сорбент, способ его получения и способ раздельного выделения солей металлов из отходов

Формула изобретения

1. Сорбент на основе мезопористого углерода для разделения ионов тяжелых и цветных металлов, отличающийся тем, что он имеет следующие характеристики:

Суммарный объем пор по Н ₂О (0,2-0,3) см³/г

Удельная поверхность (60,0-80,0) м²/г

Сорбционная активность по йоду (35,0-45,0)%

Сорбционная активность по бензолу (300,0-330,0) мг/г

Зольность (45,0-47,0)%

Насыпной вес (0,28-0,30) кг/дм³

2. Способ получения сорбента, охарактеризованного в п.1, заключающийся в том, что торф обрабатывают раствором гидроксида калия, проводят разделение твердой и жидкой фаз, жидкую фазу подвергают взаимодействию с кислым реагентом, обеспечивая снижение рН до 4,0-6,0 с получением гелеобразного осадка и надосадочной жидкости, отличающийся тем, что надосадочную жидкость обрабатывают кислым реагентом в несколько стадий, обеспечивая снижение рН до 2,0-2,5 с отделением на каждой стадии гелеобразных осадков и надосадочных жидкостей, при этом собирают раздельно гелеобразные осадки и часть надосадочных жидкостей с каждой последующей стадии гелирования, причем раздельно собранные гелеобразные осадки термообрабатывают на воздухе при 110-120°С, продукты термообработки смешивают между собой и твердой фазой, отделенной после обработки торфа раствором гидроксида калия, продукт смешения подвергают карбонизации, активации и гранулированию, полученные гранулы смешивают с ранее полученным гелеобразным осадком с рН 2,0-2,5, промытым водой, до покрытия гранул пленкой геля и подвергают их аэрации при повышенной температуре.

3. Способ раздельного выделения солей металлов из отходов, включающий их измельчение, выщелачивание, хроматографическое фракционирование с использованием сорбента и выделение солей соответствующих металлов, отличающийся тем, что выщелачивание осуществляют раствором, содержащим фульвокислоты, разделяют твердую и жидкую фазы, жидкую фазу пропускают через сорбент, охарактеризованный в п.1, с последующей регенерацией сорбента раствором серной кислоты, а твердую фазу подвергают фракционированию путем ее многостадийной обработки раствором элюента, содержащим фульвокислоты, с повышающимся рН раствора на каждой стадии, после чего элюаты каждой стадии раздельно контактируют с сорбентом, охарактеризованным в п.1, с последующей регенерацией сорбента раствором серной кислоты.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве элюента используют часть надосадочных жидкостей разных стадий гелирования процесса получения используемого сорбента, охарактеризованного в п.2, предварительно определив их сродство к конкретному иону металла.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что контактирование твердой фазы с элюентом осуществляют при наложении активирующего воздействия в виде электрического, электромагнитного, магнитного или теплового поля.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что перед контактированием твердой фазы с элюентом последний подвергают активирующему воздействию электрического, электромагнитного, магнитного или теплового поля.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве отходов используют шлаки и шламы металлургических и гальванических производств.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сорбционным технологиям и может быть использовано для получения углеродного сорбента и его дальнейшего применения для извлечения ценных компонентов из отходов различных производств.

Известны ионообменные материалы, используемые для разделения различных ионов тяжелых и цветных металлов, представляющие собой ионообменные смолы как пористой, так и гелевой структуры (см., например, “Ионообменные материалы для процессов гидрометаллургии, очистки сточных вод и водоподготовки”, каталог под ред. Б.Н.Ласкорина. М., ВНИИХТ, 1980 г.).

Среди известных материалов можно подобрать высокоселективные сорбенты, обеспечивающие высокий коэффициент разделения конкретных ионов при высокой емкости.

Однако описанные материалы довольно дороги.

Известны также углеродные сорбенты, используемые для выделения и разделения ионов металлов (см., например, В.М.Мухин и др. Активные угли России. М., 2000, стр.262-271).

Наиболее близким к предложенному является сорбент на основе мезопористого углерода, который может быть использован для разделения ионов тяжелых и цветных металлов, описанный в упомянутой книге (см. В.М.Мухин и др. Активные угли России. М., 2000, стр.314-319).

