сорбент-катализатор для очистки природных и сточных вод и способ его получения

Формула изобретения

1. Сорбент-катализатор для очистки природных и сточных вод на основе предварительно измельченного шунгита, отличающийся тем, что используют шунгит III с содержанием углерода около 30% размером измельченных фракций 3-5 мм, который промывают водой и заливают раствором, состоящим из смеси 5% НСl и 5% Н₂ О₂ в следующем соотношении:

5% НСl - 50%

5% Н₂О₂ - 50%,

выдерживают в этом растворе в течение 8 ч, после чего вторично промывают водой и высушивают при температуре 105°С.

2. Способ получения сорбента-катализатора для очистки природных и сточных вод на основе предварительно измельченного шунгита, отличающийся тем, что используют шунгит III с содержанием углерода около 30% и размером измельченных фракций 3-5 мм, который промывают водой и заливают раствором, состоящим из смеси 5% НСl и 5% Н₂ О₂ в следующем соотношении:

5% НСl - 50%

5% Н₂О₂ - 50%,

выдерживают в этом растворе в течение 8 ч, после чего вторично промывают водой и высушивают при температуре 105°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам и установкам для очистки природных и сточных вод, а именно, к получению сорбента-катализатора для очистки природных и сточных вод на основе шунгита.

Известно, что шунгиты являются хорошими сорбентами и используются в различных устройствах и установках для очистки природных и сточных вод.

Шунгит III с содержанием углерода около 30% имеет суммарную пористость 5-10%, значительную внутреннюю поверхность в диапазоне 10-30 м²/г, насыпную плотность около 1,3 г/см³, обладает высокой механической прочностью, электропроводностью, химической стойкостью, каталитическими и бактерицидными свойствами. Отмечена адсорбция шунгитами ряда органических веществ различных классов: фенолов, жирных высокомолекулярных кислот, спиртов, веществ лингоуглеводного комплекса древесных и торфяных гидролизатов, водорастворимых смол гидролиза, гуминовых веществ и др., а также ряда газов. При фильтровании через шунгитовый фильтр значительно снижается цветность воды, практически полностью удаляется микрофлора, а также, в зависимости от скорости подачи воды через фильтр, достигается снижение до нуля коли-индекса.

Как показали исследования, порода шунгита однородна и представляет собой решетку кварца (60%), по которой равномерно распределены клистеры (глобулы), шунгитоуглероды (30%). Такое строение и состав материала и определяет свойства поверхности, на которой имеются активные центры - силинольные и карбоксильные группировки с ненасыщенными связями типа:

В зависимости от способа подготовки поверхности эти центры могут быть активными (с ненасыщенными связями) или закрытыми (окисленными, нейтрализованными).

Совокупность силинольных и карбоксильных центров поверхности шунгита и определяет эффективность сорбционных и каталитических свойств материала.

Известен способ химической активации шунгита, описанный в работе «Глубокая очистка водных растворов от фенола с использованием шунгитовой породы» (Ж. прикл. Хим., 2003. Т.76, № 5. С.791-794). Способ заключается в обработке шунгита III Зажогинского месторождения, предварительно измельченного до крупности 2.5±0.5 мм, водным раствором NaOH. К недостаткам этого способа можно отнести незначительную степень увеличения удельной поверхности сорбента. Кроме того, в данном способе увеличение пористости поверхности производится за счет растворения кварцевой решетки, что приводит к уменьшению как на поверхности шунгита, так и внутри него количества силикатных (или силинольных) групп (активных центров), определяющих вместе с карбоксильными активными центрами каталитические и сорбционные свойства материала.

Известно использование шунгита III в качестве фильтрующего элемента (Патент РФ № 2185328) в загрузке для очистки и кондиционирования воды. В соответствии с этим изобретением метод получения шунгитового сорбента состоит в измельчении шунгитовой породы до размера частиц 0,1 - 5 мм и последующей обработке паром при температуре 150 - 200°С в течение одного часа. К недостаткам сорбента, полученного описанным способом и выбранного в качестве прототипа, можно отнести недостаточную стабильность его сорбционных и каталитических свойств, а также довольно низкие сорбционные и каталитические свойства.

Задачей изобретения является повышение эффективности и экономичности процесса очистки природных и сточных вод за счет разработки сорбента-катализатора на основе измельченного шунгита, обладающего повышенными сорбционными и каталитическими свойствами, и способа его получения.

Для решения поставленной задачи предлагается в известном сорбенте-катализаторе для очистки природных и сточных вод на основе предварительно измельченного шунгита использовать шунгит III с содержанием углерода около 30% и размером измельченных фракций 1-3 мм. Затем предлагается его промывать водой и заливать раствором, состоящим из смеси 5% HCl и 5% Н₂О₂ в следующем соотношении:

5% HCl - 50%

5%Н₂О ₂ - 50%,

выдерживать в этом растворе в течение 8 часов, после чего вторично промывать водой и высушивать при температуре 105°С.

Предлагается также в известном способе получения сорбента-катализатора для очистки природных и сточных вод на основе предварительно измельченного шунгита использовать шунгит III с содержанием углерода около 30% и размером измельченных фракций 3-5 мм. Затем предлагается его промывать водой и заливать раствором, состоящим из смеси 5% HCl и 5% Н ₂О₂ в следующем соотношении:

5% HCl - 50%

5% Н₂О₂ - 50%,

выдерживать в этом растворе в течение 8 часов, после чего вторично промывать водой и высушивать при температуре 105°С.

