Способ модифицирования сорбентов на основе целлюлозы для извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов

Изобретение относится к извлечению ионов тяжелых металлов сорбцией. Предложен способ модифицирования сорбента, используемого для извлечения ионов тяжелых металлов. Осуществляют двухстадийную модификацию исходного сорбента, выбранного из хлопковой или древесной целлюлозы, короткого льняного волокна, древесных опилок или стеблей топинамбура. На первой стадии проводят обработку исходного сорбента раствором окислителя, выбранного из метаперйодата натрия, йодной кислоты или гипохлорита натрия, под действием микроволнового облучения. На второй стадии осуществляют обработку раствором 3-10% сульфаниловой кислоты. После каждой стадии обработки продукт промывают водой. Техническим результатом изобретения является упрощение способа получения сорбента при повышении степени извлечения ионов тяжелых металлов модифицированным сорбентом. 1 табл., 5 пр.

 

Изобретение относится к способам модифицирования природных целлюлозосодержащих сорбентов, предназначенных для извлечения ионов тяжелых металлов сорбцией 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 модифицирования сорбентов для 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°C, 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 Российская Федерация, МПК В01J 20/24. Способ извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов / Никифорова Т.Е., Багровская Н.А., Лилин С.А., Козлов В.А.; заявитель и патентообладатель Иван. гос. хим-тех. ун-т, ИХР РАН. - №2004102130/15; заявл. 26.01.04; опубл. 20.08.05, Бюл. №23. - 5 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 B1 mix представляет собой опытный образец, разработанный путем генной инженерии на кафедре энзимологии МГУ.

Известен способ модифицирования сорбентов для 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°C, а контактирование модифицированных сорбентов с водными растворами проводят при pH раствора 3-7 [Пат. 2495830 Российская Федерация, МПК С02F 1/62, В01J 20/24. Способ извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов / Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Ефимов Н.А.; заявитель и патентообладатель Иван. гос. хим-тех. ун-т. - №2012117931/05; заявл. 28.04.12; опубл. 20.10.13, Бюл. №29. - 7 с.].

Однако этот способ предполагает проведение процесса модифицирования сорбентов при сравнительно высоких температурах (150-200°C).

Известен способ модифицирования сорбентов для извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов путем контактирования их при комнатной температуре с модифицированными полимерными сорбентами на основе целлюлозы при модуле раствор/сорбент, равном 50-200, в котором модифицирование сорбентов осуществляют путем их взаимодействия с окислителем при микроволновом облучении мощностью 300 Вт с частотой 2,45 ГГц и температуре 25-70°C в течение 5-15 мин с последующей промывкой водой и обработкой бисульфитом натрия, при этом контактирование модифицированного сорбента проводят в течение 1-20 мин.

Взаимодействие сорбентов с окислителем осуществляют в растворе с концентрацией 0,1-0,3 М при pH 2,5-4,5, а обработку бисульфитом натрия осуществляют в растворе с концентрацией 0,5-5% при pH 2-4,5 в течение 0,5-1 ч при комнатной температуре. При этом в качестве окислителя используют метаперйодат натрия, йодную кислоту или гипохлорит натрия, а в качестве полимерных сорбентов используют хлопковую или древесную целлюлозу, короткое льняное волокно или древесные опилки [Пат. 2438995 Российская Федерация, МПК7 C02F 1/62, 1/28, 101/20, B01J 20/24. Способ извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов / Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Титаренко Н.А., Зимин Д.М.; заявитель и патентообладатель Иван. гос. хим-тех. ун-т. - №201024986/05; заявл. 17.06.10; опубл. 10.01.12, Бюл. №1].

