Состав сорбента и способ его получения
Владельцы патента RU 2737728:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» (RU)
Изобретения относятся к составу и способу получения сорбента на основе пористых материалов и могут быть использованы для очистки воды от нефти и нефтепродуктов. Изобретение касается состава для получения сорбента, поглощающего нефтепродукты, содержащего компоненты в следующем соотношении, мас.%: порошок стеклобоя с размером частиц до 100 мкм 55-57, жидкое стекло с модулем 3,0 33-35, раствор гидроксида натрия концентрацией 11,8 8,6-8,8, алюминиевая пудра 1,2-1,4. Изобретение также касается способа получения указанного сорбента. Технический результат - получение поглощающего нефтепродукты сорбента, позволяющего использовать стеклобой, включая смешанный разносортный. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретения относятся к составам и способам получения сорбентов на основе пористых материалов и могут быть использованы для очистки воды от нефти и нефтепродуктов и других соединений (тяжелых металлов).
Известен способ получения комплексного сорбента [RU 2427420 С1, МПК B01J 20/10 (2006.01), B01J 20/16 (2006.01), B01J 20/30 (2006.01), опубл. 27.08.2011], который содержит трепел, Al(ОН)3, КОН, H2SO4 в следующем количестве, кг:
| Трепел | 1 |
| Al(ОН)3 | 0,1-0,2 |
| КОН | 0,45-0,533 |
| H2SO4 | 20% до рН 7 |
Способ получения этого сорбента включает гидролиз опал-кристобалитовой породы в горячем щелочном растворе, содержащем K3[Al(ОН)6]. После гидролиза суспензионную смесь помещают в герметичный реактор и выдерживают при температуре 150°С в течение 5 часов, затем разбавляют водой, обрабатывают раствором серной кислоты и подвергают сушке.
Емкость катионного обмена этого сорбента в 2 раза выше, чем у такого распространенного сорбента, как бентонит, и составляет от 527 до 641 мМ/кг.
Однако для изготовления сорбента необходим широкий спектр агрессивных химических реагентов, многостадийная обработка, связанная со значительными затратами энергии на процессы гидролиза и процессы сушки.
Известен способ получения сорбента [RU 2362619 С1, МПК B01J 20/20 (2006.01), B01J 20/16 (2006.01), опубл. 27.07.2009], который содержит торф, алюмосиликат, каменный уголь, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Торф | 70-80 |
| Алюмосиликат | 5-10 |
| Каменный уголь | 15-20 |
Способ получения этого сорбента включает измельчение торфа, природного алюмосиликата и каменного угля, их перемешивание, термообработку при 750-800°С, отмывку щелочным раствором и сушку. Термообработку осуществляют путем карбонизации в течение 15 мин без доступа воздуха с последующей активацией в кипящем слое в течение 15-30 мин в токе смеси углекислого газа с водяным паром или в течение 3-5 мин кислородом воздуха.
Данный сорбент имеет следующие сорбционные характеристики: удельная поверхность по бензолу составляет 464,5-920,3 м2/г; зольность равна 16,8-26,9%.
Недостатками способа является необходимость проведения процесса при значительных температурах с последующей обработкой в кипящем слое, требующей специального оборудования.
Известен сорбент на основе модифицированного силикагеля [RU 2661213 С1, МПК B01J 20/10 (2006.01), B01J 20/20 (2006.01), B01J 20/283 (2006.01), B01J 20/288 (2006.01), опубл. 13.07.2018] на основе модифицированного силикагеля, содержащий привитые группы K-(пропил)этилендиаминтриуксусной кислоты, который способен извлекать нефтепродукты из почвы на 60-86%. Среднее время сорбции составляет 30 минут.
Для получения этого сорбента требуется сложная, длительная (несколько суток) многостадийная технология с использованием широкого спектра дорогостоящих, горючих, токсичных реагентов. Сорбент, модифицированный группами N-(пропил) этилендиаминтриуксусной кислоты, имеет сорбционный механизм - хемосорбцию, что затрудняет механизмы десорбции.
