Композитный гранулированный сорбент

Изобретение относится к области сорбционных технологий. Предложен композитный гранулированный сорбент для извлечения тяжелых металлов. Сорбент включает смесь, содержащую 50 мас.% глауконита, 25 мас.% вспученного вермикулита, 25 мас.% вспученного перлита, подвергнутых термообработке. Сорбент имеет величину удельной поверхности в пределах 19-20 м2/г. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности необратимой сорбции тяжелых металлов. 1 табл., 5 пр.

 

Изобретение относится к области сорбционных технологий извлечения тяжелых металлов из промышленных и поверхностных стоков и может найти применение на предприятиях горного производства, цветной металлургии, производства металлоизделий, а также может быть использовано для очистки территорий и водоемов, подвергшихся загрязнению тяжелыми металлами, относящимися к первому и второму классу опасности.

Известен способ получения гранулированного сорбента, включающий смешивание основы, например цеолит, с предварительно нагретой до 30-105°C основной солью алюминия в качестве связующего, формование массы, сушку и термообработку полученных гранул. Сорбенты, полученные в результате применения известного способа, обладают высокими параметрами насыпной и кажущейся плотности, а также имеют меньшую суммарную пористость (SU №494183, МПК B01J 1/22, опубл. 05.12.1975 г.).

Недостатком данного изобретения являются значительные энергозатраты, обусловленные, в основном, длительностью термической обработки гранул, что ведет к повышению стоимости конечного продукта.

Известны способы получения гранулированного глауконита с предварительным смешиванием с различными видами связующего. Так, например, известен способ получения гранулированного глауконита (варианты), согласно которому природный глауконит подсушивают, просеивают, удаляют примеси кварца, затем дробят, повторно просеивают с выделением фракции менее 40 мкм и вводят связующую добавку, в первом варианте - золь диоксида циркония, а во втором варианте - алюмофосфатный золь, после осуществления грануляции продукт высушивают, подвергают термообработке, охлаждают до 40-50°C и расфасовывают (см. патент РФ на изобретение №2348453, МПК B01J 20/12, B01J 20/30, опубл. 10.03.2009 г.).

Однако недостатком известного способа является необходимость применения связующего, что усложняет технологию получения глауконитовых гранул, способствует увеличению энергозатрат, что в свою очередь увеличивает стоимость сорбента, а также снижает его сорбционную емкость.

Известен способ сорбционного извлечения тория из грунта, природных и технологических вод, заключающийся в том, что извлечение тория ведут с помощью пористого композиционного материала, включающего вермикулит, активированный уголь, глауконит, декстрин при равном соотношении компонентов (RU №2166216, МПК G21F 09/12, опубл. 27.04.2001 г.).

Недостатком полученного данным способом композиционного материала является недостаточно высокая степень очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, таких как: железо, цинк, медь и др.

Известен также способ (взятый за прототип) сорбционного извлечения тория из грунта, природных и технологических вод, заключающийся в том, что извлечение тория ведут с помощью пористого композиционного материала, включающего вермикулит, активированный уголь, глауконит, декстрин и порошок перлитовый фильтровальный при равном соотношении компонентов (RU №2212068, МПК G21F 09/12, опубл. 10.09.2003 г.).

Недостатками указанного в прототипе композитного материала являются недостаточно высокая степень очистки от тяжелых металлов особенно от металлов, относящихся к первому классу опасности (например, кадмия). При изготовлении сорбентов не учитываются значения удельной поверхности, которые определяют эффективность и производительность технологии очистки сточных вод.

Технической задачей предложенного изобретения является повышение качества очистки сточных вод, в том числе сильнокислых, от тяжелых металлов за счет использования композитного гранулированного сорбента на основе алюмосиликатов, гидрослюд и вулканического стекла с оптимальной величиной удельной поверхности.

Техническая задача решается тем, что композитный гранулированный сорбент для очистки поверхностных сточных вод, включает глауконит, вермикулит и перлит, но, в отличие от прототипа, смесь содержит 50% глауконита, 25% вспученного вермикулита, 25% вспученного перлита и имеет форму гранул с величиной удельной поверхности в пределах от 19-20 м2/г.

Предлагаемый сорбент представляет собой термообработанную смесь в виде гранул из алюмосиликатов, гидрослюд и вулканического стекла. Сорбент содержит 50% глауконита, 25% вспученного вермикулита и 25% вспученного перлита, причем компоненты смеси выбраны исходя из их повышенной сорбционной способности по отношению к тяжелым металлам.

