СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ, СОРБИРОВАННЫХ В КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТОМ ТЕЛЕ Российский патент 2000 года по МПК B01J49/00 B01J47/08 

Изобретение относится к технологическим процессам разделения, в частности к извлечению и разделению сорбированных компонентов, например, из капиллярно-пористых тел, с помощью электрического поля и может быть использовано в любых отраслях, связанных с регенерацией фильтрующего материала в естественных и технологических системах.

Известен "Способ и устройство для извлечения компонентов, сорбированных в капиллярно-пористом теле" [1], состоящий в том, что через капиллярно-пористое тело принудительно пропускают водный раствор, в частности, щелочи (NaOH), с концентрацией 0,2-0,5 моль/л при T = 70-100^oC. Известное устройство содержит размещенные с противоположных торцов капиллярно-пористого тела элемент обеспечения постоянного контакта капиллярно-пористого тела с потоком ионного раствора и элемент отвода вышедшего из капиллярно-пористого тела раствора с находящимися в нем извлеченными компонентами. Способ и устройство позволяют осуществлять извлечение компонентов, сорбированных в капиллярно-пористом теле, однако, они эффективны только в ограниченном числе случаев, когда сорбированные компоненты слабо закреплены в капиллярно-пористом теле. Кроме того, данные способ и устройство требуют специального оборудования для поддержания T = 70-100^oC, не позволяя при этом извлекать компоненты, независимо от прочности их закрепления в капиллярно-пористом теле, потому что не предусматривают условий для активного воздействия на состав поверхностного слоя пор тела, где сконцентрированы сильно сорбированные компоненты.

Известен "Способ и устройство для извлечения компонентов, сорбированных в капиллярно-пористом теле" [2], который совпадает с настоящим изобретением по наибольшему числу признаков (прототип), состоящий в том, что извлечение, в частности, ртути и других тяжелых металлов из почв и грунтов, осуществляют путем воздействия постоянного электрического поля на капиллярно-пористое тело, создавая диффузионный поток сорбированных компонентов в приэлектродные области, причем в околоанодную область заливают смесь окислителя (H₂O₂, KMnO₄₄ или др.) и поверхностно-активного вещества (ПАВ). Известное устройство содержит установленные в областях противоположных торцов капиллярно-пористого тела электроды, подключенные к источнику постоянного тока. Способ и устройство позволяют собирать извлеченные компоненты в приэлектродных областях капиллярно-пористого тела, но являются действенными только пока на тело воздействуют электрическим полем и не предусматривают дальнейшего извлечения компонентов из всего капиллярно-пористого тела в целом, так как не обеспечивают устойчивого потока извлеченных компонентов и их отвода из капиллярно-пористого тела.

Единой решаемой задачей настоящей группы изобретений является создание "Способа и устройства для извлечения компонентов, сорбированных в капиллярно-пористом теле", которые позволяют извлекать компоненты, сорбированные в капиллярно-пористом теле, независимо от прочности их закрепления.

Единый технический результат, который может быть получен при осуществлении группы изобретений, состоит в том, что одновременно будут извлекаться компоненты, сорбированные в капиллярно-пористом теле, независимо от прочности их закрепления, обеспечиваться необратимость извлечения и его высокая эффективность как по количеству извлеченных компонентов, так и по скорости извлечения, не требуя при этом расхода больших количеств концентрированных растворов химических реагентов и введения в капиллярно-пористое тело агрессивных реагентов, окислителей или ПАВ, в способе, при котором капиллярно-пористое тело приводят в контакт с потоком ионного раствора и воздействуют на тело полем постоянного электрического тока, создавая электроосмотический поток ионного раствора, причем напряженность поля поддерживают, не изменяя ее знака, в пределах от значения, достаточного для безинерционного электроосмотического движения раствора, до значения, при котором возникают электродные реакции, и время воздействия выбирают по соотношению

где K - эмпирический коэффициент, изменяющийся в пределах от 1 до 20, в зависимости от прочности закрепления сорбированных компонентов;
t - время воздействия, с;
l - протяженность капиллярно-пористого тела по направлению электроосмотического потока ионного раствора, м;
S - площадь наибольшего поперечного сечения капиллярно-пористого тела по направлению электроосмотического потока, м³;
Q - объемная скорость электроосмотического потока ионного раствора, м³/с,
а подведение раствора производят до подключения электрического поля. В частном конкретном случае ионный раствор выбирают разбавленным водным с концентрацией ионов не более 10^-2 моль/л.

