способ получения сорбента на основе фосфата титана

Формула изобретения

1. Способ получения сорбента на основе фосфата титана, включающий взаимодействие фосфатного и титансодержащего растворов при перемешивании с образованием и полимеризацией гидрогеля фосфата титана, отделение гидрогеля от раствора, его промывку и сушку, отличающийся тем, что перед взаимодействием с фосфатным раствором титансодержащий раствор нагревают до 70-100°С, взаимодействие осуществляют при мольном соотношении Р:Ti=(1,0-2,6):1,0, перед сушкой гидрогель термообрабатывают при 35-100°С, затем проводят сушку при более высокой температуре от 100 до 120°С, при этом сорбент получают либо в виде гранул формованием продукта перед термообработкой, либо в виде неформованных частиц путем измельчения сорбента после сушки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве титансодержащего раствора используют сернокислый или солянокислый раствор с концентрацией титана 0,6-2,8 моль/л.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве фосфатного раствора используют раствор ортофосфорной кислоты с концентрацией 0,5-3,6 моль/л.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что гидрогель формуют или измельчают до крупности соответственно гранул или частиц 0,6-10,0 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения соединений на основе малорастворимых солей поливалентных металлов и многоосновных кислот, в частности фосфата титана, который может быть использован в качестве сорбента различных катионов из водно-солевых растворов в непрерывном колоночном режиме.

Широкое применение сорбционных методов для регенерации технологических растворов и их очистки от различных катионов, в частности очистки жидких радиоактивных отходов сложного состава от радионуклидов, требует организации непрерывного динамического процесса в колоночном режиме. Для этого необходимо формование сорбентов в виде гранул или иных компактных частиц требуемого размера. Получение сорбента в мелкодисперсном состоянии затрудняет процесс фильтрации при отделении очищенного раствора от отработанного сорбента. В частности, мелкодисперсный сорбент обладает гидродинамическим сопротивлением, равным 190 кПа, при линейной скорости фильтрации V=5 м/ч через колонну диаметром d=1 см и высотой слоя сорбента Н=10 см.

Известен способ получения сорбента на основе фосфата титана (см. Амфлет Ч. Неорганические иониты. - М.: Мир, 1966, - 188 с.) путем смешивания раствора водорастворимой соли титана с раствором ортофосфорной кислоты или раствором ее водорастворимой соли с последующим отделением жидкой фазы от образованного сорбента на основе фосфата титана.

Недостатком способа является то, что по нему получают мелкодисперсный аморфный продукт, обладающий низкими фильтрационными характеристиками.

Известен способ получения сорбента на основе фосфата титана (см. Шарыгин Л.М., Моисеев В.Е., Пышкин В.П. и др. Синтез фосфатов циркония, титана и олова золь-гель-методом и исследование их свойств //Неорганические материалы. 1983, Т.19, №11, С.1899-1902), включающий упаривание или электродиализ раствора тетрахлорида титана с получением золя гидроксида титана, вливание по каплям золя гидроксида титана в аммиачный раствор, фильтрацию и отмывку от электролита гелеобразного осадка, сушку его с получением ксерогеля, обработку ксерогеля фосфорной кислотой. По этому способу получают аморфный гранулированный сорбент с размерами гранул 0,6-1,1 мм, что допускает его использование в динамических условиях для заполнения катионообменных колонн.

Недостатками указанного способа являются то, что сорбционная емкость по цезию получаемого сорбента составляет 0,48-0,57 мг-экв/г при теоретически возможной 6,2-6,3 мг-экв/г в пересчете на безводный продукт. Одной из причин низких значений статической обменной емкости является то, что в полученном по такому способу сорбенте атомное отношение P:Ti не превышает 0,6. Кроме того, способ отличает сложность и трудоемкость организации процесса, а также значительное число стадий процесса синтеза.