Однако модифицированные таким способом сорбенты обладают недостаточно высокой способностью извлекать ионы тяжелых металлов из водных растворов с pH<5.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, то есть прототипом, является способ модифицирования сорбентов на основе целлюлозы, предназначенных для извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов, путем обработки их модифицирующими агентами, в котором модифицирование осуществляют путем их последовательной обработки растворами окислителя, гидрохлорида гидроксиламина, перекиси водорода и гидроксида натрия с промывкой водой после каждой стадии, причем взаимодействие сорбентов с окислителем осуществляют при микроволновом облучении мощностью 300 Вт с частотой 2,45 ГГц и температуре 25-55°C в течение 5-15 мин в растворе с концентрацией 0,1-0,3 М при pH 2,5-4,5, и модуле раствор/сорбент 15-50; обработку гидрохлоридом гидроксиламина проводят его 0,3-1 М водным раствором при pH 3-5, модуле раствор/сорбент 15-50, в течение 40-60 мин при комнатной температуре; окисление перекисью водорода осуществляют ее 30%-ным раствором при pH 5-7 в течение 30-60 мин при комнатной температуре, модуле раствор/сорбент 15-50, а обработку раствором гидроксида натрия выполняют при pH 8-9 в течение 5 мин при комнатной температуре, при этом контактирование модифицированного сорбента проводят в течение 1-20 мин, а в качестве окислителя используют метаперйодат натрия, йодную кислоту или гипохлорит натрия, а в качестве сорбентов используют хлопковую или древесную целлюлозу, короткое льняное волокно или древесные опилки [Пат. 2471721 Российская Федерация, МПК C02F 1/62, 1/28, 101/20, B01J 20/24. Способ модифицирования сорбентов на основе целлюлозы / Никифорова Т.Е., Козлов В.А.; заявитель и патентообладатель Иван. гос. хим-тех. ун-т. - №2011127574/05; заявл. 05.07.11; опубл. 10.01.13, Бюл. №1].

Недостатками прототипа являются:

- недостаточно высокая степень извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов (с концентрацией ионов металлов 1,5 ммоль/л);

- большое число операций на второй стадии обработки (модифицирования) сорбентов (3).

Техническим результатом изобретения является повышение степени извлечения ионов тяжелых металлов и уменьшение числа операций на второй стадии обработки (модифицирования) сорбентов.

Указанный результат достигается тем, что в способе модифицирования сорбентов на основе целлюлозы для извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов, заключающемся в двухстадийной обработке модифицирующими агентами с последующей промывкой водой после каждой стадии, высушивании и контактировании модифицированного сорбента в течение 1-20 мин при модуле раствор/сорбент, равном 50-200, при этом на первой стадии проводят обработку сорбентов раствором окислителя с концентрацией 0,1-0,3 М при pH 2,5-4,5 и модуле раствор/сорбент 15-50 при микроволновом облучении мощностью 300 Вт с частотой 2,45 ГГц и температуре 25-55°C в течение 5-15 мин, а в качестве окислителя используют метаперйодат натрия, йодную кислоту или гипохлорит натрия, а в качестве полимерных сорбентов используют хлопковую или древесную целлюлозу, короткое льняное волокно или древесные опилки, согласно изобретению на второй стадии проводят обработку сорбентов раствором сульфаниловой кислоты с концентрацией 3-10% при pH 8-10 и модуле раствор/сорбент 15-50 при комнатной температуре в течение 30-60 мин, а в качестве сорбента также используют стебли топинамбура.

Для осуществления заявляемого изобретения используют следующие реагенты:

- йодная кислота - HIO4 [ТУ 6-09-02-87-74];

- метаперйодат натрия - NaIO4 [ТУ 6-09-02-54-74];

- гипохлорит натрия - NaOCl [ГОСТ 11086-76. Гипохлорит натрия. Технические условия];

- натрия гидроксид NaOH [ГОСТ 2263-79. Натр едкий технический. Технические условия]

- сульфаниловая кислота - C6H7NO3S [ГОСТ 5821-78. Технические условия].

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 заливают 200 мл 0,3 М водного раствора йодной кислоты (модуль 20) при pH 3,5 и подвергают микроволновому облучению мощностью 300 Вт при частоте 2,45 ГГц и температуре 30°C в течение 10 мин, затем массу промывают дистиллированной водой для удаления непрореагировавших реагентов и побочных продуктов, на второй стадии заливают 150 мл 5% раствора сульфаниловой кислоты (модуль 15), который доводят раствором NaOH до pH 9 и обрабатывают при комнатной температуре в течение 60 мин, после чего вновь промывают дистиллированной водой для удаления избытка сульфаниловой кислоты и высушивают.

