Пористый магнитный сорбент

Изобретение относится к сорбентам и может быть использовано для очистки от углеводородных загрязнений поверхности воды и почвы. Сорбент содержит пористый синтетический моносиликат кальция со структурой ксонотлита, гидрофобизированный добавкой силан-силоксановой микроэмульсии, и синтезированную в объеме моносиликата кальция наноразмерную магнитную фазу окислов железа, состоящую на 1/3 из вюстита и на 2/3 из маггемита. Технический результат заключается в получении магнитомягкого эффективного сорбционного материала, обладающего высокой плавучестью. 1 пр.

 

Изобретение относится к пористым сорбентам с магнитными свойствами и может быть использовано для сбора (удаления) нефти, масел, мазута, топлив и других углеводородных загрязнений с поверхности воды и почвы.

Известен описанный в патенте RU 2096079, опубл. 1997.11.20, пористый сорбент с магнитными свойствами для сбора разлитой нефти, содержащий гидрофобное полимерное связующее в виде гранул вспененного полистирола, эпоксидную смолу с отвердителем, порошкообразную черную сажу и феррит стронция. Согласно приведенным данным этот сорбент имеет водостойкость, равную 100%, хорошие магнитные характеристики и может быть легко регенерирован для повторного использования. Однако известный сорбент имеет высокую плотность, что снижает его плавучесть, а данных по его пористости и сорбционной емкости не приводится.

Известен пористый магнитный сорбент, описанный как обладающий повышенной плавучестью, механической прочностью, атмосферостойкостью, высокой поглощающей способностью по отношению к нефтепродуктам и нефти, хорошими магнитными характеристиками (RU 2241537, опубл. 2004.12.10), полученный на основе пористой полимерной матрицы из сшитого или сверхсшитого (со)полимера со степенью сшивки не менее 60%, удельной поверхностью 800-1900 м2/г и содержанием открытых пор 60-100% от суммарного объема пор, с использованием магнитного наполнителя с размером частиц от 1 нм до 10 мкм. Однако для сшивки и вспенивания полимерной матрицы известного сорбента, а также при введении в нее магнитного наполнителя используют опасные для здоровья человека и окружающей среды органические вещества (химические сшивающие агенты, растворители, газообразователи), при этом образуются токсичные и экологически неприемлемые отходы, что наряду с использованием достаточно жесткого β-, γ- и ультрафиолетового облучения, термической обработки (температура вспенивания 180-250°C) делает производство известного сорбента не только сложным, но и вредным для здоровья и экологически небезопасным.

В качестве наиболее близкого к заявляемому выбран пористый магнитный сорбент для удаления нефти и нефтепродуктов с поверхности воды и почвы (RU 2226126, опубл. 2004.03.27), включающий гидрофобное полимерное связующее в виде порошка или гранул, магнитный наполнитель с размером частиц от 1 нм до 10 мкм, минеральное масло и пористый алюмосиликатный наполнитель с размером частиц не более 100 мкм, модифицированный гидрофобизирующей кремнийорганической жидкостью в количестве 0,05-0,5 мас. % в расчете на наполнитель при определенном соотношении компонентов.

К недостаткам известного технического решения относятся относительно жесткие условия синтеза сорбционного материала с использованием термообработки полимеров до состояния расплава, причем процесс плавления полимеров начинается при температуре 270-280°C и происходит с выделением токсичных газообразных продуктов. Процесс вспенивания полимерного связующего, в частности с использованием химических газообразователей, также чреват образованием токсичных побочных продуктов. Таким образом, производство известного сорбента является вредным для здоровья, экологически небезопасным и требует использования больших количеств сравнительно дорогих и дефицитных, а также потенциально токсичных прекурсоров (минеральные масла, полимеры). Вдобавок в описании известного сорбента приведена величина его намагниченности, но не указано значение коэрцитивной силы Нс, которая характеризует объект как «магнитожесткий» (при значении Нс>4 эрстед) или «магнитомягкий» (при значении Нс≤4 эрстед). Коэрцитивная сила является для магнитного сорбента одной из важнейших характеристик, фактором, который, во-первых, определяет силу магнитного взаимодействия частиц друг с другом и их способность к агломерации: из-за сильного магнитного взаимодействия (слипания) частиц магнитожесткого материала затруднено его распространение по большой площади поверхности нефтяного пятна; а во-вторых, влияет на взаимодействие сорбента с извлекающими и сепарирующими устройствами, слипание с которыми препятствует выделению сорбированной нефти. Кроме того, известный сорбент содержит в своем составе 100 мас. ч. полимерного связующего в виде вспененного полимера, что и обусловливает его высокую сорбционную емкость по отношению к нефтепродуктам (35-60 г/г, как указано в описании). При этом известно, что взаимодействие извлекаемых нефтепродуктов с полимерными сорбентами, в частности с нефункционализированными, как в известном техническом решении, протекает по принципу физической адсорбции. Указанная величина нефтеемкости достигается только за счет максимального набухания сорбента, при котором он многократно увеличивается в объеме и весе, в результате теряет свое первоначальное устойчивое состояние и становится непрочным и хрупким, что снижает вероятность его последующего извлечения. Такой сорбент при его максимальном насыщении чрезвычайно сложно извлечь из очищаемого раствора - он будет очень тяжелым и, скорее всего, механически разрушится и утонет. При непрочной связи адсорбата с адсорбентом, в том числе, если нефтепродукты адсорбируются полислоями, происходит снижение качества очистки. Известный полимерный сорбент в принципе способен обеспечить только грубую очистку растворов от нефтепродуктов, так как глубокая очистка достигается за счет химического взаимодействия углеводородов с адсорбционными центрами активной основы сорбента, количество которых пропорционально его удельной поверхности, в то время как активной основой известного сорбента является алюмосиликатный наполнитель со сравнительно небольшой удельной поверхностью (10-11 м2/г).