Указанный технический результат осуществляется по "Устройству для извлечения компонентов, сорбированных в капиллярно-пористом теле", содержащему в областях противоположных торцов капиллярно-пористого тела электроды, подключенные к источнику постоянного тока, а со стороны анода - элемент обеспечения постоянного контакта капиллярно-пористого тела с потоком ионного раствора и со стороны катода за капиллярно-пористым телом по ходу электроосмотического потока - элемент отвода вышедшего из капиллярно-пористого тела раствора с находящимися в нем извлеченными компонентами. В частном конкретном случае катод выполнен в виде полого тела, на поверхности которого выполнены сквозные отверстия, а внутри размещен элемент отвода вышедшего из капиллярно-пористого тела раствора с находящимися в нем извлеченными компонентами.

Способ и устройство в группе изобретений соответствуют требованию единства изобретения, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем "Устройство для извлечения компонентов, сорбированных в капиллярно-пористом теле" предназначено для осуществления "Способа извлечения компонентов, сорбированных в капиллярно-пористом теле", и, при этом, каждый объект группы направлен на решение одной и той же вышеуказанной задачи, с получением одного и того же технического результата.

На фиг. 1 изображена одна из возможных реализаций устройства; на фиг. 2 - одна из возможных форм выполнения катода устройства.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления каждого объекта группы с получением указанного технического результата для "Способа извлечения компонентов, сорбированных в капиллярно-пористом теле" и "Устройства для извлечения компонентов, сорбированных в капиллярно-пористом теле", приведены отдельно для каждого объекта.

По объекту "Способ извлечения компонентов, сорбированных в капиллярно-пористом теле" реализация производится следующим образом. Капиллярно-пористое тело приводят в контакт с потоком ионного раствора и воздействуют на тело полем постоянного электрического тока, создавая электроосмотический поток ионного раствора, причем напряженность поля поддерживают, не изменяя ее знака, в пределах от значения, достаточного для безинерционного электроосмотического движения раствора, до значения, при котором возникают электродные реакции, и время воздействия выбирают по соотношению

где K - эмпирический коэффициент, изменяющийся в пределах от 1 до 20, в зависимости от прочности закрепления сорбированных компонентов;
t - время воздействия, с;
l - протяженность капиллярно-пористого тела по направлению электроосмотического потока ионного раствора, м;
S - площадь наибольшего поперечного сечения капиллярно-пористого тела по направлению электроосмотического потока, м³;
Q - объемная скорость электроосмотического потока ионного раствора, м³/с,
а подведение раствора производят до подключения электрического поля. В частном конкретном случае ионный раствор выбирают разбавленным водным с концентрацией ионов не более 10^-2 моль/л.

Способ был реализован следующим образом. Кварцевую диафрагму, сформированную в виде капиллярно-пористого тела, предварительно приводили в контакт с раствором нитрата свинца II, концентрацией 10^-4 моль/л, в течение 7 сут. После этого проводили извлечение катионов Pb (II), сорбированных в кварцевой диафрагме, в горизонтальном цилиндрическом приборе с поперечным сечением S = 2,5 см², содержащем кварцевую диафрагму, в областях противоположных торцов которой расположены электроды, подключенные к источнику постоянного тока, и две боковые камеры, через торцевые отводы которых втекал и вытекал под действием электрического поля водный раствор нитрата калия концентрацией 10^-3 моль/л. Скорость течения раствора через диафрагму составляла около 1 мл/мин, что достигалось наложением поля постоянного тока с напряженностью E = 10 В/см. Время воздействия составляло 30 мин. Проведенные на стандартном оборудовании измерения концентрации катионов Pb (II) в растворе на выходе из диафрагмы показали, что 98% сорбированных катионов Pb (II) удавалось извлечь 25 мл раствора нитрата калия.

