способ получения полимерно-глинистой композиции для очистки и обеззараживания воды

Формула изобретения

Способ получения полимерно-глинистой композиции для очистки и обеззараживания воды, заключающийся в том, что к водной суспензии бентонитовой глины добавляют активатор поверхности гуанидинсодержащую соль с четвертичным атомом азота, обрабатывают активированную поверхность непредельной органической кислотой, акриловой или метакриловой кислотой, в присутствии радикального инициатора полимеризации персульфата аммония, при этом активированную бентонитовую глину и непредельную органическую кислоту берут в массовом соотношении 1:1÷2, далее нагревают при температуре 60-70°С при перемешивании до полимеризации непредельной органической кислоты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения химически модифицированных глин, которые могут быть использованы в качестве сорбентов для очистки и обеззараживания воды в различных отраслях промышленности.

Бентонит, относящийся к слоистым глинистым минералам группы смектитов, широко применяется при изготовлении материалов для различных отраслей промышленности: нефтедобычи, металлургии, очистки воды. Возможности бентонита, как исходного сырья для получения новых материалов многоцелевого назначения, далеко не исчерпаны. Высокое содержание в бентоните монтмориллонита, структурными элементами которого являются алюмосиликатные слои толщиной 1 нм, обеспечивает весьма значительный научно-технологический потенциал этого минерала. В настоящее время, в связи с утратой богатых монтмориллонитом месторождений Закавказья, актуальным является вовлечение в промышленное использование российских бентонитов и создание физико-химических основ получения и применения полимерсиликатных композиций с необходимым комплексом технологических свойств.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения органоминерального катионита [Е.Е.Ергожин, A.M.Акимбаева, А.Д.Товасаров. Пластические массы, № 10, 2005].

Способ его получения заключается в том, что бентонит Монракского месторождения (Казахстан), основным породообразующим минералом которого является монтмориллонит, активируют 20% серной кислотой при нагревании в течение 6 часов на водяной бане. Затем бентонит обрабатывают раствором перекиси бензоила в качестве инициатора и высушивают в вакууме до постоянного веса. Высушенный бентонит помещают в реакционную колбу, добавляют водный раствор акриловой кислоты и продувают инертным газом. Реакционную систему при перемешивании нагревают при температуре 60-70°С. При этом получается активированный полиакриловой кислотой бентонит, который проявляет свойства слабокислотного катионита.

Недостатком данного способа получения активированного бентонита является то, что обработка глинистых минералов неорганическими кислотами приводит к глубокому изменению их структуры и свойств. Эти изменения, прежде всего, выражаются в значительном разрушении октаэдрических слоев в результате растворения оксидов алюминия, магния и железа. При этом Н-форма бентонита переходит в Al-форму, особенно при нагревании и увлажнении, что сопровождается значительной потерей активности. Кроме того, данный способ отличается многостадийностью и длительностью процесса.

Задача, решаемая изобретением, - использование бентонитовой глины российского месторождения, упрощение процесса активации поверхности бентонита, повышение сорбционной активности, улучшение эксплуатационных качеств бентонитовой глины, придание композиции биоцидных свойств.

Заявляемый способ заключается в том, что для получения химически активированной поверхности бентонитовой глины, глинистый минерал российского месторождения «Герпегеж» (Кабардино-Балкарская республика), содержащий 80% монтмориллонита подвергают активированию гуанидинсодержащими солями, что приводит к гидрофобизации частиц глины и лучшему совмещению с органическими материалами. В качестве активатора используют биоцидную гуанидинсодержащую соль с четвертичным атомом азота, например: диаллилгуанидинацетат (ДАГА), диаллилгуанидинтрифторацетат (ДАГТФА), метакрилатгуанидин (МАГ), акрилатгуанидин (АГ).

Для получения полимерно-глинистой композиции к водной суспензии бентонитовой глины добавляют активатор поверхности гуанидинсодержащую соль с четвертичным атомом азота, обрабатывают активированную поверхность непредельной органической кислотой, акриловой (АК) или метакриловой (МАК) кислотой, в присутствии радикального инициатора полимеризации персульфата аммония, при этом активированную бентонитовую глину и непредельную органическую кислоту берут в массовом соотношении 1:1÷2, далее нагревают при температуре 60-70°С при перемешивании до полимеризации непредельной органической кислоты.