Задачей изобретения является разработка пористого магнитного сорбента с высокими эксплуатационными свойствами при одновременном упрощении производства и повышении его экологической безопасности.

Техническим результатом изобретения и решением поставленной задачи является получение магнитомягкого (коэрцитивная сила Нc≤4 эрстед) сорбционного материала, легко распределяющегося по большой площади поверхности воды и предотвращающего опасность дальнейшего разлива нефтяного пятна, обеспечивающего высокую степень очистки и возможность эффективного сбора и извлечения сорбента с собранным нефтепродуктом методом магнитной сепарации и обладающего высокой плавучестью за счет оптимального соотношения нефтеемкости с его плотностью, при одновременном снижении энергозатрат, сокращении времени получения сорбционного материала за счет более мягких условий его синтеза (температура не более 90°C, время полного синтеза - не более 10 ч) с использованием дешевых, доступных, нетоксичных и экологически безопасных прекурсоров, а также при повышении общей экологической безопасности.

Указанный технический результат достигают пористым магнитным сорбентом, включающим гидрофобное связующее и магнитный наполнитель, в котором, в отличие от известного, в качестве гидрофобного связующего использован пористый синтетический моносиликат кальция со структурой ксонотлита, гидрофобизированный добавкой силан-силоксановой микроэмульсии, а в качестве магнитного наполнителя использована наноразмерная магнитная фаза, представленная окислами железа, при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:

моносиликат кальция 100
силан-силоксановая микроэмульсия 5-6
окислы железа 50-55

при этом состав окислов железа включает 1/3 вюстита и 2/3 маггемита.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Совокупность существенных признаков формулы изобретения обеспечивает решение задачи изобретения, при этом признаки отличительной части формулы изобретения вносят следующий вклад в решение поставленной задачи.

Высокопористый синтетический моносиликат кальция со структурой ксонотлита, гидрофобизированный с помощью силан-силоксановой микроэмульсии, является активной основой сорбента и обеспечивает глубокую очистку от нефтепродуктов, при этом он может быть синтезирован в мягких условиях из дешевых, доступных и экологически чистых прекурсоров без токсичных и экологически небезопасных побочных продуктов.

Использование в качестве магнитного наполнителя синтезированной в объеме моносиликата кальция наноразмерной магнитной фазы окислов железа, содержащей 1/3 вюстита и 2/3 маггемита, обеспечивает формирование магнитной фазы со свойствами магнитомягкого материала, оптимальными для сорбции и извлечения сорбированного нефтепродукта.

Технология получения предлагаемого пористого магнитного сорбента включает получение высокопористого гидрофобного связующего с формированием в его объеме магнитного наполнителя.

Сначала получают в виде гидрогеля синтетический силикат кальция с гидрофобной добавкой. Для этого смешивают равные объемы 5% силан-силоксановой микроэмульсии, 17% раствора хлорида кальция и 12% раствора силиката натрия. Для синтеза используют химически чистые хлорид кальция (CaCl2⋅2H2O) и силикат натрия (Na2SiO3⋅5H2O), при этом раствор хлорида кальция и раствор силиката натрия приливают в объем 5% силан-силоксановой микроэмульсии равными частями, в несколько приемов.