По объекту "Устройство для извлечения компонентов, сорбированных в капиллярно-пористом теле" реализация производится следующим образом. Устройство было реализовано в виде конструкции, изображенной на фиг. 1 и 2 с элементами, обозначенными указанными цифрами. Взаиморасположение элементов соответствовало указанному на фиг. 1 и 2. Устройство содержит анод 1 и катод 2, подключенные к источнику постоянного тока 3, между которыми размещается капиллярно-пористое тело 4. Со стороны анода 1 размещен элемент обеспечения постоянного контакта 5 капиллярно-пористого тела 4 с потоком ионного раствора. Направления подвода 6 ионного раствора к элементу обеспечения постоянного контакта 5 капиллярно-пористого тела 4 с потоком ионного раствора условно изображены стрелками с двух сторон. Со стороны катода 2 за капиллярно-пористым телом 4 по ходу электроосмотического потока размещен элемент отвода 7 вышедшего из капиллярно-пористого тела раствора с находящимися в нем извлеченными компонентами. Направления отвода 8 раствора с находящимися в нем извлеченными компонентами из элемента отвода 7 условно изображены стрелками с двух сторон. Направление электроосмотического потока указано стрелками 9 от анода 1 к катоду 2. В частном конкретном случае катод на фиг. 2 выполнен в виде полого тела, на поверхности которого выполнены сквозные отверстия 10, а внутри размещен элемент отвода 7 вышедшего из капиллярно-пористого тела раствора с находящимися в нем извлеченными компонентами. Направление отвода 8 раствора с находящимися в нем извлеченными компонентами из элемента отвода 7 условно изображено стрелкой сверху.

Устройство работает следующим образом. На анод 1 и катод 2 подается напряжение от источника постоянного электрического тока 3. При этом создается электроосмотический поток, обеспечивающий извлечение сорбированных компонентов из капиллярно-пористого тела 4. Извлечение происходит благодаря стимулированной электроосмотическим потоком активной замене компонентов, сорбированных в капиллярно-пористом теле 4, на компоненты ионного раствора. Раствор с извлеченными компонентами поступает в элемент отвода 7.

Устройство было реализовано следующим образом. Извлечение катионов Pb (II), сорбированных в кварцевой диафрагме, проводили в горизонтальном цилиндрическом приборе с поперечным сечением S = 2,5 см², содержащем кварцевую диафрагму, в областях противоположных торцов которой расположены электроды, подключенные к источнику постоянного тока, и две боковые камеры, через торцевые отводы которых втекал и вытекал под действием электрического поля водный раствор нитрата калия, концентрацией 10^-3 моль/л. Скорость течения раствора через диафрагму составляла около 1 мл/мин, что достигалось наложением поля постоянного тока с напряженностью E = 10 В/см. Время воздействия составляло 30 мин. Проведенные на стандартном оборудовании измерения концентрации катионов Pb (II) в растворе на выходе из диафрагмы показали, что 98% сорбированных катионов Pb (II) удавалось извлечь 25 мл раствора нитрата калия.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство легко реализуемы в технологических процессах разделения, в частности, в процессах извлечения и разделения сорбированных компонентов из капиллярно-пористых тел, и могут быть использованы в любых отраслях, связанных с регенерацией фильтрующего материала в естественных и технологических системах.

Таким образом, для группы изобретений "Способ извлечения компонентов, сорбированных в капиллярно-пористом теле" и "Устройство для извлечения компонентов, сорбированных в капиллярно-пористом теле" в том виде, как они охарактеризованы в формуле и описании, подтверждается возможность их осуществления с помощью вышеописанных способов и средств.

Источники информации
1. Пат. 52-42431 (Япония). Регенерация отработанного алюмосиликатного катализатора/ К.Сака, Й.Нисимура. Секубай касей коге к.к. - Опубл. 24.10.77. - Цит. по: РЖ Химия, 1977, 15И476П.