Известны также способы получения углеродных сорбентов, предусматривающие карбонизацию и активацию природного сырья, и в частности, торфа (см. В.М.Мухин и др. Активные угли России. М., 2000, стр.254).

Наиболее близким к предложенному является способ получения углеродного сорбента, включающий обработку торфа раствором гидроксида калия, разделение твердой и жидкой фаз, снижение рН жидкой фазы до 4-6 с получением геля, содержащего иммобилизованную гуминовую кислоту (AT 382326, B 01 J 20/24, 1987).

Однако полученный сорбент имеет невысокую гидромеханическую прочность.

Известны многочисленные методы переработки отходов производства, содержащих ценные металлы, которые основаны на выщелачивании сырья и последующем сорбционном выделении ценных компонентов и их разделении (см., например, RU 2067125, 1996; RU 2118384, 1998; RU 2069180, 1996).

В известных способах для выделения ценных компонентов используют кислоты, что создает проблему вторичных отходов, а для разделения компонентов используют, в основном, ионообменные смолы, что приводит к удорожанию процесса.

Известны способы переработки металлосодержащих материалов, которые для повышения степени вскрытия сырья и для интенсификации процесса используют различные виды активации, например механическая активация (RU 2095438, 1997), либо электровоздействие, приводящее к возникновению ультрафиолетового, рентгеновского, оптического излучения (см. RU 2082079, 1997; RU 2082780, 1997; AT 659359, 1994; RU 2198941, 2003).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу раздельного выделения солей металлов из отходов является способ переработки отходов, согласно которому отходы, содержащие различные металлы, подвергают измельчению, выщелачиванию, хроматографическому фракционированию продукта выщелачивания с получением отдельных солей металлов.

Так, например, при переработке концентратов, содержащих благородные металлы, после кислотного окислительного выщелачивания из жидкой фазы отделяют хроматографически сначала золотую фракцию, а оставшуюся жидкость фракционируют хроматографически на отдельные металлы группы платины (RU 2213793, 10.10.2003).

Известный способ является дорогим, поскольку для его осуществления используют дорогие товарные реагенты.

Задачей настоящего изобретения является получение механически прочного сорбента, способного обеспечить высокую степень извлечения солей металлов из отходов производств и их разделение на отдельные компоненты с использованием промежуточных продуктов процесса получения используемого сорбента, т.е. по сути разработать безотходную комплексную технологию получения качественного углеродного сорбента и его использования.

Поставленная задача решается описываемым сорбентом на основе мезопористого углерода для разделения ионов тяжелых и цветных металлов, который имеет следующие характеристики:

суммарный объем пор по Н₂О - (0,2-0,3) см³/г;

удельная поверхность - (60,0-80,0) м²/г

сорбционная активность по йоду - (35,0-45,0)%

сорбционная активность по бензолу - (300,0-330,0) мг/г

зольность - (45,0-47,0)%

насыпной вес - (0,28-0,30) кг/дм³

Поставленная задача решается также способом получения сорбента с вышеуказанными характеристиками, который заключается в том, что торф обрабатывают раствором гидроксида калия, проводят разделение твердой и жидкой фаз, жидкую фазу подвергают взаимодействию с кислым реагентом, обеспечивая снижение рН до 4,0-6,0 с получением гелеобразного осадка и надосадочной жидкости, после чего надосадочную жидкость обрабатывают кислым реагентом в несколько стадий, обеспечивая снижение рН до 2,0-2,5 с отделением на каждой стадии гелеобразных осадков и надосадочных жидкостей, при этом собирают раздельно гелеобразные осадки и часть надосадочных жидкостей с каждой последующей стадии гелирования, причем раздельно собранные гелеобразные осадки термообрабатывают на воздухе при 110-120°С, продукты термообработки смешивают между собой и твердой фазой, отделенной после обработки торфа раствором гидроксида калия, продукт смешения подвергают карбонизации, активации и гранулированию, полученные гранулы смешивают с ранее полученным гелеобразным осадком с рН 2,0-2,5, промытым водой, до покрытия гранул пленкой геля и подвергают их аэрации при повышенной температуре.

