адсорбент для очистки воздуха в помещениях

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%.

Описание изобретения к патенту

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

,

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;

S_уд - 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:

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

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 Т_опт, 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.