Известен биопрепарат «Авалон» для очистки объектов окружающей среды от нефти и нефтепродуктов [RU 2181701 С2, МПК C02F 3/34 (2000.01), С12Р 39/00 (2000.01), В09С 1/10 (2000.01), C12N 1/20 (2000.01), опубл. 27.04.2002], включающий пористый носитель и биодеструкторы, искусственно иммобилизованные в поры носителя и подобранные к типу загрязнений. В качестве пористого носителя биопрепарат содержит вспененные стеклообразные метафосфаты переменного состава, обеспечивающие оптимальные условия для иммобилизации и жизнедеятельности клеток микроорганизмов на пористой структуре со следующей структурной формулой
где m, n, р - простые целые числа в пределах: m=2-4; n=2-6; р=6-12;
А - одновалентные катионы первой группы;
В - двухвалентные катионы второй группы Периодической системы;
Z - легирующие микроэлементы [Zn, Mn, Fe, Cu, Со, Ni, Mo, V, Se, Ag в концентрации 0,01-0,3% каждого];
X - добавки [SiO2, В2О3, Al2O3, V2O5, SO3, SeO3], влияющие на кинетику растворения при следующем соотношении компонентов, мас.%:
KРО3 10,0-35,0%; NaPO3 4-8%; Mg(PO3)2 4,0-18,0%; Са(PO3)2 20,0-60,0%; Z(PO3)2 1-3%;
X - SiO2 1,0-15,0%; B2O3 1,0-5,0%; Al2O3 0,1-5,0%; V2O5 0,1-0,3%; SO3 0,2-2,0%; SeO3 0,1-0,3%,
а в качестве биодеструкторов содержит следующие штаммы микроорганизмов: Serratia marcescens PL-1, Pseudomonas fluorescens biovar II 10-1, Acidovorax delafieldii 3-1.
Вспененный сорбционный материал (стеклообразный носитель) в процессе вспенивания гранулируют, высушивают и отжигают при температуре 600-650°С. Готовый сорбент имеет форму шара диаметром 6 мм, или куба с линейными размерами 7×7 мм [Коган В.Е, Згонник П.В., Ковина Д.О., Черняев В.А. Использование пеностекла и полимерных материалов в качестве эффективных нефтесорбентов // Стекло и керамика. 2013, №12, с. 3-7.].
Недостатками сорбента является наличие в составе растворимых фосфатных соединений, обладающих низкой химической устойчивостью и высокой биологической активностью, что ограничивает его использование для очистки водных акваторий. Наличие в сорбенте, используемых для жизнедеятельности микроорганизмов соединений, наряду с растворимостью компонентов, снижает срок хранения сорбента.
Известен способ получения сорбента [RU 2141374 С1, МПК B01J 20/10 (1995.01), B01J 20/16 (1995.01), B01J 20/30 (1995.01), опубл. 20.11.1999), выбранный в качестве прототипа, включающий предварительную сушку, дробление диатомита или опоки, их обработку раствором гидроксида натрия с концентрацией 8-12 мас.% и термообработку при 1000-1250°С. Сушку минерального сырья (опока, диатомит) проводят до влажности 24-26%, дробление производят либо на конусной дробилке до фракции 0,04 мм, либо на щековой дробилке до крупности 20 мм. Термообработку ведут в барабанной печи при температуре 1000-1250°С, охлаждение производят в барабанном холодильнике.
Сорбент имеет емкость сорбции нефтепродуктов 66,7%.
Недостатками способа является необходимость проведения процесса при высоких температурах до 1250°С с необходимостью обработки модифицирующим реагентом (NaOH) в соотношении не менее 8% по массе. Способ чувствителен к нарушению рекомендованных пороговых значений концентрации модифицирующего реагента.
Техническим результатом предложенных изобретений является получение поглощающего нефтепродукты сорбента, позволяющего использовать стеклобой, включая смешанный разносортный.
Предложенный состав для получения сорбента, поглощающего нефтепродукты, также как в прототипе, содержит кремнеземсодержащий материал и раствор гидроксида натрия с концентрацией 11,8 мас.%.
Согласно изобретению в качестве кремнеземсодержащего материала сорбент содержит порошок стеклобоя с размером частиц до 100 мкм, жидкое стекло с модулем 3,0 и алюминиевую пудру при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Порошок стеклобоя с размером частиц до 100 мкм | 55-57 |
| Жидкое стекло с модулем 3,0 | 33-35 |
| Раствор гидроксида натрия концентрацией 11,8 | 8,6-8,8 |
| Алюминиевая пудра | 1,2-1,4. |
В качестве жидкого стекла используют промышленное натриевое жидкое стекло с модулем 3,0.