Способ осуществляется следующим образом:

Пример 1. В суспензию бентонита, содержащую 10 г глины и 50 мл воды, приготовленную перемешиванием при комнатной температуре на магнитной мешалке в течение 30 минут, добавляют диаллилгуанидинацетат и перемешивают еще 2 часа при комнатной температуре. Соотношение гуанидинового соединения и бентонитовой глины 15:85 мас.%. Полученную органоглину промывают водой многократной декантацией и высушивают при комнатной температуре. Затем 40 мл водной суспензии, содержащей 5 г органоглины, помещают в четырехгорлую колбу объемом 0,5 л, снабженную мешалкой, обратным холодильником, термометром, приливают 5 мл метакриловой или акриловой кислоты и персульфат аммония так, чтобы его концентрация в общем растворе объемом 50 мл составляла 5×10^-3 М. Реакционную смесь перемешивают при 60-70°С до полимеризации непредельной органической кислоты. Полученный продукт извлекают из колбы, многократно промывают дистиллированной водой и сушат при комнатной температуре 48 часов.

Пример 2. В суспензию бентонита, содержащую 10 г глины и 50 мл воды, приготовленную перемешиванием при комнатной температуре на магнитной мешалке в течение 30 минут, добавляют диаллилгуанидинтрифторацетат и перемешивают еще 2 часа при комнатной температуре. Соотношение гуанидинового соединения и бентонитовой глины 15:85 мас.%. Полученную органоглину промывают водой многократной декантацией и высушивают при комнатной температуре. Затем 40 мл водной суспензии, содержащей 5 г органоглины, помещают в четырехгорлую колбу объемом 0,5 л, снабженную мешалкой, обратным холодильником, термометром, приливают 8 мл метакриловой или акриловой кислоты и персульфат аммония так, чтобы его концентрация в общем растворе объемом 50 мл составляла 5×10^-3 M. Реакционную смесь перемешивают при 60-70°С до полимеризации непредельной органической кислоты. Полученный продукт извлекают из колбы, многократно промывают дистиллированной водой и сушат при комнатной температуре 48 часов.

Пример 3. В суспензию бентонита, содержащую 10 г глины и 50 мл воды, приготовленную перемешиванием при комнатной температуре на магнитной мешалке в течение 30 минут, добавляют акрилатгуанидин или метакрилатгуанидин и перемешивают еще 2 часа при комнатной температуре. Соотношение гуанидинового соединения и бентонитовой глины 15:85 мас.%. Полученную органоглину промывают водой многократной декантацией и высушивают при комнатной температуре. Затем 40 мл водной суспензии, содержащей 5 г органоглины, помещают в четырехгорлую колбу объемом 0,5 л, снабженную мешалкой, обратным холодильником, термометром, приливают 10 мл метакриловой или акриловой кислоты и персульфат аммония так, чтобы его концентрация в общем растворе объемом 50 мл составляла 5×10^-3 М. Реакционную смесь перемешивают при 60-70°С до полимеризации непредельной органической кислоты. Полученный продукт извлекают из колбы, многократно промывают дистиллированной водой и сушат при комнатной температуре 48 часов.

Технический результат достигается за счет применения для активации глины биоцидных гуанидинсодержащих солей с четвертичным атомом азота, повышения потребительских свойств за счет увеличения сорбционной активности и придания биоцидных свойств, упрощения процесса благодаря сокращению времени модификации глины.

Исследование сорбционной активности у полученных композиций осуществляли традиционными способами, которыми обычно пользуются для оценки активности сорбентов: по адсорбции метиленового синего и йода из водного раствора, в статических условиях. Равновесную концентрацию метиленового синего определяли фотоколориметрическим методом. Равновесную концентрацию йода определяли титрованием раствором тиосульфата натрия. Адсорбционную активность материала осуществляли через определение адсорбционной емкости в мг×г^-1 (таблица 1).