Смесь изготавливают в виде гранул с заданной удельной поверхностью. Удельная поверхность - это суммарная поверхность всех элементов материала, как правило, дисперсного или пористого, отнесенная к его массе или к объему материала.

Преимущества композитного сорбента обуславливаются технологией его изготовления (предысторией материалов для изготовления гранул).

Материалы, выбранные для изготовления композитного сорбента, относятся к веществам с развитой поверхностью и высокой открытой пористостью. Такая структура материала предполагает возможность поглощения катионов тяжелых металлов из водных растворов.

Вспученный вермикулит - минерал из группы гидрослюд, имеющих слоистую структуру. Представляет собой червеобразные столбики или нити золотистого или серебристого цвета с поперечным делением на тончайшие чешуйки. Химический состав вермикулита: (Mg+2, Fe+2, Fe+3)3 [(Al,Si)4O10]⋅(OH)2⋅4H2O. Нагретый до температуры 650-700°C, вермикулит увеличивается в объеме в 18-25 раз [В.А. Воробьев «Строительные материалы», Высшая школа М. 1962, стр. 374-376]. При вспучивании от нагревания вермикулит расщепляется на тончайшие пластинки, между которыми образуются воздушные прослойки.

Вспученный перлит - сыпучий, пористый, рыхлый, легкий материал. Способен впитать массу жидкости до 400% собственного веса. Биологически стоек: не подвержен разложению и гниению под действием микроорганизмов. Химически инертен: нейтрален к действию щелочей и слабых кислот, не токсичен, не содержит тяжелых металлов. Основные компоненты перлита: диоксид кремния SiO2 (65-75%), оксид алюминия AI2O3 (10-16%), оксид калия К2О (до 5%), оксид натрия Na2O (до 4%), оксид железа(III) Fe2O3 (от долей до 3%), оксид магния MgO (от долей до 1%), оксид кальция СаО (до 2%), вода H2O (2-6%).

Сырьем для получения вспученного перлита служит природный перлит, петрографической особенностью которого является способность раскалываться на шарообразные куски. В результате удаления воды при быстром нагреве объем исходного материала увеличивается в несколько раз. Иногда кратность вспучивания достигает 20 раз.

Глауконит - сложный калийсодержащий водный алюмосиликат, минерал из группы гидрослюд подкласса слоистых силикатов. Химический состав изменчивый: окись калия (К2О) 4,4-9,4%, окись натрия (Na2O) 0-3,5%, окись алюминия (Al2O3) 5,5-22,6%, окись железа (Fe2O3) 6,1-27,9%, закись железа (FeO) 0,8-8,6%, окись магния (MgO) 2,4-4,5%, двуокись кремния (SiO2) 47,6-52,9%, вода (H2O) 4,9-13,5%.

Встречается в рыхлых осадочных породах. Примесь глауконита придает содержащим его породам зеленоватый оттенок. Разлагается только в концентрированной HCl. Обладает значительной способностью к поглощению воды и катионному обмену. Эффективность практического использования глауконита в качестве сорбционного сырья зависит от его пористой структуры, удельной поверхности, формы и размера зерен, а также других структурно-геометрических характеристик, совокупность которых называют текстурой сорбента. Благодаря особенностям кристаллической структуры, которые предопределяют его способность к катионному обмену, глауконит издавна использовался для смягчения воды, а позднее и для ее очистки. Установлена высокая эффективность глауконита при очищении воды от солей тяжелых металлов, ряда органических и неорганических составов, радионуклидов. В частности, установлено, что активированный глауконит при фильтрации через него загрязненных вод практически полностью задерживает железо и аммиак, почти на порядок понижает содержимое в воде нефтепродуктов, в 25-50 раз понижает содержимое радиоактивных изотопов цезия-137 и стронция-90 [Проблемы определения реальной структуры глауконитов и родственных тонкодисперсных филлосиликатов. Монография Авторы: Архипенко Д.К., Дриц В.А., Каменева М.Ю., Сахаров Б.А. 2017 Труды ИГиГ СО РАН том: 802 страницы 35-58 с.].

Предлагаемый композитный гранулированный сорбент для очистки поверхностных сточных вод получают следующим образом.

Первоначально готовят смесь из глауконита, вспученного вермикулита и вспученного перлита в соотношениях 50%:25%:25%, соответственно.

В качестве связующего добавляли воду, которую вместе с составляющими смеси перемешивали в течение 10-15 мин. до получения гомогенной массы влажностью 32-34%. Полученную смесь гранулировали при помощи лабораторного гранулятора, с последующей сушкой гранул при температуре 95°C в течение часа. Затем осуществляли термическую обработку при температуре 400-450°C в течение 3 часов, после чего охлаждали до 40°C.

