адсорбент для очистки воздуха в помещениях

Классы МПК:B01J20/02 содержащие неорганические материалы
B01J20/18 синтетические цеолитные молекулярные сита
B01J20/30 способы получения, регенерации или реактивации
B01D53/02 адсорбцией, например препаративной газовой хроматографией 
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Общество с ограниченной ответственностью "АтомТяжМаш" (ООО "АтомТяжМаш") (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2011-03-22
публикация патента:

Изобретение относится к адсорбционным газовым фильтрам для очистки воздуха в помещениях. Адсорбент получен путем механического нанесения перманганата калия на пористую основу и пропитки основы перманганатом калия в атмосфере кислорода. Адсорбент содержит (мас.%): цеолит 35-60%, KМnO4 25-30%, цемент 10-30%, присадка 2-5%. Изобретение позволяет повысить эффективность адсорбента за счет повышения содержания активного адсорбирующего вещества. 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2471548

адсорбент для очистки воздуха в помещениях, патент № 2471548 адсорбент для очистки воздуха в помещениях, патент № 2471548

Предлагаемое изобретение относится к наноструктурированным адсорбционным газовым фильтрам для очистки воздуха в помещениях, предназначенных для хранения продуктов питания, в музейных и архивных фондах, в учреждениях здравоохранения.

Сорбент - нанопористый гранулированный материал, поверхность которого модифицирована активным окисляющим твердофазным агентом - перманганатом калия.

Известен адсорбент Purafil Select, который состоит из сферических, пористых гранул. Гранулы состоят из активированного глинозема и других компонентов, пропитанных перманганатом натрия (http://www.climecon.fi).

Недостатком этого сорбента является высокая стоимость и меньшее содержание перманганата калия.

Известен адсорбент Bi-On+, который представляет собой пористую основу из смеси цеолитов и сепиолитов, пропитанную перманганатом калия. Гранулы цилиндрической формы. Этот продукт производится фирмой Bioconservacion S.A. (Spain, Gava (Barcelona) (www.bioconservacion.eu).

Данный сорбент является аналогом Purafil Select и обладает практически идентичными технико-экономическими параметрами, что обуславливает такой же набор недостатков.

В основу изобретения положена задача создания адсорбента для очистки воздуха в помещениях, который более эффективен по сравнению с имеющимися аналогами вследствие увеличения содержания поверхностно-активного адсорбирующего вещества - перманганата калия.

Технический результат обеспечивается тем, что предложен адсорбент для очистки воздуха в помещениях, полученный путем механического нанесения перманганата калия на пористую основу в атмосфере кислорода, пропитки пористой основы перманганатом калия в атмосфере кислорода, отвечающий следующему химическому составу, мас.%: цеолит 35-60%, KMnO 4 25-30%, цемент 10-30%, присадка 2-5%.

В получаемом сорбенте перманганат калия равномерно распределен по пористой поверхности цеолита слоем толщиной около 3-х монослоев. Равномерное распределение перманганата калия по поверхности в совокупности с большим его абсолютным содержанием в сорбенте позволяет получить большее количество поверхностно-активных молекул перманганата калия, что приводит к повышению эффективности очистки воздуха.

Изобретение поясняется фиг.1-2, на которых приведены микрофотографии поверхности новых сорбентов зарубежного производства и предлагаемого в данном решении.

Возможность получения более эффективного адсорбента при проведении основных стадий обработки исходных веществ можно пояснить следующим образом.

Проведение процесса в атмосфере кислорода значительно снижает процент самопроизвольно восстановившегося до двуокиси марганца перманганата в процессе производства адсорбента. Это можно пояснить следующим образом.

Регулирование результатов адсорбции перманганата калия на поверхности адсорбента (активированного угля, цеолита и т.д.), проводится традиционным для таких процессов методом: а именно - регулированием изменения концентрации абсорбента (KMnO4) в растворе из которого идет осаждение на мезопористую поверхность.

Регулирование осуществляется на основании классического уравнения Гиббсовой адсорбции

адсорбент для очистки воздуха в помещениях, патент № 2471548 ,

где

Г - превышение концентрации KMnO4 в поверхностном адсорбированном слое площадью 1 см2 над его концентрацией в растворе;

n - общее число молей KMnO4 в технологическом растворе;

N0 - мольная доля KMnO4 в технологическом растворе до его контакта с адсорбентом;

N - равновесная концентрация KMnO4 в растворе после адсорбции;

m - адсорбированная масса KMnO4;

Sуд - удельная поверхность адсорбента.