2. Пат. 4210950 (Германия). Electrochemisches In-situ-Verfahren zur Entfernung von Quecksilber und anderen Schwermettallen aus dem Erdreich, Schlammen und Wassern/ G. Sandstede, A.Kohling, A.Schonbucher. Battelle-Institute e.V. - Опубл. 7.10.93. - Цит. по.: РЖ Химия, 1994, 16И270П.

Изобретение относится к технологическим процессам разделения, в частности к извлечению и разделению сорбированных компонентов, например, из капиллярно-пористых тел, с помощью электрического поля и может быть использовано в любых отраслях, связанных с регенерацией фильтрующего материала в естественных и технологических системах. Способ заключается в том, что капиллярно-пористое тело приводят в контакт с потоком ионного раствора и воздействуют на тело полем постоянного электрического тока, создавая электроосмотический поток ионного раствора, причем напряженность поля поддерживают, не изменяя ее знака, в пределах от значения, достаточного для безинерционного электроосмотического движения раствора, до значения, при котором возникают электродные реакции, в течение определенного времени, а подведение раствора производят до подключения электрического поля. Устройство содержит в областях противоположных торцов капиллярно-пористого тела электроды, подключенные к источнику постоянного тока. Со стороны анода размещен элемент обеспечения постоянного контакта капиллярно-пористого тела с потоком ионного раствора, а со стороны катода за капиллярно-пористым телом по ходу электроосмотического потока - элемент отвода вышедшего из капиллярно-пористого тела раствора с находящимися в нем извлеченными компонентами. Катод может быть выполнен в виде полого тела, на поверхности которого выполнены сквозные отверстия, а внутри размещен элемент отвода вышедшего из капиллярно-пористого тела раствора с находящимися в нем извлеченными компонентами. Изобретение позволяет извлекать из капиллярно-пористого тела компоненты независимо от прочности их закрепления. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ извлечения компонентов, сорбированных в капиллярно-пористом теле, основанный на воздействии поля постоянного электрического тока на капиллярно-пористое тело, отличающийся тем, что капиллярно-пористое тело приводят в контакт с потоком ионного раствора и воздействуют на тело полем постоянного электрического тока, создавая электроосмотический поток ионного раствора, причем напряженность поля поддерживают, не изменяя ее знака, в пределах от значения, достаточного для безинерционного электроосмотического движения раствора, до значения, при котором возникают электродные реакции, и время воздействия выбирают по соотношению

где К - эмпирический коэффициент, изменяющийся в пределах от 1 до 20, в зависимости от прочности закрепления сорбированных компонентов;
t - время воздействия, с;
l - протяженность капиллярно-пористого тела по направлению электроосмотического потока ионного раствора, м;
S - площадь наибольшего поперечного сечения капиллярно-пористого тела по направлению электроосмотического потока, м³;
Q - объемная скорость электроосмотического потока ионного раствора, м³/с,
а подведение раствора производят до подключения электрического поля. 2. Способ извлечения компонентов, сорбированных в капиллярно-пористом теле, по п. 1, отличающийся тем, что ионный раствор выбирают разбавленным водным с концентрацией ионов не более 10^-2 моль/л. 3. Устройство для извлечения компонентов, сорбированных в капиллярно-пористом теле, содержащее размещенные в областях противоположных торцов капиллярно-пористого тела электроды, подключенные к источнику постоянного тока, отличающееся тем, что устройство содержит со стороны анода элемент обеспечения постоянного контакта капиллярно-пористого тела с потоком ионного раствора, а со стороны катода за капиллярно-пористым телом по ходу электроосмотического потока размещен элемент отвода вышедшего из капиллярно-пористого тела раствора с находящимися в нем извлеченными компонентами. 4. Устройство для извлечения компонентов, сорбированных в капиллярно-пористом теле, по п.3, отличающееся тем, что катод выполнен в виде полого тела, на поверхности которого выполнены сквозные отверстия, а внутри размещен элемент отвода вышедшего из капиллярно-пористого тела раствора с находящимися в нем извлеченным компонентами.