Известен также способ получения сорбента на основе фосфата титана (см. Долматов Ю.Д., Булавина З.Н. и Долматова М.Ю. О сорбции цезия, стронция и кальция из растворов фосфатом титана (IV) //Радиохимия. 1972, т.14, вып. 4, стр. 526-530), включающий взаимодействие 79,4%-ной (13,1 моль/л) фосфорной кислоты и солянокислого или сернокислого растворов титана (IV) с концентрацией титана 1,3 моль/л при перемешивании с полимеризацией фосфата титана. Взаимодействие растворов ведут при мольном соотношении P:Ti=3-30:1. Образовавшийся осадок отстаивают в течение 1-2 суток, многократно декантируют, отделяют полученный гидрогель фильтрацией, промывают и сушат при комнатной температуре или при 200° С. Получаемый сорбент представляет собой кристаллические частицы крупностью 0,6-0,85 мкм.

Получаемый сорбент имеет удовлетворительную сорбционную емкость, обусловленную развитой поверхностью сорбента. С другой стороны, в силу низкой крупности сорбента (0,6-0,85 мкм) и соответственно высокого гидродинамического сопротивления сорбента он не может быть использован в непрерывном колоночном режиме при очистке водно-солевых растворов от различных катионов, в частности Cs и Na. Известный способ не предусматривает формования или измельчения гидрогеля и характеризуется повышенным расходом фосфорной кислоты и промывной воды.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи получения аморфного сорбента на основе фосфата титана в виде укрупненных гранул или частиц, механически устойчивых в водной среде, обладающих высокими сорбционными характеристиками и низким гидродинамическим сопротивлением, что обеспечивает возможность их использования для очистки водно-солевых растворов в непрерывном колоночном режиме. Задача изобретения состоит также в снижении расхода реагентов на получение сорбента.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения сорбента на основе фосфата титана, включающем взаимодействие фосфатного и титансодержащего растворов при перемешивании с образованием и полимеризацией гидрогеля фосфата титана, отделение гидрогеля от раствора, его промывку и сушку, согласно изобретению перед взаимодействием с фосфатным раствором титансодержащий раствор нагревают до 70-100° С, взаимодействие осуществляют при мольном соотношении P:Ti=(1,0-2,6):1,0, перед сушкой гидрогель термообрабатывают при 35-100° С, затем проводят сушку при более высокой температуре от 100 до 120° С, при этом сорбент получают либо в виде гранул формованием продукта перед термообработкой, либо в виде неформованных частиц путем измельчения сорбента после сушки.

Поставленная задача решается также тем, что в качестве титансодержащего раствора используют сернокислый или солянокислый раствор с концентрацией титана 0,6-2,8 моль/л.

Поставленная задача решается и тем, что в качестве фосфатного раствора используют раствор ортофосфорной кислоты с концентрацией 0,5-3,6 моль/л.

Решение поставленной задачи достигается также тем, что гидрогель формуют или измельчают до крупности соответственно гранул или частиц 0,6-10,0 мм.

Сущность изобретения заключается в том, что синтез сорбента на основе фосфата титана осуществляют взаимодействием фосфатного и нагретого до 70-100° С титансодержащего растворов при мольном соотношении P:Ti=(1,0-2,6):1,0. Титансодержащий раствор может включать соединения других металлов-комплексообразователей, преимущественно железа. Образующийся в результате взаимодействия гидрогель отделяют от маточного раствора, промывают водой и подвергают термообработке в закрытой емкости при 35-100° С с полимеризацией гидрогеля, а затем сушат при 100-120° С. Гидрогель формуют в гранулы перед термообработкой либо измельчают после сушки.

Предлагаемым способом получают аморфный сорбент на основе фосфата титана с общей формулой ТiOНРO₄· nН₂О, где n=6,35-6,85, представляющий собой гранулы или частицы крупностью 0,6-10,0 мм сферической, цилиндрической или неправильной формы с развитой поверхностью мезопор, механически устойчивые в водных средах. С учетом того, что гранулированный сорбент крупностью 0,6-1,0 мм имеет гидродинамическое сопротивление 4830 Па, увеличение размера гранул или частиц до 10 мм приводит к еще большему снижению гидродинамического сопротивления сорбента.