Таким образом, из уравнения для Гиббсовой адсорбции вытекает возможность контроля за процессом послойного молекулярного осаждения перманганата калия на поверхности адсорбента на основании макропараметров. Для этого необходимо знать или контролировать:

а) удельную поверхность и массу используемого адсорбента;

б) концентрацию перманганата в растворе до и после установления динамического равновесия (т.е. фактического завершения процесса адсорбции).

Предполагая, что разность масс перманганата калия в растворе до адсорбции и после адсорбции равномерно распределяется по развитой поверхности адсорбента и при полном насыщении поверхностного адсорбированного слоя концентрация KMnO4 в нем составляет 100% весовых, а также зная величину удельной поверхности сорбента и его количество, можно подставить указанные параметры в уравнение для Гиббсовой адсорбции и рассчитать теоретическое количество KMnO4, необходимое для создания моно-, би- и тримолекулярного слоя активного вещества.

Такой расчет является корректным, так как конкурирующая адсорбция молекул воды устраняется высушиванием модифицированного сорбента в технологическом процессе. Контроль фактического содержания перманганата в готовом продукте можно производить методом термогравиметрического анализа путем изменения теплового эффекта термической реакции разложения перманганата калия с выделением газообразного кислорода при повышенной температуре:

адсорбент для очистки воздуха в помещениях, патент № 2471548

Контроль производится сравнительным методом, т.е. путем сравнения параметров эндотермического пика на термограмме сорбента с параметрами аналогичного пика на термограмме эталонной навески KMnO4, равной по массе теоретически рассчитанному количеству, необходимому для создания моно- или полимолекулярного слоя хемосорбата с учетом поправочного коэффициента, отражающего изменение теплоемкости и параметров теплообмена образца, содержащего адсорбат с перманганатом калия по сравнению с навеской чистого перманганата.

Дополнительным параметром контроля в методе ДТА служит уменьшение веса исследуемого образца сорбента после полного протекания реакции (2), которая составляет 150 мг на каждый грамм чистого KMnO4 вследствие выделения кислорода. Метод термогравиметрии является методом интегрального косвенного контроля содержания и распределения KMnO4 по пористой поверхности. Методом прямого контроля могут служить все виды микроскопии, включая обычную оптическую и электронную.

Однако применение этого метода (особенно в электронном варианте) представляется отчасти избыточным, поскольку даже простой визуальный контроль результатов осаждения позволяет с требуемой технологической точностью проконтролировать полноту прохождении процесса осаждения по наличию характерного для KMnO4 насыщенного малиново-фиолетового цвета, который приобретает модифицированный сорбент после того, как процесс осаждения пройдет с необходимой полнотой.

Процесс осаждения молекулярных слоев KMnO4 на микропористую поверхность сопряжен с побочной химической реакцией протекающей самопроизвольно уже при достаточно низких температурах, а именно реакциях восстановления перманганата до двуокиси марганца. Первая из этих побочных реакций является кинетически заторможенным аналогом реакции (2).

Другая - аналог реакции окисления органических компонентов воздушной или водной смеси (в частности этилена) перманганатом калия на развитой пористой поверхности

адсорбент для очистки воздуха в помещениях, патент № 2471548

Указанная реакция начинает протекать еще в водном растворе на начальной стадии технологического процесса, и к моменту его завершения количество прореагировавших молекул перманганата, по данным рентгенофазового анализа, не превышает 5% от общего атомного процента Mn в смеси. Однако даже такое количество двуокиси марганца является фактором, снижающим эффективность готового продукта (сорбента), поскольку та же самая реакция определяет механизм хемосорбции компонентов воздушной смеси на модифицированной перманганатом поверхности адсорбата, которая, в свою очередь, и регулирует функциональные параметры готового сорбента.

Обе реакции на всех стадиях процесса протекают одновременно и параллельно с основными реакциями адсорбции и являются конкурирующими.

Протекание суммарного процесса в нужном направлении оценивается температурной разностью скоростей основного и конкурирующих процессов. Анализ зависимостей показывает, что существует оптимальный температурный интервал Топт, в пределах которого процесс хемосорбции доминирует.

Этот температурный интервал включает область естественных природных температур, ориентировочно составляющих интервал от -10°С до +50°С.

Однако этот же процесс приводит к преждевременному «старению» сорбента и накоплению продуктов восстановления еще на стадии технологического синтеза.

