Способ подготовки сорбента для концентрирования паров полярных органических соединений


 


Владельцы патента RU 2564344:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) (RU)

Изобретение относится к сорбционной технике, а именно к способам подготовки сорбентов для концентрирования и выделения из газовых смесей паров полярных органических веществ. Предложен способ, согласно которому осуществляют пропитку гидрофобного полимерного сорбента раствором соли в полярном органическом растворителе. Для пропитки берут соль, растворимость которой в метаноле составляет не менее 1 моль/л. Используют соли, выбранные из хлоридов меди, цинка, кобальта, железа или перхлората магния. Изобретение позволяет получить сорбент для количественного анализа, обладающий низким пределом обнаружения определяемых веществ. 3 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к сорбционной технике, а именно к способам подготовки сорбентов для концентрирования и выделения из газовых смесей паров полярных органических соединений, таких как низшие спирты и кетоны. Необходимость в подобных сорбентах может возникнуть при проведении количественного анализа воздуха на содержание токсичных примесей, в процессах очистки воздуха и рекуперации легколетучих органических растворителей, а также в адсорбционных холодильных машинах и тепловых насосах.

Для сорбционного концентрирования паров органических соединений широко применяют пористые адсорбенты с развитой поверхностью, такие как цеолит, силикагель, оксид алюминия, активный уголь [1]. В последние годы для этой цели также стали использовать и гидрофобные полимерные адсорбенты [2]. Общим недостатком перечисленных сорбентов является низкая сорбционная емкость по отношению к полярным органическим соединениям, таким как метанол и ацетон, что не позволяет достигать высоких коэффициентов концентрирования указанных соединений.

Частично эти недостатки преодолеваются за счет нанесения в поры сорбентов неорганических солей, способных сорбировать пары полярных органических соединений [3-4].

Известен сорбент, состоящий из пористой матрицы, выбранной из ряда: силикагель, оксид алюминия или вермикулит, пористый уголь, поры которой содержат галогенид или нитрат металла из ряда: кальций, магний, литий, никель или кобальт в количестве не менее 10 мас.% [5], который является наиболее близким к заявленному способу и принят в качестве прототипа. Этот сорбент применяется для удаления паров метанола из газовых смесей.

Способ, принятый в качестве прототипа, имеет два существенных недостатка, ограничивающих его применение для концентрирования микропримесей паров полярных органических соединений. Во-первых, перечисленные в прототипе соли не обладают наиболее высокой сорбционной емкостью по отношению к микропримесям полярных органических соединений. Во-вторых, защищаемые в способе пористые матрицы являются относительно гидрофильными материалами и хорошо удерживают водяной пар, который может препятствовать количественному анализу полярных органических соединений.

Указанные недостатки преодолеваются в заявляемом способе.

Технический результат заявленного изобретения состоит в увеличении сорбционной емкости подготавливаемого сорбента и в снижении пределов обнаружения определяемых соединений за счет устранения негативного влияния водяного пара.

Указанный технический результат достигается применением хорошо растворимых в органических полярных растворителях солей многозарядных катионов и их нанесением на гидрофобные носители, которое осуществляется из полярных органических растворителей.

Сущность заявленного изобретения состоит в подготовке сорбента путем пропитки его раствором соли с многозарядным катионом, которая хорошо растворяется в полярных органических растворителях. При этом при концентрировании паров органических веществ из неосушенного предварительно воздуха в качестве сорбента берут гидрофобный полимерный сорбент, пропитку которого осуществляют не водным раствором соли, а раствором этой соли в полярном органическом растворителе. Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. В газовой хроматографии широко используют сорбент Порохром, состоящий из SiO2 и Al2O3 с примесями оксидов железа, кальция и магния. Его удельная поверхность составляет 2,5 м2/г. На этот сорбент с размерами гранул от 0,25 до 0,5 мм наносят 10% мас. соли путем его пропитки водным раствором этой соли с концентрацией 50 г/л, последующего выпаривания воды при перемешивании и последующей сушки в сушильном шкафу при 250°С до постоянной массы. Определяют удельные (отнесенные к 1 грамму соли) объемы удерживания до проскока паров метанола и ацетона из потока предварительного осушенного воздуха (200 мл/мин) с концентрациями этих соединений 50 мкг/л. Полученные результаты и величины растворимости солей в метаноле и ацетоне приведены в табл.1.