Возможность извлечения синтезированными композиционными материалами некоторых тяжелых металлов из сточных и природных вод исследовали с использованием модельных растворов. Измерения массовой концентрации металлов в пробах воды до и после обработки композитами проводили атомно-адсорбционным методом с электротермической атомизацией с использованием атомно-адсорбционного спектрометра «МГА-915». Результаты исследований приведены в таблице 2.

Проверка эффективности очистки модельной сточной воды от токсичных органических соединений показала, что предлагаемый материал обладает высокой поглотительной способностью к токсичным органическим соединениям, в частности к фенолу. Равновесную концентрацию фенола определяли фотоколориметрическим методом. Были построены изотермы адсорбции фенола из его водных растворов при комнатной температуре. Данные исследования показывают, что поглощательная способность полученных сорбентов по отношению к фенолу увеличивается для композиционных материалов, которые были получены при обработке более высокой концентрацией акриловой или метакриловой кислоты. При содержании фенола менее 1 мг/л его извлечение из раствора составляет 80-95% (см. чертеж).

Исследования бактерицидной активности и токсичности синтезированных композиционных материалов, проведенные совместно с Бактериологической лабораторией ГСЭН КБР и фармацевтическим объединением «Эльфарми» (КБР, г.Нальчик), показали, что эти препараты весьма активны и обладают биоцидным действием по отношению к грамотрицательным (E.coli) микроорганизмам, а также обладают невысокой токсичностью (табл.3).

Таким образом, сочетание в полученных материалах высокой бактерицидной активности с повышенной способностью связываться с тяжелыми металлами и органическими поллютантами открывает возможности их использования в качестве эффективных сорбентов для очистки и обеззараживания воды.

Таблица 1 Оценка адсорбционной емкости полимерных композитов
№ / №	образец	органоглина: АК(МАК)	Адсорбционная емкость, мг×г-1
по йоду	по МС
1	исходная бентонитовая глина(БГ)	-	4	12
2	БГ/ДАГА+АК	1:1	47	72
3	БГ/ДАГА+МАК	1:1	42	68
4	БГ/ДАГТФА+АК	1:1,6	52	70
5	БГ/ДАГТФА+МАК	1:1,6	50	67
6	БГ/МАГ+АК	1:2	63	88
7	БГ/МАГ+МАК	1:2	55	84
8	БГ/АГ+АК	1:2	66	90
9	БГ/АГ+МАК	1:2	64	92

Таблица 2 Измерения массовой концентрации металлов в пробах воды до и после обработки композитами
№ , п/п	Me2+	Концентрация металла, мг/л
До очистки	После очистки	Степень сорбции, %
БГ/МАГ+МАК(1:2)
1	Сu	2,91	0,372	87,2
2	Pb	1,38	0,149	89,2
3	Cd	1,64	0,273	83,3
4	Ni	1,52	0,370	75,6
5	Co	1,28	0,405	68,3
	БГ/МАГ+АК (1:2)
1	Сu	2,91	0,107	96,3
2	Pb	1,38	0,164	88,1
3	Cd	1,64	0,216	86,8
4	Ni	1,52	0,460	69,7
5	Co	1,28	0,382	70,1

Таблица 3 Данные по биоцидности и токсичности полимерно-глинистых композиций
№ пп	Соединение	органоглина: АК(МАК)	It	Число колоний Е.coli, выросших на 1 см3 воды	Диаметр зоны задержки роста (мм)
1	исходная бентонитовая глина		67,5	1206	0
2	БГ/ДАГА+АК	1:1	75,2	32	10
3	БГ/ДАГА+МАК	1:1	98,8	35	9,6
4	БГ/ДАГТФА+МАК	1:1,6	122,4	12	15
5	БГ/ДАГТФА+АК	1:1,6	93,2	16	13
6	БГ/МАГ+АК	1:2	76,1	47	6,5
7	БГ/МАГ+МАК	1:2	79,2	36	9.8
8	БГ/АГ+АК	1:2	100,2	39	8,2
9	БГ/АГ+МАК	1:2	104,6	42	7,8
Примечание. It - индекс токсичности (нетоксичным считается образец, где 120>It>60)