В интервале температур 400-450°C происходит удаление структурно связанной воды и создаются активные центры на поверхности и в объеме гранул композитного сорбента.

В результате гранулирования и последующей термообработки получали гранулы композитного сорбента, характеризующиеся оптимальной удельной поверхностью и повышенной сорбционной емкостью.

Соотношение компонентов смеси выбрано таким образом, чтобы обеспечить скорость фильтрации очищаемой воды не ниже технологически заданной и ее качественную очистку. Для процесса сорбции важным показателем является время контакта сорбента и сорбата, поэтому структура композитного сорбента обеспечивает оптимальную пористость системы за счет выбранного соотношения компонентов. Известно, что свободно насыпанные шары (вспученный перлит) в количестве 50% образуют каркас материала [К.К. Стрелов «Теоретические основы технологии огнеупорных материалов» М. Металлургия, 1985 г, стр 28-33]. В промежутках между частицами крупной фракции находится средняя фракция (вермикулит). Средние зерна при оптимальном количестве (25%) размещаются, в так называемом горле пор, образованных крупными частицами и препятствуют перетоку мелких частиц глауконита. Изменение указанного соотношения материалов в смеси, (т.е. если количество глауконита будет больше или меньше 50%, а количество вспученного вермикулита и вспученного перлита - больше или меньше 25%) приводит к изменению структуры композитного сорбента и ухудшает его технологические свойства.

Путем исследований установлено, что удельная поверхность сырьевой смеси гранул находится в пределах 19-20 м2/г, которая достигается за счет целенаправленного отбора размера частиц (от 700 до 3,0 мкм) составляющих смеси (Примеры 1-5).

Уменьшение удельной поверхности менее 19 м2/г снижает эффективность очистки, повышение удельной поверхности более 20 м2/г затрудняет фильтрацию очищаемой воды.

Преимущества данного сорбента заключаются в повышении степени очистки сточных вод от тяжелых металлов и уменьшении уровня загрязнения окружающей среды.

В таблице 1 представлены результаты повышения степени очистки сточных вод при использовании предлагаемого состава композитного сорбента.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими примерами. Изготавливали пять вариантов гранул сорбента с различной удельной поверхностью (Таблица 1, Примеры 1-5).

Пример 1. Компоненты смеси (глауконит, вспученный перлит, вспученный вермикулит) взвешивали на лабораторных весах с точностью до 0,01 г для получения смеси в соотношении 50, 25, 25 мас. % соответственно. Предварительно материалы рассевали на ситах. Частицы перлита имели размеры 700-600 мкм, вермикулита - 500-300 мкм, глауконита - менее 50 мкм. В качестве связующего добавляли воду, которую вместе с составляющими смеси перемешивали в течение 15 мин. до получения гомогенной массы влажностью 33%. Полученную смесь гранулировали при помощи лабораторного гранулятора, с последующей сушкой гранул при температуре 95°C в течение часа. Затем осуществляли термическую обработку при температуре 430°C в течение 3 часов, после чего охлаждали до 40°C. Измеряли удельную поверхность полученного композитного сорбента. Величина удельной поверхности составила 17,3 м2/г.

Пример 2. Компоненты смеси (глауконит, вспученный перлит, вспученный вермикулит) взвешивали на лабораторных весах с точностью до 0,01 г для получения смеси в соотношении 50, 25, 25 мас. %, соответственно. Предварительно материалы рассевали на ситах. Частицы перлита имели размеры 700-500 мкм, вермикулита - 300-100 мкм, глауконита - менее 50 мкм. В качестве связующего добавляли воду, которую вместе с составляющими смеси перемешивали в течение 15 мин. до получения гомогенной массы влажностью 33%. Полученную смесь гранулировали при помощи лабораторного гранулятора, с последующей сушкой гранул при температуре 95°C в течение часа. Затем осуществляли термическую обработку при температуре 430°C в течение 3 часов, после чего охлаждали до 40°C. Измеряли удельную поверхность полученного композитного сорбента. Величина удельной поверхности составила 19,2 м2/г.

Пример 3. Компоненты смеси (глауконит, вспученный перлит, вспученный вермикулит) взвешивали на лабораторных весах с точностью до 0,01 г для получения смеси в соотношении 50, 25, 25 мас. % соответственно. Предварительно материалы рассевали на ситах. Частицы перлита имели размеры 700-400 мкм, вермикулита - 300-50 мкм, глауконита - менее 50 мкм. В качестве связующего добавляли воду, которую вместе с составляющими смеси перемешивали в течение 15 мин. до получения гомогенной массы влажностью 33%. Полученную смесь гранулировали при помощи лабораторного гранулятора, с последующей сушкой гранул при температуре 95°C в течение часа. Затем осуществляли термическую обработку при температуре 430°C в течение 3 часов, после чего охлаждали до 40°C. Измеряли удельную поверхность полученного композитного сорбента. Величина удельной поверхности составила 19,87 м2/г.