Пятипроцентный раствор силан-силоксановой микроэмульсии готовят предварительно, для чего силан-силоксановую микроэмульсию (BrilluxSilicon-916 с 50% содержанием твердой фазы полимера) производства BrilluxPolandSp. Z OO вводят в дистиллированную воду в соотношении 1:20 и в течение 30 минут ведут перемешивание при комнатной температуре.

Также предварительно осуществляют синтез магнитной фракции, для чего растворы FeCl2⋅4H2O и FeCl3⋅6H2O (10% массовой концентрации каждый) смешивают в отношении 2:1 при 35°C и при интенсивном перемешивании, после чего к полученной смеси добавляют в полуторном избытке 10% (по объему или по концентрации) раствор гидроксида аммония - только в этом случае возможно полное осаждение образующихся частиц магнетита:

2FeCl3+FeCl2⋅+8NH4OH→Fe3O4+8NH4Cl+4H2O

Как отмечено выше, эту реакцию проводят при соотношении растворов солей Fe3+/Fe2+=2/1 для того, чтобы получить магнетит требуемого состава (1/3 FeO - вюстит и 2/3 - Fe2O3 - маггемит).

Образующийся в результате реакции хлорид аммония удаляют из осадка многократной промывкой дистиллированной водой для предотвращения коагуляции частиц магнетита.

Далее осуществляют синтез целевого продукта, для чего в предварительно полученный гидрогель синтетического силиката кальция с гидрофобной добавкой вводят синтезированную, как описано выше, магнитную фракцию в соотношении гидрофобизированный силикат кальция к магнитной фракции 1:0,5.

Полученную реакционную смесь интенсивно перемешивают в течении 2 часов при кипении до образования стабильного гидратированного осадка в виде геля, который далее отделяют от водного раствора фильтрованием, промывают дистиллированной водой и высушивают при температуре не выше 90°C в атмосфере воздуха.

Готовый к использованию материал получают измельчением подсушенного геля на частицы крупностью до 2-5 мм (размер фракции варьируется в зависимости от решаемой задачи).

Пример конкретного осуществления изобретения

Синтез пористого магнитного сорбента осуществляют постадийно.

К 5 мл силан-силоксановой микроэмульсии, разбавленной в 100 мл дистиллированной воды, приливают 100 мл 17% раствора хлорида кальция (CaCl2⋅Н2О) и 100 мл 12% раствора силиката натрия (Na2SiO3⋅5H2O), порциями по 25 мл каждого и интенсивно перемешивают на магнитной мешалке при комнатной температуре с получением гидрофобного связующего на основе силиката кальция в структуре ксонотлита в форме гидрогеля.

Затем к 100 мл дистиллированной воды добавляют 3 г хлорида железа (FeCl3⋅6H2O) и 1.9 г (FeCl2⋅4H2O) и интенсивно перемешивают на магнитной мешалке при температуре 35°C, далее добавляют 100 мл 1 М раствора гидроксида аммония (NH4OH) с получением раствора магнитной фракции.

Целевой продукт получают, смешивая полученные количества гидрогеля и раствора магнитной фракции, интенсивно перемешивают при кипячении в течение 2 часов, затем отстаивают при комнатной температуре. Образующийся осадок отфильтровывают на бумажном фильтре «синяя лента», промывают дистиллированной водой и сушат на воздухе при температуре 90°C в течение 4 часов.

Результаты исследований характеристик и свойств полученного материала показали следующее.

1. Согласно данным рентгецофазового анализа, полученный композитный материал представляет собой низкоорганизованную рентгеноаморфную фазу моносиликата кальция со структурой ксонотлита. Также идентифицировано наличие наноразмерной магнитной фазы в виде оксидов железа (маггемита и вюстита).

2. Структурные исследования по методу БЭТ показали, что полученный сорбционный материал имеет структурную пористость микро- и наноразмерных пор, при этом величина удельной поверхности составляет 130 м2/г.

3. Степень гидрофобности сорбента оценивали методом сидящей капли, в результате расчетная величина угла смачивания составила 132,9°, что, согласно общеизвестной классификации, позволяет отнести полученный сорбент к высокогидрофобным.

4. Измерена плавучесть сорбента на поверхности воды, которая составила более 60 суток, в том числе сорбента в насыщенном нефтеуглеводородами состоянии, что классифицирует его как высокоплавучий.

5. Определение нефтеемкости сорбента проводили гравиметрическим методом по разности масс исходного и насыщенного нефтепродуктом адсорбента. Результаты эксперимента показали, что нефтеемкость в модельных системах нефтепродуктов составляет более 2 г нефтепродукта к 1 г сорбента.

