СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ Российский патент 2003 года по МПК B01J20/24 B01J20/30 C02F1/28 

Изобретение относится к способам выделения ионов тяжелых металлов сорбцией на целлюлозосодержащих сорбентах из растворов различной природы (водных и водно-органических), образующихся после проведения различных технологических процессов (анодная обработка металлов и сплавов и др.), и может быть использовано для совершенствования мембранных и сорбционных технологий, при разработке технологий утилизации ионов тяжелых металлов из водных растворов и сточных вод различной природы.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен способ очистки водных растворов от ионов тяжелых металлов путем фильтрации через древесные опилки, модифицированные полисульфидами натрия или аммония [1. А.с. 1696399 СССР, МКИ⁵ СО 2 F 1/62. Способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов // Пилат Б.В., Якунин А.И.].

Однако этот способ связан с большим расходом реагентов (полисульфидов натрия или аммония) и приводит к загрязнению окружающей среды.

Известен способ очистки сточных вод промышленных предприятий от тяжелых металлов, в частности от ионов меди, путем сорбции древесными опилками, обработанными 4-метил-8-оксо-5-азадекадиен-3,9-ОН-2 при массовом соотношении опилки - реагент 1:0,05-0,1 [2. А.с. 1819669 СССР, МКИ⁵ В 01020/22. Способ получения сорбента для очистки сточных вод меди // Тимофеева С.С., Кухарев Б. Ф. , Станкевич В.К., Клименко Г.Р. - 4911863/05; Заявл. 15.05.91; опубл. 7.06.93, БИ 21]. Однако такой способ модифицирования опилок является неэкономичным, так как подразумевает применение дорогостоящего реагента в количестве 5-10% от массы сорбента, а также приводит к загрязнению окружающей среды.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, то есть прототипом, является способ извлечения ионов меди из водных растворов ее солей с помощью природных целлюлозных материалов: хлопкового волокна (ХВ), бамбуковой целлюлозы (БЦ), джутового волокна (ДВ) и древесных опилок (ОП), окрашенных реакционноспособными красителями типа монохлортриазина [3. Shukla S.R., Sakhardande V.D. Cupric ion removal by dyed cellulosic materials// J. Appl. Polym. Sci. - 1990. - V. 41. - N 11-12. - Р. 2655-2663]. В результате применения таких сорбентов степень сорбции (извлечения) ионов меди достигала 84,3-97,6%, возрастая в ряду ХВ<ДВ<БЦ<ОП.

Однако этот способ предполагает применение длительного многостадийного процесса подготовки и окрашивания целлюлозных материалов. Время предварительной обработки (кипячение в растворе, содержащем мыло и золу) составляло 4 ч, а обработка с применением красителя проводилась при температуре 70^oС в течение 1 ч. По завершении крашения целлюлозный материал удалялся из красильной ванны, тщательно промывался водой и высушивался на воздухе. Следует также отметить, что для сорбции ионов меди из водных растворов солей меди использовался окрашенный вышеописанным способом целлюлозный материал при модуле раствор/сорбент 50 (то есть 20 г сорбента на 1 л раствора) и время сорбции составляло 2 ч, то есть было достаточно продолжительным. И наконец, авторы предлагают применять окрашенный сорбент для удаления ионов металлов из весьма концентрированных растворов их солей (1200-1300 мг/л). В результате при степени очистки ~97% остаточная концентрация ионов металлов в растворе намного превышает ПДК, составляя порядка 30-40 мг/л. Следовательно, данный метод должен использоваться в сочетании с методом тонкой очистки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание эффективного способа извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов целлюлозосодержащими материалами, позволяющего использовать дешевые и недефицитные сорбенты, являющиеся отходами производства, а также избежать использования химических реагентов для обработки сорбентов, а следовательно, загрязнения окружающей среды и значительно сократить как время обработки, так и время сорбционного процесса.

Поставленная задача решена путем создания способа извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов путем контактирования их с сорбентом на основе предварительно обработанного целлюлозного материала, при этом в качестве сорбента используют опилки или короткое льняное волокно, обработанные в течение 0,5-20 мин в плазме низкого давления, создаваемой в газовой фазе при токе разряда 15 -50 мА, напряжении 1-10 кВ, давлении 50-100 Па, при этом контактирование осуществляют в течение 1-15 мин при комнатной температуре и модуле раствор/сорбент, равном 50-200.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пример 1.

