Способ извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов


 


Владельцы патента RU 2598483:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ивановский государственный химико-технологический университет" (ИГХТУ) (RU)

Изобретение относится к способам извлечения ионов тяжелых металлов сорбцией на природных целлюлозосодержащих сорбентах из растворов различного состава и может быть использовано для совершенствования мембранных и сорбционных технологий, в водоподготовке, при разработке технологий утилизации ионов тяжелых металлов из водных растворов и сточных вод различной природы. Способ извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов включает контактирование раствора при комнатной температуре в течение 1-20 мин с модифицированными полимерными сорбентами на основе целлюлозы при модуле раствор/сорбент, равном 50-200. При этом модифицирование сорбентов осуществляют нанесением на них углеродных нанотрубок при ультразвуковом воздействии рабочей частотой 22 или 44 кГц при комнатной температуре в течение 2-10 мин в водном растворе, содержащем 3-12% полиакриловой кислоты и 0,1-1% нанотрубок от массы сорбента при модуле раствор/сорбент 10, с последующей обработкой сорбентов в растворе акриловой кислоты в присутствии инициатора при температуре 60-90°С при перемешивании в течение 30-90 мин. Причем обработку сорбентов с нанесенными углеродными нанотрубками осуществляют в растворе с содержанием акриловой кислоты 15-25% и инициатора персульфата аммония 1,5-2,5% от массы сорбента при модуле раствор/сорбент 10 с последующей промывкой, отжимом и высушиванием до влажности 8-14%. Изобретение обеспечивает повышение степени извлечения ионов тяжелых металлов и снижение температуры обработки сорбентов. 1 табл., 5 пр.

 

Изобретение относится к способам извлечения ионов тяжелых металлов сорбцией на природных целлюлозосодержащих сорбентах из растворов различного состава, образующихся в результате проведения разнообразных технологических процессов, и может быть использовано для совершенствования мембранных и сорбционных технологий, в водоподготовке, при разработке технологий утилизации ионов тяжелых металлов из водных растворов и сточных вод различной природы.

Известен способ очистки сточных вод промышленных предприятий от тяжелых металлов, в частности от ионов меди, путем сорбции на древесных опилках, обработанных 4-метил-8-оксо-5-азадекадиен-3,9-ОН-2 при массовом соотношении опилки - реагент 1:0,05÷0,1 [А.с. 1819669 СССР, МКИ5 B01J 20/22, B01J 20/30. Способ получения сорбента для очистки сточных вод меди / Тимофеева С.С., Кухарев Б.Ф., Станкевич В.К., Клименко Г.Р. - №4911863/05; Заявл. 15.02.91.; Опубл. 7.06.93, Бюл. №21.]. Однако такой способ модифицирования опилок является неэкономичным, так как подразумевает применение дорогостоящего реагента в количестве 5-10% от массы сорбента, а также приводит к загрязнению окружающей среды.

Известен способ извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов путем контактирования их с полимерными сорбентами, содержащими целлюлозную компоненту и аминокислотные остатки при модуле раствор/сорбент, равном 50-200. В качестве сорбента используют шроты или жмыхи, предварительно обработанные в водных растворах ферментов при модуле раствор/сорбент 5-50 и концентрации ферментов 1-10% от массы сорбента в течение 1-3 ч при температуре 25-40°С, а контактирование обработанного сорбента осуществляют в течение 5-20 мин при комнатной температуре. В результате применения таких сорбентов степень извлечения ионов Cu(II), Zn(II) и Cd(II) для различных индивидуальных и смешанных образцов шротов и жмыхов составляла от 78,3 до 99,9% [Пат. №2258560 РФ, МПК B01J 20/24. Способ извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов / Никифорова Т.Е., Багровская Н.А., Лилин С.А., Козлов В.А;аявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ивановский государственный химико-технологический университет" (ГОУВПО "ИГХТУ") (RU), Институт химии растворов Российской академии наук (ИХР РАН) (RU). - №2004102130/15; заявл. 26.01.2004; опубл. 20.08.2005, Бюл. №23. - 6 с.].