Пример 4. Компоненты смеси (глауконит, вспученный перлит, вспученный вермикулит) взвешивали на лабораторных весах с точностью до 0,01 г для получения смеси в соотношении 50, 25, 25 мас. % соответственно. Предварительно материалы рассевали на ситах. Частицы перлита имели размеры 700-300 мкм, вермикулита - 200-50 мкм, глауконита - менее 40 мкм. В качестве связующего добавляли воду, которую вместе с составляющими смеси перемешивали в течение 15 мин. до получения гомогенной массы влажностью 33%. Полученную смесь гранулировали при помощи лабораторного гранулятора, с последующей сушкой гранул при температуре 95°C в течение часа. Затем осуществляли термическую обработку при температуре 430°C в течение 3 часов, после чего охлаждали до 40°C. Измеряли удельную поверхность полученного композитного сорбента. Величина удельной поверхности составила 20,0 м2/г.

Пример 5. Компоненты смеси (глауконит, вспученный перлит, вспученный вермикулит) взвешивали на лабораторных весах с точностью до 0,01 г для получения смеси в соотношении 50, 25, 25 мас. % соответственно. Предварительно материалы рассевали на ситах. Частицы перлита имели размеры 500-300 мкм, вермикулита - 300-200 мкм, глауконита - менее 40 мкм. В качестве связующего добавляли воду, которую вместе с составляющими смеси перемешивали в течение 15 мин. до получения гомогенной массы влажностью 33%. Полученную смесь гранулировали при помощи лабораторного гранулятора, с последующей сушкой гранул при температуре 95°C в течение часа. Затем осуществляли термическую обработку при температуре 430°C в течение 3 часов, после чего охлаждали до 40°C. Измеряли удельную поверхность полученного композитного сорбента. Величина удельной поверхности составила 22,5 м2/г. При удельной поверхности 22,5 м2/г скорость фильтрации снижается, что приведет к удорожанию технологий очистки стоков.

Через готовые гранулы сорбента каждого состава - 1, 2, 3, 4, 5 (Таблица 1) пропускали раствор, содержащий катионы тяжелых металлов со скоростью фильтрации 1,2 л/час, затем отбирали пробы раствора и методом индуктивно-связанной плазмы проводили анализ его состава на приборе «Optima 2100DV». Полученные результаты приведены в таблице 1 в сравнении с прототипом.

Проведенные в таблице 1 результаты исследования в сравнении с прототипом свидетельствуют о высокой эффективности данного сорбента в очистке сточных вод от тяжелых металлов, особенно при извлечении катионов кадмия, относящегося к первому классу опасности.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности необратимой сорбции тяжелых металлов предлагаемым композитным сорбентом.

Композитный сорбент для очистки поверхностных сточных вод от тяжёлых металлов, изготовленный в виде гранул, состоящих из 50 мас.% глауконита, 25 мас.% вспученного вермикулита, 25 мас.% вспученного перлита, подвергнутых термообработке при 400-450°С, имеющих величину удельной поверхности 19-20 м2/г.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам очистки сточных вод от мышьяка. Способ включает контактирование раствора в статических условиях с сорбентом, в качестве которого используют рутил, подвергнутый механоактивации до размеров кристаллитов менее 20 нм.
Настоящее изобретение относится к области получения твердых синтетических гранулированных неорганических адсорбентов. Способ включает в приготовление гетерогенной композиции на основе водного раствора кристаллогидрата метасиликата натрия и твердого хлорида цезия.
Изобретение относится к способам получения материалов с гидрофобными свойствами и может быть использовано в производстве строительных материалов и для получения гидрофобных сорбентов на основе природных алюмосиликатов для очистки жидких сред.
Изобретение может быть использовано в производстве фотокатализаторов и сорбентов для очистки воды и воздуха от токсичных веществ. Для получения титанокремниевого натрийсодержащего продукта осуществляют разложение сфенового концентрата соляной кислотой с концентрацией 30-35% при температуре 95-105°С с образованием раствора хлорида кальция и титанокремниевого остатка.

Изобретение относится к получению гидроталькитоподобных соединений и может быть использовано в производстве сорбентов и катализаторов. Способ получения слоистого гидроксида магния и алюминия включает смешение хлорида или нитрата магния или алюминия с карбонатным реагентом, выделение гидратного осадка магния и алюминия, его промывку водой и сушку.

