способ получения сорбента

Формула изобретения

Способ получения сорбента для очистки природных и сточных вод, включающий смешивание 20 г измельченной опоки до размера 0,001 мм в поперечнике, 60 г портландцемента - 500, 10 г 10%-ного водного раствора хлорида натрия, 10 г 10% водного раствора хлорида кальция, отличающийся тем, что в массу вносят 20 г активного угля БАУ-4, компоненты смешивают до получения тестообразной массы, массу пропускают через шнековый измельчитель, полученные гранулы высушивают при температуре 20-35°C, после схватывания массы выдерживают в проточной воде до отрицательной реакции на хлорид-ион.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения сорбента, который может быть использован для очистки природных и сточных вод.

Способ получения сорбента заключается в том, что смешивают 20 г опок измельченных до размера 0,001 мм в поперечнике, 20 г активного угля БАУ - 4, 60 г портландцемента - 500 и 10 г 10%-ного водного раствора хлорида натрия, 10 г 10% водного раствора хлорида кальция, компоненты смешивают до получения тестообразной массы, массу пропускают через шнековыи измельчитель, полученные гранулы высушивают при температуре 20-35°C, после схватывания массы выдерживают в проточной воде до отрицательной реакции на хлорид-ион.

Известен способ приготовления сорбента для очистки питьевой и промышленной воды от ионов тяжелых металлов, нефтепродуктов, фенола и поверхностно-активных веществ. В качестве природного адсорбента используют кремнистую породу смешанного минерального состава, содержащую, мас.%: опал-кристоболит 30-49, цеолит 7-25, глинистая составляющая 7-25, обломочно-песчано-алевритовый материал - остальное [1].

Недостатком данного способа является небольшая степень очистки воды от ионов тяжелых металлов. Кроме того, обработку породы проводят при температуре 250°C, что требует использования трудоемкого технологического оформления процесса активации сорбента.

Известен способ приготовления сорбента для адсорбционной очистки воды от ионов тяжелых металлов, нефтепродуктов, фенола, поверхностно-активных веществ и солей жесткости. В качестве адсорбента используют кремнистую породу смешанного минерального состава, содержащую в мас.%: опал-кристобалит 51-70, цеолит 9-25, глинистая составляющая (монтмориллонит, гидрослюда) 7-15, кальцит 10-25, обломочно-песчано-алевритовый материал - остальное, отобранную с месторождений Татарстана. Адсорбент в воздушно-сухом состоянии дробят, измельчают и рассеивают на ситах, выделяют фракцию (1,0-4,0)·10³ м. Пробу прокаливают (скорость подъема температуры 50°C в час) в электропечи при 300°C в течение 2-х часов. В фарфоровый стакан загружают предварительно подготовленную пробу и 2 н. раствор соляной кислоты (HCl) при соотношении твердая фаза: жидкость = 1:2. Обработку проводят при комнатной температуре в течение 20 мин, периодически перемешивая стеклянной палочкой. Затем сливают раствор соляной кислоты и адсорбент нейтрализуют 0,05 н. раствором NaOH до рН=7,0 [2].

Недостатком данного способа является использование соляной кислоты, что требует оборудования, обладающего устойчивостью к агрессивным средам.

Известно изобретение, в котором загрузка контактного фильтра содержит в качестве верхнего слоя опоки марки ОДМ-2Ф с крупностью зерен 2,3-3,5 мм и плотностью 1,35 кг/м³; в качестве среднего слоя - антрацит крупностью зерен 1,5-2,3 мм и плотностью 1,6 кг/м³; нижний слой - песок с крупностью зерен 0,7-1,5 мм и плотностью 2,6 кг/м ³. Изобретение обеспечивает получение кондиционной питьевой воды с высокой производительностью [3].

Недостатком данного варианта является то, что при фильтрации воды через опоки длительное время наблюдается опалесценция очищенной воды. Она исчезает, но после остановки и запуска установки опалесценция вновь возникает. Кроме того, при использовании данного варианта загрузки не удается длительное время удерживать в фильтре содержание токсикантов на уровне или ниже уровня требований к воде питьевого и хозяйственного назначения.

Известно изобретение, которое относится к способам получения сорбентов из природного сырья. Измельчают опоку Астраханской области, содержащую (мас.%): SiO₂ - 78-80; Al₂O₃ - 18-22; Fe₂O₃ - 0,5; H₂O - 0,2-0,5; CaSO₄ - 0,3-0,5; СаСО₃ - 0,12-0,8, выделяют частицы размером от 3 до 10 мм в поперечнике, промывают водой до удаления пыли и высушивают при 100-105°С до остаточной влажности 2% [4].