Однако этот способ предполагает использование для предварительной обработки сорбентов дорогостоящих и дефицитных реагентов - ферментов и ферментных препаратов (100 мг липазы, полученной из Pseudomonada Cepacia, стоят 61,21 евро [Sigma. 2002-2003]); если липаза выпускается отечественной промышленностью, то ферментный препарат Bimix представляет собой опытный образец, разработанный путем генной инженерии на кафедре энзимологии МГУ.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, то есть прототипом является способ извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов путем контактирования их при комнатной температуре в течение 1-20 мин с полимерными сорбентами на основе целлюлозы, модифицированными при микроволновом облучении мощностью 300 Вт с частотой 2,45 ГГц при модуле раствор/сорбент, равном 50-200. При этом модифицирование сорбентов осуществляют путем их предварительного погружения в водный раствор капролактама или кубового остатка дистилляции капролактама с концентрацией 2-20 г/л при модуле 15-50 с последующим отжимом и микроволновым облучением в течение 1-5 мин при температуре 150-200°С, а контактирование модифицированных сорбентов с водными растворами проводят при рН раствора 3-7 [Пат. №2495830 РФ, МПК C02F 1/62, (2006.01), C02F 1/28(2006.01), B01J 20/24(2006.01), B01J 20/32(2006.01). Способ извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов / Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Ефимов Н.А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ивановский государственный химико-технологический университет" (RU). - №2012117931/05; заявл. 28.04.2012; опубл. 20.10.2013, Бюл. №29. - 6 с.].

Недостатками прототипа являются:

- недостаточно высокая степень извлечения ионов тяжелых металлов;

- высокая температура обработки сорбентов (150-200°С).

Техническим результатом изобретения является:

- повышение степени извлечения ионов тяжелых металлов;

- снижение температуры обработки сорбентов.

Указанный результат достигается тем, что в способе извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов, заключающемся в контактировании их при комнатной температуре в течение 1-20 мин с модифицированными полимерными сорбентами на основе целлюлозы при модуле раствор/сорбент, равном 50-200, согласно изобретению модифицирование сорбентов осуществляют нанесением на них углеродных нанотрубок при ультразвуковом воздействии рабочей частотой 22 или 44 кГц при комнатной температуре в течение 2-10 мин в водном растворе, содержащем 3-12% полиакриловой кислоты и 0,1-1% нанотрубок от массы сорбента при модуле раствор/сорбент 10, с последующей обработкой сорбентов в растворе акриловой кислоты в присутствии инициатора при температуре 60-90°С при перемешивании в течение 30-90 мин, причем обработку сорбентов с нанесенными углеродными нанотрубками осуществляют в растворе с содержанием акриловой кислоты 15-25% и инициатора персульфата аммония 1,5-2,5% от массы сорбента при модуле раствор/сорбент 10 с последующей промывкой, отжимом и высушиванием до влажности 8-14%.

Для осуществления заявляемого способа извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов используют следующие реагенты:

- углеродные нанотрубки «Таунит - М» (ТУ 2166-001-02069289-2006, ООО «НаноТехЦентр».

Углеродный наноматериал «Таунит» представляет собой одномерные наномасштабные нитевидные образования поликристаллического графита длиной более 2 мкм с наружными диаметрами от 15 до 40 нм в виде сыпучего порошка черного цвета.

- акриловая кислота - бесцветная жидкость с резким запахом, растворима в воде, диэтиловом эфире, этаноле, хлороформе. Легко полимеризуется с образованием полиакриловой кислоты [ГОСТ 19433-88-8.1.].

В качестве сорбентов использовали:

- короткое льняное волокно, представляющее собой вторичный продукт переработки льняной промышленности следующего состава, %: целлюлоза (75…78), гемицеллюлоза (9,4…11,9), лигнин (3,8), пектиновые вещества (2,9…3,2), воскообразные вещества (2,7), азотсодержащие вещества в расчете на белки (1,9…2,1), минеральные вещества (1,3…2,8) [Кричевский Г.Е., Корчагин М.В., Сенахов А.В. Химическая технология текстильных материалов. М., 1985. 640 с.];

- древесные опилки - отход деревообрабатывающей промышленности (состав, % от абсолютно сухой древесины: целлюлоза - 31,0-52,5; лигнин -19,5-30,9; пентозаны - 5,3-28,3; маннан - 1,3-11,3; галактан - 0,7-14,4; уроновые кислоты -2,9-8,6; вещества, экстрагируемые горячей водой - 1,4-22,6; вещества, экстрагируемые этиловым эфиром - 0,7-4,6; зола - 0,2-1,0) [Никитин В.М., Оболенская А.В. Щеголев В.П. Химия древесины и целлюлозы. М.: Лесная промышленность, 1978. - 368 с.];

- хлопковая целлюлоза [ГОСТ 595-79 «Целлюлоза хлопковая. Технические условия.];

- древесная целлюлоза [ГОСТ 11208-82. Целлюлоза древесная (хвойная) сульфатная небеленая. Технические условия.].

