эффективность извлечения из загрязненной воды тяжелых металлов (железа, меди, цинка и др.) и органических веществ (фенолов, нефтепродуктов, хлорорганики и др.) по сравнению с сорбентом прототипа.
Данный факт объясняется тем, что обработка поверхности зерен сорбента предлагаемым способом увеличивает количество находящихся на поверхности материала активных центров - кислотных активных групп, ответственных за сорбционные и каталитические процессы.
1. Сорбент-катализатор для очистки природных и сточных вод на основе предварительно измельченного шунгита, отличающийся тем, что используют шунгит III с содержанием углерода около 30% размером измельченных фракций 3-5 мм, который промывают водой и заливают раствором, состоящим из смеси 5% НСl и 5% Н2О2 в следующем соотношении:
5% НСl - 50%
5% Н2О2 - 50%,
выдерживают в этом растворе в течение 8 ч, после чего вторично промывают водой и высушивают при температуре 105°С.
2. Способ получения сорбента-катализатора для очистки природных и сточных вод на основе предварительно измельченного шунгита, отличающийся тем, что используют шунгит III с содержанием углерода около 30% и размером измельченных фракций 3-5 мм, который промывают водой и заливают раствором, состоящим из смеси 5% НСl и 5% Н2О2 в следующем соотношении:
5% НСl - 50%
5% Н2О2 - 50%,
выдерживают в этом растворе в течение 8 ч, после чего вторично промывают водой и высушивают при температуре 105°С.