Таблица 1
Удельные объемы удерживания до проскока (VB) паров метанола и ацетона различными солями и растворимости этих солей в метаноле и ацетоне
Соль Метанол Ацетон
VB, л/г Растворимость,
моль/л
VB, л/г Растворимость, моль/л
KCl <0,1 0,057 <0,1 <0,01
NaCl <0,1 0,22 <0,1 <0,01
LiCl 0,41 10,6 <0,1 0,28
LiClO4 2,6 17,2 2,0 12,8
NiSO4 0,13 0,0056 0,17 -
CoSO4 0,31 0,027 0,28 -
CuSO4 0,53 0,061 0,42 -
CuCl2 2,1 3,4 6,9 0,22
ZnCl2 6,1 2,6 7,8 3,2
CoCl2 15,5 2,3 9,5 0,42
Mg(ClO4)2 22,5 4,1 12,5 3,4
FeCl3 6,7 4,5 4,3 3,0

Как следует из данных табл.1, достаточно сильное для эффективного концентрирования удерживание паров метанола и ацетона (более 1 л/г) возможно только при условии хорошей растворимости (не менее 1 моль/л) соли в метаноле. Так, нерастворимые в метаноле NaCl и KCl практически не удерживают пары метанола и ацетона. Относительно плохо растворимые в метаноле (менее 1 моль/л) NiSO4, CoSO4 и CuSO4 удерживают пары метанола и ацетона значительно хуже, чем хорошо растворимые в метаноле (не менее 1 моль/л) CuCl2, ZnCl2, CoCl2, Mg(ClO4)2 и FeCl3. Кроме того, соли с многозарядными катионами, например FeCl3, CoCl2, ZnCl2 или Mg(ClO4)2, удерживают пары метанола и ацетона несколько сильнее, чем соли с однозаряными катионами, например LiCl или LiClO4. Таким образом, сочетание высокой растворимости соли в метаноле (не менее 1 моль/л) с наличием у этой соли многозарядного катиона обеспечивает эффективное удерживание (концентрированно) паров полярных органических растворителей. Среди исследованных солей (см. табл.1) пары метанола и ацетона эффективнее всех концентрируют отвечающий этим требованиям Mg(ClO4)2, который не входит в перечень солей, защищаемых прототипом, поскольку не является ни нитратом, ни галогенидом. С другой стороны, LiCl, который входит в этот перечень, по этому показателю значительно уступает хлоридам с двух- и трехзарядными катионами.

Пример 2. При концентрировании паров органических соединений из неосушенного предварительно воздуха широко используют полимерные гидрофобные сорбенты, практически не удерживающие водяной пар, такие как порапак QS и полисорб-1. Наносят на эти сорбенты с размерами гранул от 0,25 мм до 0,5 мм 10% мас. безводного CoCl2 путем их пропитки раствором этой соли в этаноле с концентрацией 50 г/л, последующего выпаривания жидкости при перемешивании и последующей сушки в сушильном шкафу при 250°С до постоянной массы. Заполняют подготовленными сорбентами сорбционные колонки из нержавеющей стали длиной 6 см и внутренним диаметром 3 мм. Через заполненные сорбционные колонки при комнатной температуре с расходом 200 мл/мин пропускают 1 литр воздуха с концентрациями паров метанола и ацетона 0,05 мкг/л. Воздух в одном случае предварительно осушают путем охлаждения до - 77°С, а во втором - увлажняют до 95%-ной влажности путем пропускания через насыщенный водный раствор KNO3.

Устанавливают сорбционные колонки на место дозирующей петли стандартного крана-дозатора. Проводят термодесорбцию сорбированных из потока газовой смеси паров метанола и ацетона при температуре 250°С и их дозирование в газовый хроматограф. Определяют параметры (площадь и высоту) пиков метанола и ацетона на хроматограмме. Результаты, полученные с использованием различных сорбентов (для гидрофильных сорбентов пропитка раствором CoCl2 осуществлялась из водных растворов), приведены в табл. 2.