Поставленная задача решается также описываемым способом раздельного выделения солей металлов из отходов, включающим их измельчение, выщелачивание, хроматографическое фракционирование с использованием сорбента и выделение солей соответствующих металлов, выщелачивание осуществляют раствором, содержащим фульвокислоты, разделяют твердую и жидкую фазы, жидкую фазу пропускают через сорбент, который охарактеризован выше, с последующей регенерацией сорбента раствором серной кислоты, а твердую фазу подвергают фракционированию путем ее многостадийной обработки раствором элюента, содержащим фульвокислоты, с повышающимся рН раствора на каждой стадии, после чего элюаты каждой стадии раздельно контактируют с сорбентом, характеристики которого приведены выше с последующей регенерацией сорбента раствором серной кислоты.

Способ характеризуется тем, что в качестве элюента используют надосадочные жидкости разных стадий гелирования процесса получения используемого сорбента, который описан выше, предварительно определив их сродство к конкретному иону металла.

Для повышения эффективности процесса контактирование твердой фазы с элюентом осуществляют при наложении активирующего воздействия в виде электрического, электромагнитного, магнитного или теплового поля, либо перед контактированием твердой фазы с элюентом последний подвергают активирующему воздействию электрического, электромагнитного, магнитного или теплового поля.

Способ предполагает использование шлаков и шламов металлургических и гальванических производств в качестве перерабатываемых отходов.

Пример 1 (осуществление способа получения сорбента).

Используется низинный торф Мельчевского месторождения, который обрабатывают 0,5% раствором гидроксида калия. Проводится разделение твердой и жидкой фаз, после чего последнюю обрабатывают соляной кислотой, снижая рН в несколько стадий, с шагом по рН, равным 2,0. Гелеобразные осадки с каждой стадии гелирования подвергают термообработке в течение 14 часов воздушным потоком при 110-120°С, смешивают полученные продукты с полученной после обработки низинного торфа раствором гидроксида калия твердой фазой. Смесь подвергают карбонизации при 550-600°С и в течение 30 минут осуществляют выдержку при конечной температуре. После этого ее охлаждают и активируют водяным паром при 830-850°С. После проведения процесса гранулирования смеси гранулы смешивают с гелеобразным осадком второй стадии гелирования, предварительно промытым водой, до получения сорбента, и проводят сушку в потоке воздухе при температуре 60°С. Полученный сорбент имеет, например, следующие характеристики:

Таблица 1
№	Наименование показателей, ед. измерения
1	Влажность, %	0,0
2	Зольность, %	46,91
3	Гранулометр. состав, %
	5 мм	9,55
	3 мм	70,41
	1 мм	16,48
	0,4 мм	0,84
4	Насыпной вес, кг/дм3	0,295
5	Прочность на истир., %	76,7
6	Удельная пов-ть, м2/г	69,70
7	рН	7,0
8	Сорбционная активность по йоду, %	41,34
9	Сорбционная активность по бензолу, мг/г	319,50
10	Суммарный объем пор по воде, см 3/г	0,24

Данным способом получают гранулы как одинаковые, так и различные по геометрическим размерам, а также геометрически подобные. Сечения гранул отвечают ряду кривых второго порядка. Получение гранул различного вида расширяет область применения сорбента, созданного предложенным методом.

Использование данного сорбента, обладающего повышенными прочностными характеристиками, повышенными значениями сорбционных емкостей, а также способностью функционирования в различных растворах, позволяет проводить эффективную очистку растворов и вод от тяжелых металлов и органических примесей.

Пример 2 (реализация способа извлечения металлов из шлама).

Измельчаем 1 кг шлама Коломенского машиностроительного завода, состав которого приведен в таблице 2.