6. Оценку сорбционной эффективности сорбента проводили путем измерения массовой концентрации нефтепродукта ИК-спектрофотометрическим методом в модельном растворе после его очистки. Установлено, что испытуемый сорбент высокоэффективен: максимальная степень очистки модельных растворов, содержащих нефтепродукты, достигает:

по дизельному топливу ~98%;

по маслу моторному марки М80В индустриального типа ~95%;

по мазуту марки «М-100» ~83%,

и зависит от времени контакта с сорбентом.

7. Магнитные характеристики полученного сорбционного материала исследованы на вибрационном магнитометре при Т=300 К, при этом показано, что величина намагниченности составляет около 4 эме/г, а коэрцитивная сила по индукции НC составляет не более 4 эрстед, что позволяет отнести полученный материал к магнитомягким системам (материалам, обладающим свойствами ферромагнетика или ферримагнетика).

Пористый магнитный сорбент, включающий гидрофобное связующее и магнитный наполнитель, отличающийся тем, что в качестве гидрофобного связующего содержит пористый синтетический моносиликат кальция со структурой ксонотлита, гидрофобизированный добавкой силан-силоксановой микроэмульсии, а в качестве магнитного наполнителя - синтезированную в объеме моносиликата кальция наноразмерную магнитную фазу, представленную окислами железа, при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:

моносиликат кальция 100
силан-силоксановая микроэмульсия 5-6
окислы железа 50-55

при этом состав окислов железа включает 1/3 вюстита и 2/3 маггемита.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области получения сорбционных материалов для извлечения ионов металлов. Способ получения сорбента включает подготовку носителя, его обработку при нагревании и перемешивании раствором краун-эфира в органическом растворителе.

Изобретение относится к способу получения модифицированного монтмориллонита. Способ получения органомодифицированного монтмориллонита с полифторалкильными группами включает обработку природного монтмориллонита смесью 1,1,3-тригидроперфторпропанола-1, 1,1,5-тригидроперфторпентанола-1 и 1,1,7-тригидроперфторгептанола-1 в н-гептане при 50°C, при следующем соотношении компонентов, масс.

Изобретение относится к области хроматографии. Анионообменный сорбент содержит матрицу с химически привитой напрямую или через спейсер третичной аминогруппой, содержащей полярные или заряженные заместители, и соединенную с ней с помощью спейсера четвертичную аммониевую функциональную группу, входящую в состав аминополимера или мономерного амина, при этом общая формула сорбента соответствует формуле 1: где R1 - либо отсутствует (R1=0), либо представляет собой спейсер;R2 - спейсер;Х- полярный или заряженный заместитель; - четвертичный атом азота, входящий в состав аминополимера или мономерного амина.Второй вариант сорбента содержит матрицу с химически привитой напрямую или через спейсер четвертичной аммониевой группой, содержащей полярные или заряженные заместители, и соединенные с ней с помощью разных или совпадающих спейсеров четвертичные аммониевые группы, входящие в состав по крайней мере одного аминополимера или мономерного амина, при этом общая формула сорбента соответствует формуле 2: где R1 - либо отсутствует (R1=0), либо представляет собой спейсер;R2, R3 - разные или совпадающие спейсеры;Х - полярный или заряженный заместитель; - четвертичные атомы азота, входящие в состав аминополимеров или мономерных аминов.Изобретение обеспечивает улучшенные эксплуатационные и хроматографические характеристики сорбентов.

Изобретение относится к области получения сорбентов, обладающих магнитными свойствами. Способ получения магнитного композиционного сорбента включает осаждение на поверхность древесного волокна, являющегося отходом производства МДФ плит, частиц магнетита.

Изобретение относится к утилизации и сбору биомассы цианобактерий в открытых и закрытых водоемах и в биореакторах. Предложен макропористый сорбент на основе гранул из сополимеров, которые содержат от двух до трех фрагментов, выбранных из следующих: глицидил метакрилат, аллил глицидиловый эфир, метил метакрилат, стирол, диметакрилат триэтиленгликоля, диметакрилат этиленгликоля, дивинилбензол.

Изобретение касается способа сорбционной очистки воды и водных растворов неорганических солей от эндотоксинов. Предложен сорбент, представляющий собой иммобилизованный на силикагеле металлофталоцианин, содержащий кватернизованные аминогруппы.

Изобретение относится к 1,2-бис-(1,5,3-дитиазепан-3-ил)этану формулы (1), обладающему сорбционной активностью по отношению к палладию(II) и серебру(I). Сущность способа заключается во взаимодействии смеси 1,2-этандитиола и формальдегида в воде с 1,2-этилендиамином при мольном соотношении HS(CH2)2SH:СН2O: NH2(CH2)2NH2=2:4:1, комнатной температуре (~20°C) и атмосферном давлении в течение 2-4 ч.