Предварительное нагревание титансодержащего раствора до 70-100° С при взаимодействии с фосфатным раствором способствует повышению полноты осаждения фосфата титана до 98-99%, укрупнению выпадающих частиц и снижению за счет этого захвата маточного раствора, что облегчает и ускоряет последующую промывку продукта. При этом расход воды на промывку 1 кг гидрогеля составляет 1,6-1,8 литра. Кроме того, на сушку менее обводненного фосфата титана, получаемого по предложенному способу, требуется меньше затрат энергии. Нагревание до температуры ниже 70° С приводит к образованию излишне обводненной плохо фильтрующейся твердой фазы гидрогеля, а нагревание до температуры выше 100° С - к повышенным затратам энергии.

При взаимодействии фосфатного и титансодержащего растворов без нагревания полнота осаждения титана составляет 85-90%, а на промывку 1 кг образующегося обводненного гидрогеля требуется не менее 3-5 литров воды.

Проведение взаимодействия фосфатного и титансодержащего растворов при мольном соотношении P:Ti менее 1,0 не обеспечивает полноту перехода титана сорбент. При мольном соотношении P:Ti более 2,6 происходит нежелательное увеличение расхода ортофосфорной кислоты на получение сорбента, а также вторичное загрязнение очищаемой водной среды при использовании сорбента.

Использование в качестве титансодержащего раствора сернокислого или солянокислого раствора с концентрацией титана 0,6-2,8 моль/л позволяет формировать в сильнокислой среде полимерные формы титана с развитой структурой оксо-гидроксомостиковых связей, обеспечивающей эффективное укрупнение частиц на стадиях термической обработки гидрогеля и его сушки.

Использование в качестве фосфатного раствора ортофосфорной кислоты с концентрацией 0,5-3,6 моль/л способствует образованию гидрофосфатных форм титана, имеющих развитую систему активных сорбционных центров в виде бидентатных гидрофосфатных групп, не разрушающихся при гидролизе сорбента в очищаемой водной среде и не подвергающих ее вторичному загрязнению.

Термообработку гидрогеля на основе фосфата титана проводят в закрытой емкости при 35-100° С в течение 20-36 часов, что обеспечивает его полимеризацию в результате процессов оляции и оксоляции. При этом происходит вызревание геля и формирование его структуры с укрупнением частиц сорбента и их связыванием за счет многократного повторения актов образования оксо- или фосфатных связей между атомами титана. В результате получают продукт, механически устойчивый в водных средах. При быстром высыхании гидрогеля количество образованных мостиковых оксо-связей, соединяющих различные частицы, недостаточно для связывания и укрупнения частиц сорбента. Термообработка при температуре ниже 35° С или выше 100° С и времени менее 20 и более 36 часов приводит к понижению механической устойчивости сорбента в водной среде.

Последующая сушка гидрогеля, содержащего некоторое количество влаги, при более высокой температуре 100-120° С позволяет получать сорбент с оптимальными сорбционными характеристиками. Сушка при температуре менее 100° С снижает эффективность процесса, а сушка при температуре более 120° С ведет к потере механической устойчивости сорбента при взаимодействии его с водной средой.

Формование гидрогеля в гранулы перед термообработкой позволяет получать практически 100% выход продукта в виде гранул требуемой крупности.

Измельчение гидрогеля после сушки дает более широкий спектр частиц по крупности.

Гидрогель формуют или механически измельчают до крупности соответственно гранул или частиц 0,6-10,0 мм, которая обеспечивает достаточно низкое гидравлическое сопротивление при сохранении высокой сорбционной емкости и приемлемого времени контакта очищаемого раствора и сорбента.

Сущность и преимущества заявляемого способа могут быть проиллюстрированы следующими примерами.