Таблица 2
Площади (S) и высоты (Н) пиков метанола и ацетона, сорбированных из осушенного (1) и влажного (2) воздуха, при термодесорбции с различных сорбентов, содержащих 10% мас. CoCl2
Сорбент Воздух Метанол Ацетон
S (мВ.с) Н(мВ) S (мВ.с) Н(мВ)
Порапак QS 1 4900 750 8200 630
2 5100 720 8300 610
Полисорб-1 1 4500 820 7800 730
2 4600 790 7600 700
Активный уголь СКТ 1 5300 780 9100 710
2 5600 430 9300 480
Силикагель КСС4 1 5200 630 8500 640
2 5800 250 9100 320
Оксид алюминия 1 4200 590 8500 690
2 4600 190 9200 270

Как следует из данных, приведенных в табл. 2, в случае предварительно осушенного воздуха природа сорбента не влияет на параметры пиков метанола и ацетона. Это свидетельствует о количественном извлечении аналитов (метанола и ацетона) на обоих стадиях сорбционного концентрирования: сорбции и термодесорбции. Положительный эффект от применения гидрофобных сорбентов: порапака и полисорба, которые очень слабо сорбируют водяной пар при комнатной температуре, проявляется для влажного воздуха. Как видно из табл. 2, в этом случае для гидрофобных сорбентов, таких как порапак и тенакс, высоты пиков в несколько раз выше, чем в случае более гидрофильных сорбентов, таких как активный уголь, и особенно силикагель и оксид алюминия, которые защищает прототип. Это можно объяснить отрицательным влиянием сорбированного гидрофильными сорбентами водяного пара на размывание пиков аналитов при термодесорбции, которого не происходит на гидрофобных сорбентах. Таким образом, используя гидрофобные сорбенты, можно значительно увеличить высоты пиков концентрируемых аналитов, то есть повысить их концентрацию в газовой фазе и тем самым повысить их коэффициенты концентрирования по сравнению с прототипом.

Пример 3. Навески (1 г) порапака QS и полисорба-1 пропитывают 4 мл раствора с концентрацией CoCl2 50 г/л в различных растворителях. Выпаривают жидкость при перемешивании сорбента и сушат его в сушильном шкафу при 250°С до постоянной массы. Определяют массу безводной соли, нанесенной на сорбент. Результаты представлены в табл.3.

Таблица 3
Массовая доля (m, %) CoCl2, нанесенного на полимерные сорбенты, из различных растворителей
Сорбент m, %
Вода Вода - этанол (1:1) Этанол Изопропанол
Порапак QS 1,6±0,3 8,1±0,5 15±3 16±3
Полисорб-1 2,4±0,4 9,3±0,6 13±2 14±2

Как следует из данных табл.3, пропитка порапака QS и полисорба-1 водным раствором соли не эффективна в силу их гидрофобности и несмачиваемости водой. В случае полярных органических растворителей (этанол, изопропанол), которые смачивают гидрофобные сорбенты, природа растворителя не имеет принципиального значения. Применение для пропитки растворов соли в неполярных органических растворителях, например в углеводородах, невозможно, поскольку защищаемые в заявляемом способе неорганические соли в этих растворителях практически нерастворимы.

Как видно из примеров реализации заявленного способа, изобретение может успешно применяться при решении задач количественного химического анализа и сорбционного концентрирования, что очень важно при решении экологического, аналитического и санитарно-гигиенического контроля объектов окружающей среды, прежде всего, для анализа атмосферного воздуха, что реально обеспечивает экологическую безопасность среды обитания человека. Кроме этого, особенно важным является возможность использования разработанного и апробированного способа для анализа выдыхаемого воздуха для неинвазивной диагностики таких социально значимых заболевании, как туберкулез, сердечная недостаточность, сахарный диабет на ранних стадиях и ряд онкологических наиболее распространенных заболеваний.