Обработанный сорбент заливают 0,5 л водного раствора при комнатной температуре (модуль 50), содержащего 1,5 ммоль/л ионов меди. Через 15 мин раствор отфильтровывают и в фильтрате определяют содержание ионов Cu(II). Концентрация ионов меди в растворе после контактирования с сорбентом составила 0,3045 ммоль/л (степень извлечения 79,7%).

Пример 2.

10 г хлопковой целлюлозы заливают 400 мл 0,2М водного раствора метаперйодата натрия (модуль 40) при pH 2,5 и подвергают микроволновому облучению мощностью 300 Вт при частоте 2,45 ГГц и температуре 25°C в течение 15 мин, затем массу промывают дистиллированной водой для удаления непрореагировавших реагентов и побочных продуктов, заливают 500 мл 3% раствора сульфаниловой кислоты (модуль 50), который доводят раствором NaOH до pH 8,5 и обрабатывают при комнатной температуре в течение 40 мин, после чего вновь промывают дистиллированной водой для удаления избытка сульфаниловой кислоты и высушивают.

Обработанный сорбент заливают 1,5 л водного раствора при комнатной температуре (модуль 150), содержащего 1,5 ммоль/л ионов никеля. Через 1 мин раствор отфильтровывают и в фильтрате определяют содержание ионов Ni(II). Концентрация ионов никеля в растворе после контактирования с сорбентом составила 0,3465 ммоль/л (степень извлечения 76,9%).

Пример 3.

10 г короткого льняного волокна заливают 150 мл 0,1М водного раствора метаперйодата натрия (модуль 15) при pH 4,5 и подвергают микроволновому облучению мощностью 300 Вт при частоте 2,45 ГГц и температуре 55°C в течение 5 мин, затем массу промывают дистиллированной водой для удаления непрореагировавших реагентов и побочных продуктов, заливают 300 мл 7% раствора сульфаниловой кислоты (модуль 30), который доводят раствором NaOH до pH 10 и обрабатывают при комнатной температуре в течение 50 мин, после чего вновь промывают дистиллированной водой для удаления избытка сульфаниловой кислоты и высушивают.

Обработанный сорбент заливают 2 л водного раствора при комнатной температуре (модуль 200), содержащего 1,5 ммоль/л ионов цинка. Через 10 мин раствор отфильтровывают и в фильтрате определяют содержание ионов Zn(II). Концентрация ионов цинка в растворе после контактирования с сорбентом составила 0,354 ммоль/л (степень извлечения 76,4%).

Пример 4.

10 г древесной целлюлозы заливают 250 мл 0,15М водного раствора гипохлорита натрия (модуль 25) при pH 4,5 и подвергают микроволновому облучению мощностью 300 Вт при частоте 2,45 ГГц и температуре 35°C в течение 5 мин, затем массу промывают дистиллированной водой для удаления непрореагировавших реагентов и побочных продуктов, заливают 200 мл 10% раствора сульфаниловой кислоты (модуль 20), который доводят раствором NaOH до pH 8 и обрабатывают при комнатной температуре в течение 35 мин, после чего вновь промывают дистиллированной водой для удаления избытка сульфаниловой кислоты и высушивают.

Обработанный сорбент заливают 1 л водного раствора при комнатной температуре (модуль 100), содержащего 1,5 ммоль/л ионов кадмия. Через 20 мин раствор отфильтровывают и в фильтрате определяют содержание ионов Cd(II). Концентрация ионов кадмия в растворе после контактирования с сорбентом составила 0,3525 ммоль/л (степень извлечения ионов Cd(II) 76,5%).

Пример 5.

10 г измельченных стеблей топинамбура заливают 500 мл 0,25 М водного раствора метаперйодата натрия (модуль 50) при pH 3,5 и подвергают микроволновому облучению мощностью 300 Вт при частоте 2,45 ГГц и температуре 45°C в течение 10 мин, затем массу промывают дистиллированной водой для удаления непрореагировавших реагентов и побочных продуктов, заливают 400 мл 8% раствора сульфаниловой кислоты (модуль 40), который доводят раствором NaOH до pH 9,5 и обрабатывают при комнатной температуре в течение 30 мин, после чего вновь промывают дистиллированной водой для удаления избытка сульфаниловой кислоты и высушивают.