Таблица 2
п/п	Наименование ингредиентов	Исходный результат	Конечный результат
1	2	3
1	Реакция среды, ед. рН	7.1
2	Плотность, кг/м	1410
3	Полная влажность. %	86.0
4	Гигроскопическая влажность. %	6.53
5	Нерастворимый остаток (SiO2 , Аl2О3 и	-
6	Хлориды. мг/кг	1043
7	Сульфаты. мг/кг	4919
8	Нефтепродукты, мг/кг абс. cухoгo	623
9	Азот аммонийный, мг/кг	318
10	Мель, мг/кг	437	16
11	Цинк, мг/кг	744	81
12	Никель, мг/кг	295	45
13	Марганец, мг/кг	-
14	Железо общ., мг/кг	4039	100
15	Хром, мг/кг	264	20
16	Фосфаты (по фосфору), мг/кг	19

Собирают надосадочные жидкости, полученные после первой и второй стадии гелирования при получении сорбента (см. пример 1). Количество полученной смеси над осадочных жидкостей составило 0,5 кг. Шлам перемешивают со смесью надосадочных жидкостей с рН 5,0 до получения пульпы при температуре 50°С. Длительность перемешивания - 3 часа. При этом выщелачиваются ионы хрома, железа и никеля с образованием соответствующих солей. После разделения пульпы на твердую и жидкую фазу последнюю пропускают через полученный в примере 1 сорбент. Загруженный сорбент регенерируют 5% раствором серной кислоты с получением сульфатов соответствующих металлов. В результате удаляются водорастворимые формы металлов, содержащиеся в исходном шламе.

После этого проводится химический анализ твердой фазы, полученной после разделения пульпы, и определяется наличие и содержание нерастворимых соединений металлов (никеля, меди). Твердую фазу последовательно обрабатывают соответствующими надосадочными жидкостями разных стадий гелирования (для никеля рН 4, для меди рН 2) при температуре 50°С в течение 2-х часов, и соотношении Т:Ж=1:10. После этого проводят разделение смеси на твердую и жидкую фазы и пропускают жидкую фазу через полученный ранее сорбент. Загруженный сорбент регенерируют 5% раствором серной кислоты с получением сульфатов соответствующих металлов (железа, меди, никеля, хрома, и т.д.)

Пример 3. Измельчают 1 кг шлама Коломенского машиностроительного завода, состав которого приведен в таблице 2. Собирают надосадочные жидкости, полученные после первой и второй стадии гелирования при получении сорбента (см. пример 1). Количество полученной смеси надосадочных жидкостей составило 0,5 кг. Шлам перемешивают со смесью надосадочных жидкостей с рН 5,0 до получения пульпы при температуре 50°С. Длительность перемешивания - 3 часа. При этом выщелачиваются ионы хрома, железа и никеля с образованием соответствующих солей. После разделения пульпы на твердую и жидкую фазу последнюю пропускают через полученный в примере 1 сорбент. Загруженный сорбент регенерируют 5% раствором серной кислоты с получением сульфатов соответствующих металлов. В результате удаляются водорастворимые формы металлов, содержащиеся в исходном шламе.

После этого проводится химический анализ твердой фазы, полученной после разделения пульпы, и определяется наличие и содержание нерастворимых соединений металлов (никеля, меди). Твердую фазу последовательно обрабатывают соответствующими надосадочными жидкостями разных стадий гелирования (для никеля рН 4, для меди рН 2) при соотношении Т:Ж=1:10, осуществляя в процессе обработки активизирующее воздействие магнитньм полем с напряженностью 1 кэ. После этого проводят разделение смеси на твердую и жидкую фазы и пропускают жидкую фазу через полученный ранее сорбент. Загруженный сорбент регенерируют 5% раствором серной кислоты с получением сульфатов соответствующих металлов (железа, меди, никеля, хрома, и т.д.). Результатом воздействия магнитного поля (при тех же самых конечных результатах, полученных в примере 2) является снижение расхода используемых надосадочных жидкостей, что в конечном итоге снижает себестоимость технологического процесса.

Аналогичным образом проведено раздельное выделение солей металлов из шлаков и шламов при использовании в качестве активирующего воздействия электрического и электромагнитного полей. Результаты исследований показали, что активирующее воздействие в виде электрического, магнитного, электромагнитного и теплового полей, осуществляемое как в процессе контактирования твердой фазы с элюентом, так и перед контактированием, позволяет повысить степень элюирования ценных компонентов.