Пример 1. 100 мл сернокислого раствора с концентрацией титана 2,8 моль/л нагревают до температуры 70° С и приливают при перемешивании 117 мл 2,4 моль/л раствора ортофосфорной кислоты. При этом мольное соотношение Р:Тi составляет 1. Осадок гидрогеля отделяют от раствора фильтрацией, промывают водой, формуют с использованием таблетирующего устройства гранулы размером 6 мм и подвергают их термической обработке в закрытой емкости при 35° С в течение 36 ч. Затем гранулы геля сушат при температуре 100° С. Получают 77,70 г аморфного гранулированного сорбента на основе фосфата титана. Испытания показали, что гранулы сорбента самопроизвольно не разрушаются в водной среде. Сорбционные характеристики продукта приведены в таблице.

Пример 2. 100 мл сернокислого раствора с концентрацией титана 1,4 моль/л нагревают до температуры 100° С и приливают при перемешивании 58 мл 2,4 моль/л раствора ортофосфорной кислоты. При этом мольное соотношение Р:Тi составляет 1. Осадок гидрогеля отделяют от раствора фильтрацией, промывают водой, формуют с использованием таблетирующего устройства гранулы размером 3 мм и подвергают их термической обработке в закрытой емкости при 100° С в течение 20 ч. Затем гранулы геля сушат при температуре 120° С. Получают 36,27 г гранулированного сорбента на основе фосфата титана. Испытания показали, что гранулы сорбента самопроизвольно не разрушаются в водной среде. Сорбционные характеристики продукта приведены в таблице.

Пример 3. 100 мл сернокислого раствора с концентрацией титана 1,4 моль/л нагревают до температуры 90° С и приливают при перемешивании 175 мл 0,8 моль/л раствора ортофосфорной кислоты. При этом мольное соотношение P:Ti составляет 1. Осадок гидрогеля отделяют от раствора фильтрацией, промывают водой, формуют с использованием таблетирующего устройства гранулы размером 10 мм и подвергают их термической обработке в закрытой емкости при 95° С в течение 26 ч. Гранулы геля сушат при температуре 110° С. Получают 37,23 г гранулированного сорбента на основе фосфата титана. Испытания показали, что гранулы сорбента самопроизвольно не разрушаются в водной среде. Сорбционные характеристики продукта приведены в таблице.

Пример 4. 100 мл сернокислого раствора с концентрацией 1,4 моль/л нагревают до температуры 80° С и приливают при перемешивании 82 мл 2,4 моль/л раствора ортофосфорной кислоты. При этом мольное соотношение P:Ti составляет 1,4. Осадок гидрогеля отделяют от раствора центрифугированием, промывают водой, подвергают термической обработке в закрытой емкости при 70° С в течение 30 ч, а затем сушат при температуре 110° С. Полученную твердую массу механически измельчают до размеров частиц 0,6-10,0 мм и рассеивают на классы. Получают 37,68 г гранулированного сорбента на основе фосфата титана. Испытания показали, что частицы сорбента самопроизвольно не разрушаются в водной среде. Сорбционные характеристики продукта приведены в таблице.

Пример 5. 100 мл сернокислого раствора с концентрацией титана 2,1 моль/л нагревают до температуры 90° С и приливают при перемешивании 117 мл 3,6 моль/л раствора ортофосфорной кислоты. При этом мольное соотношение P:Ti составляет 2. Осадок гидрогеля отделяют от раствора центрифугированием, промывают водой, подвергают термической обработке в закрытой емкости при 100° С в течение 20 ч, а затем сушат при температуре 120° С. Полученную твердую массу механически измельчают до размеров частиц 0,6-10,0 мм и рассеивают на классы. Получают 53,68 г гранулированного сорбента на основе фосфата титана. Испытания показали, что частицы сорбента самопроизвольно не разрушаются в водной среде. Сорбционные характеристики продукта приведены в таблице.

Пример 6. 100 мл сернокислого раствора с концентрацией титана 1,4 моль/л нагревают до температуры 75° С и приливают при перемешивании 210 мл 1,2 моль/л раствора ортофосфорной кислоты. При этом мольное соотношение P:Ti составляет 1,8. Осадок гидрогеля отделяют от раствора центрифугированием, промывают водой, подвергают термической обработке при 45° С в течение 36 ч, а затем сушат при температуре 100° С. Полученную твердую массу механически измельчают до размеров частиц 0,6-10,0 мм и рассеивают на классы. Получают 39,91 г гранулированного сорбента на основе фосфата титана. Испытания показали, что частицы сорбента самопроизвольно не разрушаются в водной среде. Сорбционные характеристики продукта приведены в таблице.