Обработанный сорбент заливают 0,5 л водного раствора при комнатной температуре (модуль 50), содержащего 1,5 ммоль/л ионов меди, никеля, цинка и кадмия в соотношении 1:1:1:1. Через 20 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 0,342; 0,3735; 0,378 и 0,357 ммоль/л соответственно (степень извлечения 77,2; 75,1; 74,8 и 76,2%).

Результаты исследований по извлечению ионов тяжелых металлов из растворов, в которых концентрация ионов тяжелых металлов составляет 1,5 ммоль/л, по прототипу и по заявляемому изобретению представлены в таблице.

Таким образом, из приведенных в таблице данных следует, что предлагаемый способ позволяет решить поставленную задачу, а именно повысить степень извлечения ионов тяжелых металлов из растворов (с концентрацией ионов металлов 1,5 ммоль/л) на 2-5% и сократить число операций на второй стадии процесса обработки сорбентов с трех до одной.

Способ модифицирования сорбента, используемого для извлечения ионов тяжелых металлов, предусматривающий двухстадийную обработку исходного сорбента, выбранного из хлопковой или древесной целлюлозы, короткого льняного волокна, древесных опилок или стеблей топинамбура, модифицирующими агентами, при этом на первой стадии обработку осуществляют раствором окислителя, выбранного из метаперйодата натрия, йодной кислоты или гипохлорита натрия, при концентрации окислителя 0,1-0,3 М, при рН раствора 2,5-4,5, при модуле раствор/сорбент 15-50, под действием микроволнового облучения мощностью 300 Вт с частотой 2,45 ГГц при температуре 25-55°C в течение 5-15 минут, а на второй стадии обработку осуществляют раствором 3-10% сульфаниловой кислоты при рН раствора 8-10, при модуле раствор/сорбент 15-50 при комнатной температуре в течение 30-60 минут, причём после каждой стадии обработки модифицирующим агентом продукт промывают водой.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии получения пористых мембран на основе диоксида циркония, которые могут быть использованы в качестве фильтров для очистки и разделения жидкостей и газов, носителей катализаторов в различных химических процессах.

Группа изобретений относится к продуктам для регулирования влажности в замкнутой среде. Заявленная композиция выполнена в гелеобразной форме и содержит хлорид магния, целлюлозу, выбранную из гидроксипропилметилцеллюлозы и метилгидроксиэтилцеллюлозы, и воду.

Изобретение относится к охране окружающей среды. Предложен сорбент для очистки сточных вод от меди.

Изобретение относится к сепарационным материалам, которые могут быть использованы в ионной хроматографии в качестве сорбентов для определения органических и неорганических анионов, а также в режиме гидрофильной хроматографии для определения полярных биологически активных соединений.

Изобретение относится к многослойным материалам для применения в области легкой промышленности и сельского хозяйства и касается универсального многослойного материала, формирующего систему гибких распределительных каналов для отбора, фильтрации, распределения и отвода текучих сред.

Изобретение относится к сорбентам для газовой хроматографии. Предложенный сорбент состоит из твердого носителя и медного комплекса в качестве стационарной фазы.

Изобретение относится к изготовлению неиспаряемого геттера. Формируют слои материала из первого порошка титан-ванадий, имеющего среднеарифметический размер гранул не более 70 мкм, и второго порошка – из смеси первого порошка титан-ванадий и интеркалированного углерода.

Изобретение относится к способу очистки вредных техногенных газовых выбросов в атмосферу от различных загрязнителей и может быть использовано для нейтрализации токсичных вредных продуктов при очистке промышленных выбросов, продуктов сжигания промышленных и бытовых отходов, а также выхлопных газов бензиновых и дизельных двигателей.

Изобретение относится к способам получения сорбентов на основе растительного сырья и может быть использовано в фармацевтической и пищевой промышленности. Способ получения лигноцеллюлозного сорбента включает измельчение плодовых оболочек подсолнечника до размера частиц 0,160-0,500 мм, обработку 1%-ным раствором гидроксида натрия при комнатной температуре в течение 60 мин, промывку водой, нейтрализацию и сушку при t=105°С.