Изобретение относится к субстрату для иммобилизации функциональных групп, а также к способам приготовления данного субстрата и картриджу с сорбентом для использования в устройстве диализа.

Изобретение относится к технологии изготовления адсорбента диоксида углерода, предназначенного для использования в средствах защиты органов дыхания. Установка для получения адсорбента диоксида углерода содержит узел дозированной подачи полимерного раствора, содержащего гидроксиды щелочных или щелочноземельных металлов 1, узел подачи подложки из волокнистого материала 2, узел формования 3 и узел сушки 4.

Изобретение относится к получению сорбентов, используемых для разделения органических веществ методом газовой хроматографии. Способ включает формирование на поверхности пористого носителя слоя мезопористого оксида кремния.
Изобретение относится к способам получения титаносиликатов, используемых в качестве сорбентов с ионообменными и восстановительными свойствами, и может найти применение для концентрирования и выделения благородных металлов.
Изобретение относится к области очистки газов от органических и неорганических химических веществ и может быть использовано для очистки воздушной среды. Предложен новый композиционный сорбент для газовой среды, содержащий силикагель или гидролизный лигнин в качестве основы, при этом на поверхности частиц силикагеля и лигнина, и частично в макропорах, закреплены частицы ультрадисперсного политетрафторэтилена, образующиеся в процессе термодеструкции твердых отходов политетрафторэтилена методом исчерпывающего фторирования в присутствии катализатора трифторида кобальта.

Изобретение относится к области получения сорбционных материалов. Предлагается способ модифицирования природных сорбентов.

Изобретение относится к адсорбентам для улавливания, концентрирования и хранения сернистого газа. Адсорбент содержит носитель - мезопористый силикат МСМ-41 с удельной поверхностью около 1300 м2/г и активный компонент - карбонат натрия в количестве 20-30 вес.% от общей массы адсорбента.

Изобретение относится к адсорбентам для улавливания, концентрирования и хранения сероводорода. Адсорбент содержит носитель - мезопористый силикат МСМ-41 с удельной поверхностью около 1300 м2/г, на который нанесён гидроксид натрия.

Группа изобретений относится к сорбентам для восстановления нефтезагрязненных земель, ликвидации аварийных разливов нефти, утилизации отходов бурения. Предложен сорбент-активатор аборигенных почвенных нефтеокисляющих микроорганизмов, представляющий собой наноструктурированный углерод-кремнеземный композит.

Изобретение относится к способам получения микропористого диоксида кремния. Раствор жидкого стекла взаимодействует с раствором сернокислого алюминия с концентрацией 0,4-0,7 моль/дм3 и содержанием свободной серной кислоты 80-120 г/дм3.

Изобретение относится к способу бескислородного сочетания метана в олефины, в котором: метан в качестве исходного газа можно напрямую конвертировать в олефины и совместно получать ароматические соединения и водород; указанные катализаторы представляют собой катализаторы, в которых элементы-металлы легированы в каркас аморфных материалов в расплавленном состоянии, изготовленных из Si, связанного с одним или более атомами из С, N и О; количество легирующих металлов в легированном каркасе катализаторов составляет более чем 0,001 массового %, но менее чем 10 массовых % от общей массы катализатора.

Изобретение относится к получению сорбентов, используемых для разделения органических веществ методом газовой хроматографии. Способ включает формирование на поверхности пористого носителя слоя мезопористого оксида кремния.

Изобретение может быть использовано в металлургической и химической отраслях промышленности, применяющих соединения хрома (III) и меди (II), на предприятиях, имеющих травильные и гальванические цеха, в кожевенном производстве при хромовом дублении кож.

Изобретение относится к области диализа, используемого в медицине. Предложена сорбционная слоистая загрузка картриджей, используемых при регенерации или очистке диализных растворов.

Изобретение относится к сорбентам и может быть использовано для очистки от углеводородных загрязнений поверхности воды и почвы. Сорбент содержит пористый синтетический моносиликат кальция со структурой ксонотлита, гидрофобизированный добавкой силан-силоксановой микроэмульсии, и синтезированную в объеме моносиликата кальция наноразмерную магнитную фазу окислов железа, состоящую на 13 из вюстита и на 23 из маггемита. Технический результат заключается в получении магнитомягкого эффективного сорбционного материала, обладающего высокой плавучестью. 1 пр.

Наверх