Изобретение относится к области получения анионоактивных полимерных сорбентов с магнитными свойствами и может быть использовано для локализации мышьяксодержащих соединений и предусматривает возможность последующей детоксикации земель различного назначения.

Изобретение относится к способам получения фильтрующих материалов для очистки вод от марганца и гидросульфид-иона. Для получения фильтрующего материала используют природный цеолит с содержанием клиноптилолита не менее 70 мас.%.

Изобретение относится к способам сорбции Th(IV) из водных растворов. Иммобилизацию тория(IV) осуществляют на сорбенте на основе гидроортофосфата церия(IV).

Изобретение относится к способ разделения фракции частиц лигноцеллюлозы и фракции частиц лигнина, в котором сырой лигнин образуется из исходного материала, включающего частицы лигноцеллюлозы и частицы лигнина, при этом способ включает добавление в сырой лигнин стабилизирующего химического реагента отдельно или в сочетании с гидрофобным химическим реагентом на по меньшей мере одной стадии, так что по меньшей мере стабилизирующий агент добавляют в сырой лигнин, причем указанный стабилизирующий агент представляет собой полисахарид или модифицированный полисахарид, и обработку сырого лигнина путем отделения фракции частиц лигнина и фракции частиц лигноцеллюлозы друг от друга на по меньшей мере одной стадии твердофазного разделения.

Изобретение относится к сорбенту, который подходит для связывания металлов из растворов, к получению соответствующего сорбента, а также к применению сорбента для связывания металлов из растворов.

Изобретение относится к биотехнологии. Способ предусматривает получение гемосорбента путем радикальной полимеризации при комнатной температуре под действием окислительно-восстановительного катализатора полимеризации водного раствора, содержащего 0,1-0,9% мас.
Настоящее изобретение относится к области получения твердых синтетических гранулированных неорганических адсорбентов. Способ включает в приготовление гетерогенной композиции на основе водного раствора кристаллогидрата метасиликата натрия и твердого хлорида цезия.
Настоящее изобретение относится к области получения твердых синтетических гранулированных неорганических адсорбентов. Способ включает в приготовление гетерогенной композиции на основе водного раствора кристаллогидрата метасиликата натрия и твердого хлорида цезия.

Изобретение относится к получению композиционного сорбента, который может быть использован для охраны окружающей среды. Проводят синтез гидроксиапатита путём перемешивания суспензии монтмориллонитовой глины с насыщенным раствором гидроксида кальция с последующим введением раствора ортофосфорной кислоты.

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано при получении сорбентов сернистых соединений, используемых для очистки газов. Способ включает взаимодействие оксида цинка с аммиачно-карбонатным раствором с получением основного карбоната цинка, приготовление формовочной массы, содержащей оксид магния и пластификатор, формование гранул, сушку и рассев.

Изобретение относится к поглотителю для удаления диоксида углерода из газовых смесей, способу его приготовления, а также к способу очистки газовых смесей от диоксида углерода.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности и водоочистке. Сорбционную очистку вод от аммонийного азота предприятий рыборазведения осуществляют при подаче сорбента, перемешивании и отделении твердой фазы.

Изобретение может быть использовано в химической технологии для выделения урана (VI) из водных сред, а также в процессах очистки радиоактивно загрязненных природных, сточных и морских вод.

Изобретение относится к области получения нетканых материалов, а именно к установке для получения многослойных сорбционно-фильтрующих композиционных нетканых материалов из растворов полимеров аэродинамическим формованием.

Изобретение относится к способам приготовления алюмооксидного осушителя влагосодержащих газов – углеводородного, природного и других. Способ приготовления включает стадию получения псевдобемитсодержащего гидроксида алюминия гидратацией активного гидроксиоксида алюминия в слабокислом растворе, сушку и дальнейший помол.

Изобретение относится к способам получения фильтрующих материалов для очистки вод от марганца и гидросульфид-иона. Для получения фильтрующего материала используют природный цеолит с содержанием клиноптилолита не менее 70 мас.%.

Изобретение относится к области сорбционных технологий. Предложен композитный гранулированный сорбент для извлечения тяжелых металлов. Сорбент включает смесь, содержащую 50 мас. глауконита, 25 мас. вспученного вермикулита, 25 мас. вспученного перлита, подвергнутых термообработке. Сорбент имеет величину удельной поверхности в пределах 19-20 м2г. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности необратимой сорбции тяжелых металлов. 1 табл., 5 пр.

Наверх