Изобретение относится к области сорбционных материалов. Предложено применение регулярных мультимолекулярных структур - пленок Ленгмюра-Блоджетт на основе стеаратов трехвалентных металлов, содержащих лабильную ковалентную связь, в качестве сорбентов для металл-аффинной хроматографии водорастворимых органических и биоорганических соединений.

Группа изобретений относится к продуктам для регулирования влажности в замкнутой среде. Заявленная композиция выполнена в гелеобразной форме и содержит хлорид магния, целлюлозу, выбранную из гидроксипропилметилцеллюлозы и метилгидроксиэтилцеллюлозы, и воду.

Группа изобретений относится к продуктам для регулирования влажности в замкнутой среде. Заявленная композиция выполнена в гелеобразной форме и содержит хлорид магния, целлюлозу, выбранную из гидроксипропилметилцеллюлозы и метилгидроксиэтилцеллюлозы, и воду.

Изобретение относится к охране окружающей среды. Предложен сорбент для очистки сточных вод от меди.

Изобретение относится к охране окружающей среды. Предложен сорбент для очистки сточных вод от меди.

Изобретение относится к способу получения полиметилметакрилата для его использования в аналитическом приборостроении, в частности в способах экстракционных процессов с применением раздельных сред.

Изобретение относится к области получения неорганических сорбентов. Предложенный способ включает алкоксилирование тетрахлорида циркония избытком изопропилового спирта в дибутиловом эфире при нагревании, с последующим последовательным алкоксилированием тетрахлорида титана изопропиловым спиртом в среде алкосипроизводных тетрахлорида циркония при нагревании, с последующим взаимодействием полученных смешанных алкосипроизводных циркония и титана с тетраэтоксисиланом.

Изобретение относится к способу получения регенерируемого поглотителя диоксида углерода на основе гидроксида циркония. Способ включает смешение карбоната циркония и оксида цинка при возможном добавлении в смесь карбоната аммония.

Изобретение относится к области сорбентов. Сорбирующий гранулят состоит из структурно агломерированных пористых гранул и предназначен для абсорбции вредных газов, предпочтительно SOx, и/или HCl, и/или HF, из газов, отходящих из термических процессов.

Изобретение относится к способу получения пористых координационных полимеров структуры MOF-177. Способ включает смешение соли - ацетата цинка и 1,3,5-трифенилбензол-p,p',p''-трикарбоновой кислоты, взятых в массовом соотношении 2,5-4,5:1, в присутствии растворителя, в количестве, достаточном для полного растворения реагентов, последующее нагреванием полученной реакционной смеси под воздействием СВЧ-излучения и выделение целевого продукта.
Изобретение относится к области сорбционной очистки вод. Предложен сорбент для очистки водных сред от мышьяка.

Изобретение относится к технологии производства сорбентов для очистки водной среды от нефти и нефтепродуктов. Волокнистый целлюлозный материал подвергают предварительной вакуумной дегазации и обезвоживанию и пропитывают в вакууме подготовленным раствором тетрахлорэтилена с 0,4-0,5 мас.% содержанием окисленного атактического полипропилена.

Изобретение относится к извлечению ионов тяжелых металлов сорбцией. Предложен способ модифицирования сорбента, используемого для извлечения ионов тяжелых металлов. Осуществляют двухстадийную модификацию исходного сорбента, выбранного из хлопковой или древесной целлюлозы, короткого льняного волокна, древесных опилок или стеблей топинамбура. На первой стадии проводят обработку исходного сорбента раствором окислителя, выбранного из метаперйодата натрия, йодной кислоты или гипохлорита натрия, под действием микроволнового облучения. На второй стадии осуществляют обработку раствором 3-10 сульфаниловой кислоты. После каждой стадии обработки продукт промывают водой. Техническим результатом изобретения является упрощение способа получения сорбента при повышении степени извлечения ионов тяжелых металлов модифицированным сорбентом. 1 табл., 5 пр.

Наверх