Источники информации

1. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия. 1984. С.592.

2. Другов Ю.С., Родин А.А. Газохроматографический анализ загрязненного воздуха. М.: Бином. 2005. С.76-101.

3. Аристов Ю.И., Гордеева Л.Г., Токарев М.М. Композитные сорбенты «Соль в пористой матрице»: синтез свойства, применение. Новосибирск, 2008.

4. Патент РФ 2294796, МПК B01J 20/02, F25B 17/08.

5. Патент РФ №22882026, МПК B01D 53/72, B01J 20/02 (прототип).

Способ подготовки сорбента для концентрирования паров полярных органических соединений, включающий пропитку гранул сорбента раствором соли и их сушку, отличающийся тем, что берут гидрофобный полимерный сорбент, а пропитку гранул сорбента проводят раствором соли с многозарядным катионом, растворимость которой в метаноле составляет не менее 1 моль/л, выбранной из хлоридов меди, цинка, кобальта и железа в полярном органическом растворителе или раствора перхлората магния в полярном органическом растворителе.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к синтезу сорбентов с химически закрепленными функциональными группами. Сорбент содержит 3-глицидилоксипропил-силикагель, который обработан тиосемикарбазидом при катализе хлорной кислотой в среде кипящего метанола в течение 8 часов.

Изобретение относится к методам химического модифицирования природных глинистых материалов для получения сорбента. Согласно изобретению 20 г монтмориллонитовой глины обрабатывают 100 мл 0,04 М раствора родамина Б при температуре 20-22°C, pH 2 в течение 60 мин.

Изобретение может быть использовано для детоксикации водоемов и очистки сточных вод, загрязненных солями мышьяка. Для осуществления заявленного способа детоксикацию сточных вод проводят с использованием сорбирующих материалов, состоящих из термически и химически модифицированного цеолита.

Изобретение относится к получению сорбентов для очистки растворов от ионов тяжелых металлов. Согласно способу нитраты алюминия, магния и натрия растворяют в азотной кислоте с добавлением этилового спирта, в полученную смесь вливают тетраэтоксисилан.

Изобретение описывает композицию и способ получения мезопористых кремнеземных материалов с хиральной структурой. Согласно способу полимеризуемый неорганический мономер взаимодействует в присутствии нанокристаллической целлюлозы (NCC) с образованием материала неорганического твердого вещества с нанокристаллитами целлюлозы, включенными в хиральную нематическую структуру.

Изобретение относится к средствам борьбы с загрязнениями объектов окружающей среды нефтью и нефтепродуктами. В качестве торфяной основы использован верховой сфагновый слаборазложившийся торф мохового типа, со степенью разложения не более 20%, зольностью не более 10%.

Изобретение относится к области ионного обмена и может быть использовано для извлечения индия из растворов и при получении веществ особой чистоты. Предложены два варианта способа получения комплексообразующего сорбента.

Изобретение относится к области получения самоочищающегося тканевого материала, обладающего фотокаталитической активностью под действием ультрафиолетового и видимого излучения и предназначенного для фотокаталитической деструкции опасных органических и неорганических веществ и макромолекул.

Изобретение относится к области промышленной экологии. Способ получения сорбента для очистки сточных вод включает взаимодействие элементной серы и гидроксида натрия в водном растворе в присутствии гидразингидрата.
Изобретение относится к области биологии и медицины и может быть использовано в клинической практике для терапии заболеваний, связанных с нарушениями липидного и липопротеинного обмена.
Изобретение относится к области промышленной экологии и может быть использовано для очистки сточных вод от тяжелых металлов и органических веществ. Предложен способ получения ионообменного сорбента, представляющего собой сополимер лигносульфоната натрия и полиметилакрилата. Сорбент получен методом радикальной сополимеризации в присутствии пероксида водорода. Изобретение позволяет упростить способ получения и обеспечить возможность расширения спектра извлекаемых сорбентом примесей. 2 з.п. ф-лы, 5 табл., 5 пр.