За счет проведения предлагаемой обработки на поверхности шунгита увеличивается количество силинольных и карбоксильных центров, которые определяют эффективность сорбционных и каталитических свойств материала.

Технологически предлагаемый способ осуществляют следующим образом:

1. Шунгитовая порода Зажогинского месторождения шунгит III измельчается на щековой дробилке до фракции 0-10 мм, просеивается на ситах с ячейкой <1 мм, затем на ситах 3 мм отбирается фракция 1-3 мм и на ситах 5 мм отбирается фракция 3-5 мм, которые промываются в проточной воде с перемешиванием массы до полного осветления промывных вод.

2. Влажный продукт, полученный на предыдущем этапе, помещается в емкость из химически стойкого пластика или нержавеющей стали, заливается раствором, состоящим из смеси 5% соляной кислоты (HCl) и 5% перекиси водорода (Н ₂О₂).

3. Продукт находится в растворе в течение 8 часов, при этом над слоем шунгита должен быть слой раствора не менее 1 см. Затем раствор сливается, шунгит неоднократно промывается в проточной воде, при этом постоянно перемешиваясь, и высушивается при температуре 105°С до воздушно-сухого состояния.

Пример

В качестве органических загрязнителей исследовались модельные растворы хлоруглеводородов (хлороформ и 1.2-дихлорэтан), алифатические спирты (1-пропанол и 1-бутанол) и ароматические углеводороды (бензол, толуол). Измерения выполняли на хромотографе ЛХМ-8-МД1.

В качестве неорганических загрязнителей исследовались модельные растворы хлоридов железа, алюминия, цинка, хрома, бериллия, ртути, олова и циркония. Измерения выполняли атомно-сорбционным методом.

Результаты непроточного контактирования образцов шунгитовых пород, прошедших активацию, с модельными водными растворами органических микропримесей (соотношение шунгит-раствор 1:15 при t-20°C) приведены в таблице.

Примесь	Начальная концентрация мг/л	Время контакта час	Остаточная концентрация в растворе мг/л при контакте
с материалом прототипа	с активированным материалом
CHCl3	200	1	142.0	121.0
2	86.0	55.0
3	35.0	27.0
4	13.0	6.0
5	8.0	3.0
C2 H4Cl2	85	1	51.5	43.0
2	28.0	18.5
3	12.5	8.0
4	6.5	3.0
5	3.5	1.5
С3 Н7ОН	35	1	22.0	18
2	15.5	9.5
3	7.5	3.5
4	3.7	2.3
5	1.5	1.0
C4 H9OH	35	1	20.0	16.5
2	14.5	11.00
3	7.0	5.0
4	3.0	1.0
5	2.0	0.5
С6 Н6	25	1	18.5	16.0
2	12.0	8.5
3	9.5	6.5
4	7.0	4.0
5	4.0	2.0
C6 H5CH3	25	1	19.0	17.0
2	13.0	12.5
3	9.5	7.5
4	7.0	5.0
5	4.5	3.0

Образец 1 (прототип)

500 гр шунгитовой породы Зажогинского месторождения (шунгит III) измельчали на дезинтеграторе, просеивали на ситах из нержавеющей стали и отбирали фракции 0.5 мм, которые помещали в стеклянную колонну, снизу подавали пар t-150°C. Обработку паром проводили в течение часа. После охлаждения материала до комнатной температуры материал использовался в опытах по определению каталитических и сорбционных свойств.

Образец 2 (активированный шунгит)

500 г шунгитовой породы Зажогинского месторождения (шунгит III) фракции 0.5 мм отмывается от взвесей и мелких частиц в проточной воде до осветления промывных вод (мутность <1), замачивается в некоррозируемой емкости раствором, состоящим из смеси 5% HCl и 5% Н₂О₂ в равных пропорциях в течение 8 часов, промывается в проточной воде и высушивается при температуре 105°С. Материал, приготовленный описанным способом, использовали в опытах по определению каталитических и сорбционных свойств материала.

Из таблицы видно, что изготовленный с помощью предлагаемого способа сорбент превосходит прототип на 30-70% по каталитическим и сорбционным свойствам.

Для шунгита, обработанного в соответствии с предложенным способом, было зафиксировано изменение пористой структуры, заключающееся в увеличении удельной поверхности шунгита с 5-10 до 50-54 м ²/г.

Экспериментально установлено, что при использовании шунгитового сорбента, полученного заявленным способом, цветность и мутность очищаемой воды приходят к норме в два раза быстрее, чем при использовании шунгита, полученного по способу-прототипу, и в десять раз быстрее, чем при использовании необработанного шунгита. Кроме того, у шунгитового сорбента, полученного предлагаемым способом, в 1,3-1,5 раза повысилась эффективность извлечения из загрязненной воды тяжелых металлов (железа, меди, цинка и др.) и органических веществ (фенолов, нефтепродуктов, хлорорганики и др.) по сравнению с сорбентом прототипа.

Данный факт объясняется тем, что обработка поверхности зерен сорбента предлагаемым способом увеличивает количество находящихся на поверхности материала активных центров - кислотных активных групп, ответственных за сорбционные и каталитические процессы.