Для предотвращения этого процесса предлагается основные технологические стадии процесса проводить в атмосфере кислорода. Как видно из уравнения (2), повышение давления O2 в реакционной среде согласно принципу Ле-Шателье смещает равновесие процесса влево, т.е. в сторону увеличения содержания исходного компонента KMnO4 .

С точки зрения контроля за ходом процесса в оптический микроскоп это изменение выражается в увеличении интенсивности характерной малиново-фиолетовой окраски.

Доля перманганата калия в сорбентах зарубежного производства составляет не более чем 16% от общего веса сорбента. При этом максимальный объем сорбируемого этилена (С2Н4) составляет 4,5 литра на кг сорбента.

В сорбенте нашего производства удалось увеличить содержание перманганата калия, сохранив высокую удельную поверхность хемосорбирующего слоя. За счет уникальных условий синтеза в атмосфере кислорода содержание перманганата калия в нашем сорбенте достигает 25%. При этом максимальный объем сорбируемого этилена составляет более 6 литров на 1 кг сорбента.

В качестве примера приведем процесс получения адсорбента следующего состава: цеолит 57%, KМnO4 25%, цемент 15%, присадка 3%, предназначенный для очистки воздуха от органических примесей. Процесс получения адсорбента заключается в механическом нанесении перманганата калия на пористую основу в атмосфере кислорода, пропитки пористой основы перманганатом калия в атмосфере кислорода, отвечающий следующему химическому составу, мас.%: цеолит 35-60%, KМnO4 25-30%, цемент 10-30%, присадка 2-5%. В данном случае используется специальная присадка на основе алюминатов кальция производства компании Kemeos S.A. (Франция), а также цеолит марки СаА (5А). Предварительно измельченный цеолит смешивают с присадкой и цементом, далее в смесь вводят порошок перманганата калия. Получившийся состав тщательно перемешивают для равномерного распределения перманганата калия по всей свободной поверхности цеолита. Весь процесс смешивания происходит в атмосфере кислорода, что позволяет избежать восстановления перманганата калия в процессе изготовления сорбента. В итоге получаем более эффективный адсорбент, его эффективность выше обычно применяемых на 30%. Таким образом, можно утверждать, что уже в процессе синтеза зарубежного сорбента часть перманганата калия восстанавливается до МnO2 , что приводит к уменьшению количества поверхностно-активных молекул перманганата калия, снижению сорбционной емкости и, соответственно, снижению эффективности сорбента. Количество восстановившегося в процессе производства МnO2 зависит от технологического процесса производства: от температуры, влажности, воздушных потоков, продолжительности технологических процессов. Экспериментальные данные показали, что полученный нами сорбент на 30% эффективнее продукта, произведенного фирмой Bioconservacion S.A., что, вероятнее всего, связано с восстановлением перманганата калия во время производства.

Различие в содержании различных компонентов в рабочей смеси сорбента связано с требуемыми техническими характеристиками сорбента, такими как прочность, влагоемкость и др. В то же время увеличение процентного содержания в рабочей смеси перманганата калия приводит к тому, что появляется излишек активного компонента при полностью заполненной свободной поверхности цеолита. Данный излишек не позволяет повысить сорбционную емкость адсорбента. Эффективность сорбента зависит от двух составляющих: содержание перманганата калия и технология производства сорбента (в атмосфере кислорода, без атмосферы кислорода).

Из фиг.1, 2, на которых приведены микрофотографии поверхности новых сорбентов нашего и зарубежного производства, видно, что на поверхности сорбента зарубежного производства (фиг.1) присутствуют достаточно крупные вискеры. Данные вискеры, как показал элементный анализ, представляют собой кристаллы МgO2.

На фотографии поверхности сорбента нашего производства (фиг.2) такие вискеры отсутствуют благодаря синтезу в атмосфере кислорода.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Адсорбент для очистки воздуха в помещениях, полученный путем механического нанесения перманганата калия на пористую основу в атмосфере кислорода, пропитки пористой основы перманганатом калия в атмосфере кислорода, отвечающий следующему химическому составу, мас.%: цеолит 35-60%, KМnO4 25-30%, цемент 10-30%, присадка 2-5%.