Недостатком способа является то, что для отмывания сорбента от коллоидно-дисперсных частиц требуется большой расход воды, что удорожает его эксплуатационную характеристику.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ получения сорбента, включающий смешивание измельченной опоки с дополнительными компонентами и формование гранул, отличающийся тем, что на смешивание подают 1 кг опоки, измельченной до размера 0,001 мм в поперечнике, 0,2 кг тонкоизмельченного катионита КУ-2-8, 0,2 кг тонкоизмельченного анионита АВ-17, 1 кг портландцемента-500 и 1,5 кг 10%-ного раствора хлорида натрия. Компоненты смешивают до получения тестообразной массы, массу пропускают через шнековый измельчитель, полученные гранулы высушивают, обрабатывают острым паром при 180°С до полного схватывания и выдерживают в проточной воде до отрицательной реакции на хлорид ионы [5].

Недостатком данного изобретения является большой расход тепла на получение сорбента, а также наличие в составе сорбента катионита и анионита, которые поглощают тяжелые металлы лишь на поверхности сорбента.

Целью данного изобретения является разработка простого и экологически чистого способа получения сорбента на основе природных алюмосиликатов.

Предлагаемый способ получения сорбента включает в себя: смешивание 20 г опок измельченных до размера 0,001 мм в поперечнике, 20 г активного угля БАУ - 4, 60 г портландцемента - 500 и 10 г 10%-ного водного раствора хлорида натрия, 10 г 10% водного раствора хлорида кальция, компоненты смешивают до получения тестообразной массы, массу пропускают через шнековый измельчитель, полученные гранулы высушивают при температуре 20-35°C, после схватывания массы, выдерживают в проточной воде до отрицательной реакции на хлорид-ион. Полученный сорбент обеспечивает поглощение из очищаемой воды большого ассортимента примесей.

Гигиеническая оценка сорбентов для очистки воды в системе хозяйственно-питьевого водоснабжения проводилась согласно ТУ 2641-001-51652069-2001 с учетом методических указаний по гигиенической оценке материалов, реагентов, оборудования, технологий, используемых в системе водоснабжения МУ 2.1.4.783. Полученные результаты исследований приведены в табл.1

Таблица 1
Показатели качества воды (водных вытяжек) в статическом эксперименте. Вода водопроводная доочищенная с солесодержанием 160 мг/дм 3; температура воды - (25±5)°C; время настаивания 1-30 суток (1-я серия исследований), сорбент для очистки воды
Показатели	Гигиенический норматив	Сутки наблюдения
		Тотчас	1	3	5	10	20	30
Запах, баллы	2
Проба		-	0-1	0-1	0-1	0-1	0-1	0-1
Контроль		0-1	0-1	0-1	0-1	0-1	0-1	0-1
Привкус, баллы	1
Проба		-	0-1	0-1	0-1	0-1	0-1	0-1
Контроль		0-1	0-1	0-1	0-1	0-1	0-1	0-1
Цветность, градусы	20
Проба		-	0	0	0	1	0	0
Контроль		2	1	-	-	2	2	2
Мутность	1,5
Проба		-	0,6	0,28	-	0,1	0,12	0,1
Контроль		<0,1	<0,1	<0,1	-	0,1	0,1	0,1
pH, условные единицы	<6:<9
Проба		-	7,3	7,32	7,3	7,34	7,32	7,34
Контроль		7,4	7,2	7,24	7,28	7,26	7,26	7,28
Перманганантная окисляемость, мг O2/дм3	<5
Проба		4,0	4,0	4,1	4,1	4,15	4,15	4,15
Контроль		3,9	3,9	4,0	4,12	4,16	4,16	4,16
Аммонийный азот мг/дм3	<2
Проба		-	-	-	-	-	-	0,96
Контроль		0,1	-	-	-	-	-	0,2
Нитриты, мг/дм3	<3
Проба		-	-	-	-	-	-	0,44
Контроль		0,1	-	-	-	-	-	0,07
Нитраты, мг/дм3	<45 (50)
Проба		-	-	-	-	-	-	3,25
Контроль		1,3	-	-	-	-	-	3,5

Как видно из табл.1, исследуемый материал не ухудшает органолептических свойств воды (отсутствие постороннего запаха и привкуса водных вытяжек), практически не изменяется величина цветности по сравнению с контролем. В процессе контакта сорбента с водой водородный показатель практически не изменяется и соответствует рекомендуемому гигиеническому нормативу (>6:<9).