- стебли топинамбура представляют собой отход сельскохозяйственного производства следующего состава (в пересчете на сухое вещество): 55,8% углеводов (целлюлоза, гемицеллюлозы, инулин, пектиновые вещества), 10% белков, 18,1% безазотистых экстрактивных веществ, 14,3% минеральных веществ и 1,8% жиров [Рязанова, Т.В. Химический состав вегетативной части топинамбура и ее использование / Т.В. Рязанова, Н.А. Чупрова, Л.А. Дорофеева, А.В. Богданов // Лесной журнал. - 1997. - №4. - С. 71-75.]/

Стебли топинамбура очищают от внешнего слоя и измельчают.

Изобретение осуществляют следующим образом

Пример 1

10 г древесных опилок погружают в стакан со 100 мл водного раствора (модуль 10), содержащего 1,2 г полиакриловой с кислоты (12% от массы сорбента) и 0,1 г нанотрубок (1% от массы сорбента), и подвергают воздействию ультразвуком рабочей частотой 22 кГц при комнатной температуре в течение 2 мин. Затем в стакан добавляют 2 г акриловой кислоты (20% от массы сорбента) и 0,2 г инициатора - персульфата аммония (2% от массы сорбента) и выдерживают при температуре 80°С при перемешивании в течение 70 мин. Затем сорбент вынимают из стакана, промывают, отжимают и высушивают до влажности 14%.

Обработанный сорбент заливают 0,5 л водного раствора при комнатной температуре (модуль 50), рН 5, содержащего 1,5 ммоль/л ионов меди. Через 1 мин раствор отфильтровывают и в фильтрате определяют содержание ионов Cu(II).

Концентрация ионов меди в растворе после контактирования с сорбентом составила 0,271 ммоль/л (степень извлечения 81,9%).

Пример 2

10 г хлопковой целлюлозы погружают в стакан со 100 мл водного раствора (модуль 10), содержащего 0,5 г полиакриловой с кислоты (5% от массы сорбента) и 0,04 г нанотрубок (0,4% от массы сорбента), и подвергают воздействию ультразвуком рабочей частотой 44 кГц при комнатной температуре в течение 8 мин. Затем в стакан добавляют 1,5 г акриловой кислоты (15% от массы сорбента) и 0,15 г инициатора - персульфата аммония (1,5% от массы сорбента) и выдерживают при температуре 60°С при перемешивании в течение 90 мин. Затем сорбент вынимают из стакана, промывают, отжимают и высушивают до влажности 8%.

Обработанный сорбент заливают 1,5 л водного раствора при комнатной температуре (модуль 150), рН 3, содержащего 1,5 ммоль/л ионов никеля. Через 20 мин раствор отфильтровывают и в фильтрате определяют содержание ионов Ni(II). Концентрация ионов никеля в растворе после контактирования с сорбентом составила 0,300 ммоль/л (степень извлечения 80,0%).

Пример 3

10 г короткого льняного волокна погружают в стакан со 100 мл водного раствора (модуль 10), содержащего 0,3 г полиакриловой кислоты (3% от массы сорбента) и 0,01 г нанотрубок (0,1% от массы сорбента), и подвергают воздействию ультразвуком рабочей частотой 22 кГц при комнатной температуре в течение 10 мин. Затем в стакан добавляют 1,7 г акриловой кислоты (17% от массы сорбента) и 0,17 г инициатора - персульфата аммония (1,7% от массы сорбента) и выдерживают при температуре 70°С при перемешивании в течение 80 мин. Затем сорбент вынимают из стакана, промывают, отжимают и высушивают до влажности 12%.

Обработанный сорбент заливают 2 л водного раствора при комнатной температуре (модуль 200), рН 6, содержащего 1,5 ммоль/л ионов цинка. Через 5 мин раствор отфильтровывают и в фильтрате определяют содержание ионов Zn(II). Концентрация ионов цинка в растворе после контактирования с сорбентом составила 0,301 ммоль/л (степень извлечения 79,9%).

Пример 4

10 г древесной целлюлозы погружают в стакан со 100 мл водного раствора (модуль 10), содержащего 0,9 г полиакриловой с кислоты (9% от массы сорбента) и 0,08 г нанотрубок (0,8% от массы сорбента), и подвергают воздействию ультразвуком рабочей частотой 44 кГц при комнатной температуре в течение 4 мин. Затем в стакан добавляют 2,5 г акриловой кислоты (25% от массы сорбента) и 0,25 г инициатора - персульфата аммония (2,5% от массы сорбента) и выдерживают при температуре 90°С при перемешивании в течение 30 мин. Затем сорбент вынимают из стакана, промывают, отжимают и высушивают до влажности 10%.