Изобретение относится к области неорганической химии, в частности к получению сорбентов на основе терморасширенного графита. Способ получения сорбента на основе термически расширенного графита, модифицированного железосодержащими фазами с ферримагнитными свойствами, включает следующие стадии: (A) получение смеси интеркалированного графита с раствором соли 2 и/или 3 валентного железа в органической жидкости, разлагающейся при нагреве с выделением метана, где концентрация соли железа в растворе составляет от 10 до 50 масс. %; (B) отделение от полученной смеси жидкой фазы с получением твердой фазы в виде интеркалированного графита с нанесенными на него соединениями железа; (C) сушка твердой фазы до сыпучего состояния; и (D) термическое расширение интеркалированного графита с нанесенными на него соединениями железа с получением целевого продукта. Изобретение позволяет получить сорбент на основе терморасширенного графита, содержащего магнитную фазу, представленную ферримагнитными магнетитом (Fe3O4) и маггемитом (γ-Fe2O3) с улучшенными эксплуатационными свойствами. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к способам получения адсорбента диоксида углерода, предназначенного для использования в средствах защиты органов дыхания. Способ включает образование дисперсии оксидов щелочноземельных и/или гидроксидов щелочных и/или щелочноземельных металлов и нанесение дисперсии на листовую основу. Образование дисперсии осуществляют смешением оксидов щелочноземельных и/или гидроксидов щелочных и/или щелочноземельных металлов с пленкообразующим полимером и органическим легколетучим растворителем. Дисперсию наносят на листовую основу. Из полученной композиции удаляют растворитель. Полученные листы адсорбента обрабатывают водными растворами гидроксидов калия или натрия до их содержания 2-6% в адсорбенте. Способ позволяет улучшить эксплуатационные характеристики адсорбента диоксида углерода. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл, 7 пр.

Изобретение относится к способам получения адсорбента на основе цеолитсодержащей породы. Цеолитсодержащую породу размалывают и перемешивают с выгорающей добавкой, связующим и с водным раствором пластификатора и формируют гранулы. Гранулы подвергают сушке, термообработке, гидротермальной кристаллизации в концентрированном щелочном растворе, промывке, сушке, термообработке, обработке концентрированной соляной кислотой, промывке и сушке. В качестве связующего используют цемент с добавкой от 1 до 2% водного раствора этиленгликоля. В качестве выгорающей добавки используют сосновые опилки в пылеобразном состоянии. Процессы сушки и термообработки гранул проводят при заданной скорости подъема температуры. Термическую обработку совмещают с вакуумированием. Техническим результатом является повышение сорбционной емкости и механической прочности адсорбента, а также сокращение времени его получения. 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к способу получения сорбентов. Сорбент получают карбонизацией измельченных стеблей Тростника Южного, которые нагревают при 450-500°С в течение 10-15 минут, до потери ~ 70% массы, обрабатывают раствором 5% азотной кислоты, промывают в воде, высушивают при 100°С. Процесс осуществляют до получения сорбента, содержащего: 70-80% углеродной составляющей, 19-29% силикатной составляющей и 1% воды. Изобретение обеспечивает получение сорбента, характеризующегося избирательной сорбцией по отношению к фенолам, углеводородам, барбитуратам, производным холестерина, аминогликозидам, антрациклинам, а также к ионам тяжелых металлов. 2 табл.
Изобретение относится к области получения биоспецифического гидрогелевого сорбента для выделения протеиназ. Сорбент получают путем радикальной полимеризации под действием окислительно-восстановительного катализатора при комнатной температуре. Полимеризации подвергают водный раствор, содержащий акриламид, овомукоид из белка утиных яиц, ацилированный хлорангидридом акриловой кислоты, сшивающий агент, модифицирующую добавку и бикарбонатный буфер. Образующийся гидрогель измельчают и промывают его бикарбонатным буфером. В качестве сшивающего агента используют смесь, состоящую из 45-65% масс. диметакрилата этиленгликоля и 55-35% масс. диметакрилата тридекаэтиленгликоля. В качестве модифицирующей добавки берут водорастворимый полимер. Технический результат: повышение емкости сорбента до 2,27 мг фермента на 1 мг иммобилизованного овомукоида и повышение скорости сорбции. 2 табл., 14 пр.