Анализ содержания неорганических примесей в водной вытяжке на 30-е сутки опыта показал (2-я серия исследований), что миграция неорганических веществ - токсичных металлов I и II класса опасности (алюминия, бария, кадмия, никеля, молибдена, кобальта, ванадия, титана, ниобия, стронция, свинца) практически отсутствовала, а также не выявлена миграция металлов, влияющих на органолептические свойства воды (железо, марганец, медь) (табл.2).

Таблица 2
Содержание неорганических примесей в водных вытяжках из сорбента для очистки воды. Вода дистиллированная, температура воды (37±2)°C, время настаивания 30 суток (2-я серия исследований)
№ п/п	Наименование примесей	Гигиенический контроль, мг/дм3	Концентрация примесей, мг/дм
1.	Алюминий	<0,5	0,05
2.	Барий	0,1	0,04
3.	Ванадий	<0,1	0,001
4.	Хром	<0,05	0,001
5.	Ниобий	<0,01	0,001
6.	Никель	<0,1	0,001
7.	Кадмий	<0,001	0,0001
8.	Стронций	7	0,001
9.	Свинец	<0,03	0,001
10.	Мышьяк	<0,05	0,0001
11.	Цинк	<3	0,001
12.	Кальций	<0,5	0,001
13.	Магний	0,5	0,001
14.	Железо	0,3	0,001
15.	Марганец	0,1(0,5)	0,001
16.	Медь	<1	0,001

Анализ полученных данных показал, что водная вытяжка из сорбента практически не оказывает токсического действия на дафний (не изменялись сроки выживаемости дафний по сравнению с контролем), а также она не влияет на хемотоксическую и генеративную функцию инфузорий, что свидетельствует об отсутствии миграции вредных химических веществ из сорбента. Оценивая полученные результаты, можно говорить о практическом отсутствии токсического воздействия водных вытяжек из сорбента на функцию свечения бактерий Эколюм по сравнению с контрольной водой (табл.3).

Таблица 3
Динамика качества воды в процессе длительного контакта с сорбентом по данным биотестирования на гидробионтах - дафниях, инфузориях, светящихся бактериях Эколюм (настаивание на доочищенной водопроводной воде, температура воды 25±2°C, время настаивания 1-30 суток)
№ п/п	Периоды наблюдения, сутки	Дафнии. Время выживаемости, час. (Гигиенический норматив >96)		Инфузории, коэффициент токсичности (Гигиенический норматив >0,5<1)		Эколюм. Изменение свечения, % (Гигиенический норматив <50)
		Контроль	Опыт	Контроль	Опыт	Контроль	Опыт
1.	1	>96	>96	0,60	0,57	17	16
2.	3	>96	>96	0,60	0,60	15	15
3.	5	96	>96	0,62	0,62	15	14
4.	10	<96	>96	0,59	0,6	19	20
5.	20	<96	>96	0,60	0,60	19	19
6.	30	<96	>96	0,60	0,60	11	12

Анализ полученных данных показал, что водная вытяжка из сорбента практически не оказывает токсического действия на дафний (не изменяется сроки выживаемости дафний по сравнению с контролем), а также она не влияет на хемотоксическую и генеративную функцию инфузорий, что свидетельствует об отсутствии миграции вредных химических веществ из сорбента. Оценивая полученные результаты, можно говорить о практическом отсутствии токсического воздействия водных вытяжек из сорбента на функцию свечения бактерий Эколюм по сравнению с контрольной водой (табл.3). Экспериментальные исследования по изучению влияния исследованных образцов сорбента на рост и развитие микрофлоры проведены на указанном сорбенте, предварительно тщательно промытым и залитым дехлорированной водопроводной водой после термостатирования в течение суток, с последующим внесением естественного микробиоценоза загрязненных водоемов. Для контроля также использовалась дехлорированная водопроводная вода с внесением естественного микробиоценоза загрязненных водоемов. Пробы воды из сосуда с сорбентом и контролем исследовались согласно Сан-ПиН 2.1.4.1074-01.