Обработанный сорбент заливают 1 л водного раствора при комнатной температуре (модуль 100), рН 7, содержащего 1,5 ммоль/л ионов кадмия. Через 10 мин раствор отфильтровывают и в фильтрате определяют содержание ионов Cd(II). Концентрация ионов кадмия в растворе после контактирования с сорбентом составила 0,294 ммоль/л (степень извлечения ионов Cd(II) 80,4%).

Пример 5

10 г измельченных стеблей топинамбура погружают в стакан со 100 мл водного раствора (модуль 10), содержащего 0,7 г полиакриловой кислоты (7% от массы сорбента) и 0,06 г нанотрубок (0,6% от массы сорбента), и подвергают воздействию ультразвуком рабочей частотой 44 кГц при комнатной температуре в течение 6 мин. Затем в стакан добавляют 2,3 г акриловой кислоты (23% от массы сорбента) и 0,23 г инициатора - персульфата аммония (2,3% от массы сорбента) и выдерживают при температуре 85°С при перемешивании в течение 40 мин. Затем сорбент вынимают из стакана, промывают, отжимают и высушивают до влажности 8%.

Обработанный сорбент заливают 0,75 л водного раствора при комнатной температуре (модуль 75), рН 6, содержащего 1,5 ммоль/л ионов меди, никеля, цинка и кадмия в соотношении 1:1:1:1. Через 15 мин раствор отфильтровывают и в фильтрате определяют содержание ионов металлов. Концентрация ионов Cu(II), Ni(II), Zn(II) и Cd(II) в растворе после контактирования с сорбентом составила 0,325; 0,339; 0,333 и 0,402 ммоль/л соответственно (степень извлечения 78,3; 77,4; 77,8 и 73,2%).

Результаты опытов в сравнении с прототипом представлены в таблице.

Из приведенных в таблице данных следует, что предлагаемый способ позволяет достичь заявленного технического результата, а именно повысить степень извлечения ионов тяжелых металлов на 2-5% и снизить температуру обработки сорбентов с 150-200°С до 60-90°С.

Способ извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов, заключающийся в контактировании их при комнатной температуре в течение 1-20 мин с модифицированными полимерными сорбентами на основе целлюлозы при модуле раствор/сорбент, равном 50-200, отличающийся тем, что модифицирование сорбентов осуществляют нанесением на них углеродных нанотрубок при ультразвуковом воздействии рабочей частотой 22 или 44 кГц при комнатной температуре в течение 2-10 мин в водном растворе, содержащем 3-12% полиакриловой кислоты и 0,1-1% нанотрубок от массы сорбента при модуле раствор/сорбент 10, с последующей обработкой сорбентов в растворе акриловой кислоты в присутствии инициатора при температуре 60-90°С при перемешивании в течение 30-90 мин, причем обработку сорбентов с нанесенными углеродными нанотрубками осуществляют в растворе с содержанием акриловой кислоты 15-25% и инициатора персульфата аммония 1,5-2,5% от массы сорбента при модуле раствор/сорбент 10 с последующей промывкой, отжимом и высушиванием до влажности 8-14%.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к опреснению соленой воды, в том числе морской или минерализованной воды дистилляцией, и может быть использовано для локального водоснабжения пресной водой.

Изобретение предназначено для фильтрации. Фильтрационное устройство содержит по меньшей мере один картридж, содержащий зону обработки, заполненную по меньшей мере одной фильтрующей средой.

Изобретение относится к способам очистки воды от растворенных органических веществ и может быть использовано для очистки природных и сточных вод. Способ включает предварительное полное газонасыщение обрабатываемой воды газами-окислителями и каталитическое окисление компонентов водного раствора в мембранном реакторе.

Изобретение относится к очистке воды от сульфидов и углеродсодержащему сорбенту на основе растительного сырья. Углеродсодержащий сорбент для очистки вод от сульфидов имеет микропористую структуру со средним диаметром пор около 2 нм, рентгеноаморфное состояние и выполнен в виде пучков волокон с диаметром 50-100 мкм при диаметре отдельного волокна около 1,5 мкм.

Изобретение относится к области термодинамики многофазных систем и может быть использовано для получения микродисперсных систем. Растворенные в воде газы в соответствии с законом Генри выделяются из нее при прохождении через отверстия в перегородке в виде пузырьков размером от 5 мкм и более.

Изобретение относится к водоочистке. Проводят биологическую очистку сточных вод в установке, содержащей приемную камеру 1, аэротенк 11 и емкость 15, выполняющую функцию аэробного стабилизатора ила.