Изобретение относится к способам получения хемосорбционных элементов. Готовят исходную композицию путём смешивания порошкообразных гидроксидов щелочных и/или щелочноземельных металлов с органическим полимером и растворителем. Осуществляют формование полученной суспензии с удалением растворителя. Смешение исходных компонентов осуществляют при весовом соотношении гидроксидов к полимеру, равном 70÷95/30÷5, количество растворителя при смешении составляет 10,0-30,0 см3 на 1 г полимера. После формования и сушки осуществляют компактирование, соединяя по меньшей мере два хемосорбирующих элемента их торцевыми поверхностями. После соединения хемосорбирующих элементов проводят обработку места контакта либо термическим воздействием при температуре 45-95°C, либо воздействием поля сверхвысокой частоты на место контакта. Затем проводят увлажнение полученного изделия водой или раствором гидроксида калия или натрия. Способ позволяет получать квазимонолитные хемосорбирующие элементы больших размеров, обладающие улучшенными эксплуатационными характеристиками. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 пр., 1 ил.

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к технологии получения адсорбента-коагулянта, предназначенного для использования в области экологии для очистки водных объектов: природных водоемов или промышленных стоков, и может быть использовано на предприятиях глиноземного производства для получения из техногенного отхода алюмосиликатного производства - красного шлама - дополнительного товарного продукта. Способ получения адсорбента-коагулянта на основе красного шлама глиноземного производства включает в себя кислотную обработку красного шлама для его активирования и последующие этапы фильтрации полученной суспензии, отделение осадка, его высушивание и измельчение. Активирование красного шлама проводят в один этап, который осуществляют промыванием красного шлама путем декантации 6-10 моль/л раствором соляной кислоты (HCl) в соотношении т:ж=1:3-5 при непрерывном перемешивании в течение 1 часа при комнатной температуре до уровня рН не более 4. Технический результат - упрощение процесса получения эффективного коагулянта-адсорбента с повышенной адсорбционной способностью. 1 табл., 2 пр.

Изобретение относится к области химической технологии. Химически активный фильтрующий элемент, содержащий химически активный материал в виде порошка или гранул, распределенный по каркасу из пористого инертного металлического носителя, размещенного в пористой оболочке. Химически активный материал состоит из вещества, способного изменять объем твердой фазы за время эксплуатации. Пористый инертный металлический носитель выполнен из витой металлической проволоки с демпфирующими свойствами, расстояние между соседними витками проволоки не превышает минимальный размер частиц порошка или гранул активного материала. Активный материал равномерно распределен по площади поперечного сечения каркаса из пористого инертного носителя. Изготавливают химически активный фильтрующий элемент перемешиванием химически активного материала со вспомогательным инертным компонентом до получения однородной смеси. Из полученной смеси формируют твердую заготовку и располагают послойно между слоями пористого инертного металлического носителя внутри инертной пористой оболочки. Внедрение смеси в каркас пористого инертного металлического носителя производят под нагрузкой с последующим удалением инертного компонента. Технический результат: обеспечение стабильности свойств химически активного фильтрующего элемента; увеличение срока службы химически активного фильтрующего элемента; возможность полного извлечения химически активного материала по окончании срока службы. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способу получения регенерируемого поглотителя диоксида углерода на основе гидроксида циркония и может быть использовано в технологии получения регенерируемых поглотителей диоксида углерода. Способ включает взаимодействие соли циркония и вещества, образующего гидроксид циркония с добавлением карбоната аммония и перекиси водорода. В качестве вещества, образующего гидроксид циркония, используют оксид цинка, в качестве соли циркония используют основной карбонат циркония, а в качестве связующего используют смесь поливинилового спирта с акриловым лаком в соотношении 1:1. Изобретение позволяет увеличить динамическую активность поглотителя по диоксиду углерода и повысить прочность гранул поглотителя. 1 табл., 8 пр.
Наверх