10 г короткого льняного волокна помещают в плазмохимический реактор, представляющий собой стеклянную трубку, в боковых отростках которой расположены металлические электроды. Предварительно в реакторе создают разрежение с остаточным давлением ~1 Па, а затем в него подают поток воздуха со скоростью 5 см/с при непрерывном откачивании системы вакуумным насосом. Для модифицирования сорбента используют тлеющий разряд, имеющий следующие параметры: рабочее давление 50 Па, ток 15 мА и напряжение на электродах 1 кВ. Обработку сорбента в плазме низкого давления проводят в течение 0,5 мин. Затем сорбент извлекают из реактора и заливают при комнатной температуре 0,5 л водного раствора (модуль 50), содержащего 10 мг/л ионов Zn²⁺. Через 1 мин раствор отфильтровывают и в фильтрате определяют содержание ионов металлов методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе "Сатурн". Концентрация ионов цинка после трех циклов сорбции составила 0,2 мг/л (степень извлечения 98%).

Пример 2.

10 г древесных опилок помещают в плазмохимический реактор (см. пример 1), где проводят модифицирование сорбента в плазме низкого давления в течение 10 мин при следующих параметрах разряда: рабочем давлении 75 Па, токе 30 мА и напряжении на электродах 5 кВ. Затем сорбент извлекают из реактора и заливают при комнатной температуре 1 л водного раствора (модуль 100), содержащего 10 мг/л ионов Сu²⁺. Через 8 мин раствор отфильтровывают и в фильтрате определяют содержание ионов меди методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе "Сатурн". Концентрация ионов меди после трех циклов сорбции составила 0,1 мг/л (степень извлечения 99%).

Пример 3.

10 г короткого льняного волокна помещают в плазмохимический реактор (см. пример 1), где проводят модифицирование сорбента в плазме низкого давления в течение 20 мин при следующих параметрах разряда: рабочем давлении 100 Па, токе 50 мА и напряжении на электродах 10 кВ. Затем сорбент извлекают из реактора и заливают при комнатной температуре 2 л водного раствора (модуль 200), содержащего 10 мг/л ионов Cd²⁺. Через 15 мин раствор отфильтровывают и в фильтрате определяют содержание ионов кадмия методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе "Сатурн". Концентрация ионов кадмия после трех циклов сорбции составила 0,2 мг/л (степень извлечения 98%).

Пример 4.

10 г древесных опилок помещают в плазмохимический реактор (см. пример 1), где в течение 15 мин проводят модифицирование сорбента в плазме низкого давления при следующих параметрах разряда: рабочем давлении 80 Па, токе 40 мА и напряжении на электродах 7 кВ. Затем сорбент извлекают из реактора и заливают при комнатной температуре 0,65 л водного раствора (модуль 65), содержащего по 10 мг/л ионов Zn²⁺, Cu²⁺ и Cd²⁺. Через 10 мин раствор отфильтровывают и в фильтрате определяют содержание ионов металлов методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе "Сатурн". Концентрация ионов цинка, меди и кадмия после трех циклов сорбции составила соответственно 0,2; 0,2 и 0,3 мг/л (степень извлечения 98%, 98% и 97%).

Результаты опытов представлены в таблице. Таким образом, из приведенных в таблице данных следует, что предлагаемый способ позволяет решить поставленную задачу, а именно: выделять тяжелые металлы сорбцией из водных растворов; при этом метод позволяет достичь высоких степеней очистки при низкой стоимости сорбентов, представляющих собой отходы производства, а также избежать применения длительного многостадийного процесса подготовки сорбента к работе (время обработки сорбента снижается в среднем в 30 раз, а время сорбции - в 10 раз) и загрязнения окружающей среды химическими реагентами, используемыми для обработки сорбентов по методу, предлагаемому в прототипе.

Изобретение относится к способам выделения ионов тяжелых металлов сорбцией на целлюлозосодержащих сорбентах из растворов различной природы, образующихся после проведения разнообразных технологических процессов, и может быть использовано для совершенствования мембранных и сорбционных технологий. Извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов проводят путем контактирования их с полимерным сорбентом на основе целлюлозы, в частности с предварительно обработанными древесными опилками или коротким льняным волокном, причем контактирование осуществляют в течение 1-15 мин при комнатной температуре и модуле раствор/сорбент, равном 50-200, причем предварительную обработку материалов проводят в течение 0,5-20 мин газоразрядной плазмой низкого давления, создаваемой в газовой фазе при токе разряда 15-50 мА, напряжении на электродах 1-10 кВ и давлении 50-100 Па. Изобретение позволяет использовать дешевые и недефицитные сорбенты, являющиеся отходами производства, а также избежать загрязнения окружающей среды и значительно сократить как время обработки, так и время сорбционного процесса. 1 табл.

Способ извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов путем их контактирования с сорбентом на основе предварительно обработанного целлюлозного материала, отличающийся тем, что в качестве сорбента используют опилки или короткое льняное волокно, обработанные в плазме низкого давления, создаваемой в газовой фазе при токе разряда 15-50 мА, напряжении 1-10 кВ, давлении 50-100 Па, при этом контактирование осуществляют в течение 1-15 мин и модуле раствор:сорбент, равном 50-200.