Изобретение предназначено для фильтрования. Картридж для очистки воды, располагаемый между резервуаром для исходной воды и резервуаром для очищенной воды водоочистителя, имеет контейнер для размещения адсорбента и мембраны из полых волокон для фильтрования исходной воды и содержит секцию адсорбера, в которой расположен адсорбент, и которая имеет предусмотренную внутри нее секцию водосборника, через которую протекает вода, профильтрованная адсорбентом, причем секция водосборника имеет цилиндрическую форму и сформирована вертикально таким образом, что проходит через секцию адсорбера; секцию мембраны из полых волокон, в которой размещена мембрана из полых волокон, и которая расположена на выпускной стороне секции адсорбера и секции водосборника; и отверстие для выпуска воздуха, расположенное на верхней стороне контейнера и соединенное с пространством в секции водосборника.

Изобретение относится к группе новых экстрагентов для извлечения азотной кислоты из водных растворов, в том числе из сточных вод, которые могут быть использованы для жидкостной экстракции азотной кислоты и разделения соляной и азотной кислот.

Изобретение относится к оборудованию для подготовки попутно добываемой пластовой воды в системе сбора нефти, газа и воды. Установка включает трубопровод 3 подачи добываемой газо-жидкостной смеси (ГЖС) в блок сепарации ГЖС 1, трубопровод отвода ГЖС 10 из блока сепарации ГЖС 1, блок подготовки воды 2, оснащенный фильтром 6 для очистки от механических примесей, трубопровод отвода воды 5.

Изобретение относится к смесительному устройству для водоочистных сооружений с открытым каналом. Устройство содержит основание (2) в виде пластины или полосы для крепления к стенке канала таким образом, чтобы во время эксплуатации нижняя поверхность (6) этой основной части была обращена к стенке канала, а верхняя поверхность (5) - от стенки канала.

Изобретение относится к области нанотехнологии, в частности к растениеводству, и может быть использовано для получения нанокапсул кинетина. Способ характеризуется тем, что в качестве оболочки нанокапсул используют альгинат натрия при массовом соотношении ядро:оболочка, составляющем 1:1, или 1:3, или 5:1.

Использование: для оценки состава двухкомпонентных твердых растворов в нанодисперсных материалах, включающих, в частности, наноразмерные частицы: Pt-Ru, Pt-Rh, Fe-Co, Pd-Ru, Pd-Rh, Pd-H, Hf-O.
Изобретение относится к клеевым композициям на основе каучука, используемым в текстильной промышленности. Клеевая композиция включает дихлорметан, синтетический каучук, натуральную резину, синтетическую резину.

Изобретение относится к устройствам дифракционных периодических микроструктур для видимого диапазона, выполненным на основе пористого кремния. Техническим результатом изобретения является создание дифракционной периодической микроструктуры на основе пористого кремния с различными металлосодержащими наночастицами.

Изобретение относится к области электротехники и нанотехнологии, в частности к нанокомпозитному материалу на основе меди (Cu) для производства силовых разрывных электрических контактов в переключателях мощных электрических сетей и вакуумных дугогасительных камерах и способу его получения.

Группа изобретений относится к медицине. Описаны медицинский материал и устройство для очистки крови.

Изобретение относится к области нанотехнологии, в частности к способу получения нанокапсул, и описывает способ получения нанокапсул креатина, характеризующийся тем, что в качестве оболочки используется геллановая камедь, а в качестве ядра используется креатин, при осуществлении способа креатин диспергируют в суспензию геллановой камеди в гексане в присутствии поверхностно-активного вещества е472с, при этом массовое соотношение ядро:оболочка при пересчете на сухое вещество составляет 1:1 или 1:3, затем при перемешивании приливают этилацетат, полученную суспензию отфильтровывают и сушат при комнатной температуре.

Изобретение относится к способу получения нанокапсул лекарственных растений, обладающих спазмолитическим действием, характеризующемуся тем, что в качестве оболочки используется альгинат натрия, а в качестве ядра используются лекарственные растения, обладающие спазмолитическим действием.

Изобретение направлено на усиление и увеличение продолжительности лечебного воздействия биологически активных веществ на кожный покров пациента в области пораженных зон при лечении пролежней и ожогов.

Изобретение относится к полимерным нанокомпозициям, предназначенным для получения пленочных материалов, защищающих от УФ-излучения и фотохимического старения. Композиция содержит полиолефин или сополимер олефина и УФ-абсорбер.

Изобретение относится к сорбентам для высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), в частности к получению химически модифицированных сорбентов. Предложен сорбент на основе силикагеля с привитым через спейсер гибридным хиральным селектором.
Наверх