В качестве газообразователя и водоупрочняющего отвердителя используют алюминиевую пудру.
Предложенный способ получения сорбента, поглощающего нефтепродукты, так же как в прототипе, включает измельчение кремнеземсодержащего материала, использование раствора гидроксида натрия с концентрацией 11,8 мас.% и термообработку.
Согласно изобретению в качестве кремнеземсодержащего материала используют стеклобой, который измельчают до размера частиц не более 100 мкм, нагревают до 30-35°С и смешивают с алюминиевой пудрой, а затем объединяют с жидким стеклом с модулем 3,0, нагретым до 30-35°С и соединенным с раствором гидроксида натрия, после чего компоненты жидкой и твердой фаз размешивают до гомогенного состояния, заливают в формы, нагревают в воздушной среде при температуре 60-70°С в течение не менее 1 часа и охлаждают до комнатной температуры.
Емкость сорбции нефтепродуктов предложенного сорбента составляет 110-120% в отличие от прототипа, емкость которого 66,7%.
В результате осуществления технологического процесса получения сорбента при температуре 60-70°С снижены энергетические затраты по сравнению с температурой получения сорбента-прототипа при 1000-1200°С.
В таблице 1 приведены сравнительные данные по составам, температуре получения и сорбционным свойствам сорбента.
Стеклобой любой марки в количестве 275,0-285,0 г (55,0-57,0 мас.%) измельчали в планетарной мельнице до размера частиц менее 100 мкм, нагревали до 30-35°С в сушильном шкафу и смешивали с 6,0-7,0 г (1,2-1,4 мас.%) гидрофильной алюминиевой пудры [ТУ1791-004-49421776-2008]. В отдельной емкости раствор гидроксида натрия с концентрацией 11,8 мас.% в количестве 43,0-44,0 г (8,6-8,8 мас.%) соединяли с жидким натриевым стеклом с силикатным модулем 3,0 [ГОСТ 13078-81] в количестве 165,0-175,0 г (33,0-35,0 мас.%), нагретым до 30-35°С в лабораторном сушильном шкафу. Затем реагенты твердой и жидкой фаз объединяли и активно перемешивали до гомогенного состояния, заливали в разъемные силиконовые формы и сушили при температуре 60-70°С не менее 1 часа с последующим охлаждением до комнатной температуры. Образцы вынимали из форм и определяли сорбционные характеристики стандартным методом [ГОСТ 33622-2015 «Уголь активированный. Стандартный метод определения сорбционных характеристик абсорбентов»].
Полученные данные сведены в таблицу 1, из которой видно, что образцы предложенного сорбента имеют емкость сорбции нефтепродуктов, превышающую емкость прототипа в 1,6-1,8 раза, температура получения сорбента ниже температуры получения прототипа на 930-1190°С.
1. Состав для получения сорбента, поглощающего нефтепродукты, включающий кремнеземсодержащий материал и раствор гидроксида натрия с концентрацией 11,8 мас.%, отличающийся тем, что в качестве кремнеземсодержащего материала содержит порошок стеклобоя с размером частиц до 100 мкм, а также дополнительно содержит жидкое стекло с модулем 3,0 и алюминиевую пудру при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| порошок стеклобоя с размером частиц до 100 мкм | 55-57 |
| жидкое стекло с модулем 3,0 | 33-35 |
| раствор гидроксида натрия концентрацией 11,8 мас.% | 8,6-8,8 |
| алюминиевая пудра | 1,2-1,4 |
2. Состав по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкого стекла с модулем 3,0 используют промышленное натриевое жидкое стекло с модулем 3,0.
3. Способ получения сорбента из состава по п.1, включающий измельчение кремнеземсодержащего материала, использование раствора гидроксида натрия c концентрацией 11,8 мас.%, термообработку, отличающийся тем, что в качестве кремнеземсодержащего материала используют стеклобой, который измельчают до размера частиц не более 100 мкм, нагревают до 30-35°С и смешивают с алюминиевой пудрой, а затем объединяют с жидким стеклом с модулем 3,0, нагретым до 30-35°C и соединенным с раствором гидроксида натрия, после чего компоненты жидкой и твердой фаз размешивают до гомогенного состояния, заливают в формы, нагревают в воздушной среде при температуре 60-70°С в течение не менее 1 часа и охлаждают до комнатной температуры.