Таблица 4
Влияние сорбента на рост микрофлоры в воде
Экспозиции	Вариант опыта	ОКБ/100 см3	ТКБ/100 см 3	ОМЧ (37°С)
1 час	Контроль	150	110	120
	Опыт	140	110	100
1 сут	Контроль	10	0	0,9×104
	Опыт	0	0	0,7×104
2 сут	Контроль	0	0	2,0×104
	Опыт	0	0	1,7×104
3 сут	Контроль	0	0	3,2×104
	Опыт	0	0	2,5×104
20 сут	Контроль	0	0	0,5×104
	Опыт	0	0	0,7×104
30 сут	Контроль	0	0	0,7×104
	Опыт	0	0	0,8×104

Как видно из полученных данных (табл.4), через одни сутки происходит снижение содержания микроорганизмов (общие колиформные бактерии (ОКБ), термотолерантные колиформные бактерии (ТКБ)) как в контроле, так и в опыте. Интенсивный рост микробного числа (ОМЧ) на исследованном сорбенте наблюдался на третьи сутки, причем в опыте наблюдался более значительный пик, что подтверждают и данные по увеличению содержания аммонийного азота в опыте по сравнению с контролем. На двадцатые и тридцатые сутки наблюдалось естественное отмирание микрофлоры, причем сорбент замедлял процесс отмирания. Развитие микрофлоры на исследованном образце в процессе биообрастания подтверждает целесообразность при необходимости периодического или на постоянной основе обеззараживания обработанной на нем воды одним из общепринятых дезинфекционных методов.

Проверка эффективности очистки воды от токсичных ионов металлов и органических соединений показала, что сорбент обладает высокой поглотительной способностью к токсичным металлам и органическим соединениям (табл.5).

Таблица 5
Эффективность очистки воды от токсичных ионов металлов и органических соединений сорбентом
Определяемый показатель	Содержание в мг/дм3		Эффективность очистки, %
	До сорбции	После сорбции
Токсичные металлы:
Свинец	10,0	0,01	99,90
Кадмий	5,0	0,005	99,90
Цинк	3,0	0,004	99,87
Ртуть	10,0	0,001	99,9
Медь	3,0	0,003	99,9
Кобальт	3,0	0,003	99,9
Хром (III)	2,0	0,010	99,5
Хром (VI)	2,0	0,010	99,5
Органические загрязнители:
Дизельное топливо	5,0	0,01	99,8
Мазут	5	0,01	99,8
Бенз(а)пирен	0,25	0,00025	99,9
Фенол	1,00	0,001	99,9
о, м, п - хлорфенолы	1,00	0,001	99,9
2,4 - Дихлорфенол	0,5	0,0005	99,9
2,4 - Динитрофенол	0,5	0,0005	99,9
Диоксины	0,005	Не обнаружено	100

Таким образом, на основании проведенных органолептических, физико-химических, экспресс-токсикологических и радиологических исследований можно сделать заключение о возможности применения сорбента в практике хозяйственно-питьевого водоснабжения для доочистки питьевой воды.

Использование заявляемого способа получения природного сорбента на основе опок Астраханской области для очистки воды в системе хозяйственно питьевого водоснабжения позволяет:

1) повысить качество очищаемой воды;

2) расширить область применения природного адсорбционного сырья.

Список литературы

1. Конюхова Т.П., Кикило Д.А., Лучин Г.С., Чуприна Т.Н., Михайлова О.А., Дистанов У.Г., Харисов Ю.Г. Способ адсорбционной очистки воды. Патент RU № 2111171, МПК 6 C02F 1/28; заявл. 1996.01.16; опубл. 1998.05.20.

2. Конюхова Т.П., Кикило Д.А., Михайлова О.А., Нагаева С.З., Чуприна Т.Н., Дистанов У.Г., Ярулина Г.Г., Харисов Ю.Г. Способ адсорбционной очистки воды. Патент RU № 2150997, МПК 7 B01J 20/16, C02F 1/28; заявл. 1998.09.03; опубл. 2000.06.20.

3. Линевич С.Н., Фесенко Л.Н., Богданов С.С., Игнатенко С.И. Загрузка контактного фильтра для очистки природных вод. Патент RU № 2238787, МПК 7 B01D 39/02, B01J 20/16; заявл. 2003.04.29; опубл. 2004.10.27

4. Алыков Н.М., Алыков Е.Н., Яворский Н.И., Алыкова Т.В. Способ получения природного сорбента для очистки воды в системе хозяйственно-питьевого водоснабжения. Патент RU 2370312 С2, МПК B01J 20/16, C02F 1/28, заявл. 2007.08.10., опубл. 2009.02.20.

5. Алыков Н.М., Никитина Ю.Е. Способ получения сорбента для очистки природных и сточных вод. Патент RU 2399412 С2, МПК B01J 20/16, B01J 20/30; заявл. 2008.12.15, опубл. 2010.09.20.