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2471548

patent-2471548.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс B01J20/02 содержащие неорганические материалы

Патенты РФ в классе B01J20/02:
способ очистки водных растворов от эндотоксинов -  патент 2529221 (27.09.2014)
способ получения сорбентов на основе zn(oh)2 и zns на носителе из целлюлозных волокон -  патент 2528696 (20.09.2014)
способ получения полимер-неорганических композитных сорбентов -  патент 2527217 (27.08.2014)
нанокомпозитная газопоглощающая структура и способ ее получения -  патент 2523718 (20.07.2014)
способ получения сорбентов на основе гидроксида железа и сульфата кальция на носителе из целлюлозных волокон -  патент 2523466 (20.07.2014)
сорбент для диализа -  патент 2514956 (10.05.2014)
спеченный неиспаряющийся геттер -  патент 2513563 (20.04.2014)
плазмосорбент селективный по отношению к свободному гемоглобину и способ его получения -  патент 2509564 (20.03.2014)
способ получения сорбента на основе микросфер зол-уноса для очистки жидких радиоактивных отходов (варианты) -  патент 2501603 (20.12.2013)
фильтрующий элемент, применяемый в сфере очистки природных вод -  патент 2498844 (20.11.2013)

Класс B01J20/18 синтетические цеолитные молекулярные сита

Патенты РФ в классе B01J20/18:
способ очистки водных растворов от эндотоксинов -  патент 2529221 (27.09.2014)
гуминово-глинистый стабилизатор эмульсии нефти в воде -  патент 2528651 (20.09.2014)
способ очистки сточных вод от тяжелых металлов методом адсорбции, фильтрующий материал (сорбент) и способ получения сорбента -  патент 2524111 (27.07.2014)
поглощение летучих органических соединений, образованных из органического материала -  патент 2516163 (20.05.2014)
поверхностно-модифицированные цеолиты и способы их получения -  патент 2506226 (10.02.2014)
адсорбенты без связующего и их применение для адсорбционного выделения пара-ксилола -  патент 2497932 (10.11.2013)
цеолитовый катализатор с цеолитовой вторичной структурой -  патент 2493909 (27.09.2013)
способ отделения мета-ксилола от ароматических углеводородов и адсорбент для его осуществления -  патент 2490245 (20.08.2013)
цеолит y -  патент 2487756 (20.07.2013)
способ получения гибких композиционных сорбционно-активных материалов -  патент 2481154 (10.05.2013)

Класс B01J20/30 способы получения, регенерации или реактивации

Патенты РФ в классе B01J20/30:
способ получения углеродминерального сорбента -  патент 2529535 (27.09.2014)
способ получения сорбентов на основе zn(oh)2 и zns на носителе из целлюлозных волокон -  патент 2528696 (20.09.2014)
гуминово-глинистый стабилизатор эмульсии нефти в воде -  патент 2528651 (20.09.2014)
способ получения полимер-неорганических композитных сорбентов -  патент 2527217 (27.08.2014)
способ получения плавающего углеродного сорбента для очистки гидросферы от нефтепродуктов -  патент 2527095 (27.08.2014)
адсорбент для очистки газов от хлора и хлористого водорода и способ его приготовления -  патент 2527091 (27.08.2014)
способ получения сорбента для извлечения соединений ртути из водных растворов -  патент 2525416 (10.08.2014)
способ получения фильтрующей гранулированной загрузки производственно-технологических фильтров для очистки воды открытых источников водоснабжения -  патент 2524953 (10.08.2014)
способ получения адсорбирующего элемента -  патент 2524608 (27.07.2014)
способ получения регенерируемого поглотителя диоксида углерода -  патент 2524607 (27.07.2014)

Класс B01D53/02 адсорбцией, например препаративной газовой хроматографией 

Патенты РФ в классе B01D53/02:
модульная установка очистки воздуха от газовых выбросов промышленных предприятий -  патент 2529218 (27.09.2014)
способ очистки природного газа и регенерации одного или большего числа адсорберов -  патент 2525126 (10.08.2014)
способ адсорбции кочетова -  патент 2524972 (10.08.2014)
горизонтальный адсорбер кочетова -  патент 2524229 (27.07.2014)
адсорбер для очистки воздуха от паров ртутьсодержащих веществ -  патент 2523803 (27.07.2014)
горизонтальный адсорбер кочетова -  патент 2521928 (10.07.2014)
сорбент на основе сшитого полимера-углерода для удаления тяжелых металлов, токсичных материалов и диоксида углерода -  патент 2520444 (27.06.2014)
поглотитель хлористого водорода -  патент 2519366 (10.06.2014)
способ определения содержания труднолетучих органических соединений в газообразной среде, композиция в качестве сорбента, применение сорбента -  патент 2510501 (27.03.2014)
вертикальный адсорбер кочетова -  патент 2508932 (10.03.2014)


Наверх