Пример 7. 100 мл сернокислого раствора с концентрацией титана 1,4 моль/л нагревают до температуры 70° С и приливают при перемешивании 303 мл 1,2 моль/л раствора ортофосфорной кислоты. При этом мольное соотношение P:Ti составляет 2,6. Осадок гидрогеля отделяют от раствора центрифугированием, промывают водой, подвергают термической обработке при 70° С в течение 30 ч, а затем сушат при температуре 110° С. Полученную твердую массу механически измельчают до размеров частиц 0,6-10,0 мм и рассеивают на классы. Получают 39,53 г гранулированного сорбента на основе фосфата титана. Испытания показали, что частицы сорбента самопроизвольно не разрушаются в водной среде. Сорбционные характеристики продукта приведены в таблице.

Пример 8. 100 мл сернокислого раствора с концентрацией титана 2,8 моль/л нагревают до температуры 85° С и приливают при перемешивании 210 мл 1,6 моль/л раствора ортофосфорной кислоты. При этом мольное соотношение P:Ti составляет 1,2. Осадок гидрогеля отделяют от раствора фильтрацией, промывают водой, формуют с использованием таблетирующего устройства гранулы размером 2 мм и подвергают их термической обработке в закрытой емкости при 80° С в течение 24 ч. Затем гранулы геля сушат при температуре 120° С. Получают 76,66 г гранулированного сорбента на основе фосфата титана. Испытания показали, что гранулы сорбента самопроизвольно не разрушаются в водной среде. Сорбционные характеристики продукта приведены в таблице.

Пример 9. 100 мл сернокислого раствора с концентрацией титана 2,1 моль/л нагревают до температуры 95° С и приливают при перемешивании 117 мл 1,8 моль/л раствора ортофосфорной кислоты. При этом мольное соотношение P:Ti составляет 1. Осадок гидрогеля отделяют от раствора фильтрацией, промывают водой, формуют с использованием таблетирующего устройства гранулы размером 5 мм и подвергают их термической обработке в закрытой емкости при 75° С в течение 24 ч. Затем гранулы геля сушат при температуре 110° С. Получают 56,55 г гранулированного сорбента на основе фосфата титана. Испытания показали, что гранулы сорбента самопроизвольно не разрушаются в водной среде. Сорбционные характеристики продукта приведены в таблице.

Пример 10. 100 мл солянокислого раствора с концентрацией титана 0,6 моль/л нагревают до температуры 80° С и приливают при перемешивании 144 мл 0,5 моль/л раствора ортофосфорной кислоты. При этом мольное соотношение P:Ti составляет 1,2. Осадок гидрогеля отделяют от раствора фильтрацией, промывают водой, формуют с использованием таблетирующего устройства гранулы размером 4 мм и подвергают их термической обработке в закрытой емкости при 80° С в течение 28 ч. Затем гранулы геля сушат при температуре 110° С. Получают 16,56 г гранулированного сорбента на основе фосфата титана. Испытания показали, что гранулы сорбента самопроизвольно не разрушаются в водной среде. Сорбционные характеристики продукта приведены в таблице.

Из приведенных выше примеров видно, что предлагаемый способ обеспечивает получение гранулированного аморфного сорбента на основе фосфата титана с крупностью частиц 0,6-10,0 мм. Сорбент обладает высокой статической обменной емкостью, низким гидродинамическим сопротивлением и устойчив к самопроизвольному механическому разрушению в водных средах, что позволяет использовать его в ионообменных колоннах при организации непрерывного динамического процесса очистки технологических растворов от различных катионов. Предлагаемый способ характеризуется также пониженным расходом реагентов и более низким расходом воды на стадии промывки гидрогеля.