НОВЫЙ АГРОПОЛИМЕР, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ ДЛЯ ОЧИСТКИ ЗАГРЯЗНЕННОЙ ИЛИ ЗАРАЖЕННОЙ ВОДЫ, СОДЕРЖАЩЕЙ МЕТАЛЛЫ ИЛИ ИОНЫ, И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АГРОПОЛИМЕРА Российский патент 2004 года по МПК B01J20/24 B01J20/30 C02F1/28 

Область изобретения

Данное изобретение в основном относится к области сельскохозяйственной биотехнологии. В частности, данное изобретение относится к новому агрополимеру, способу получения агрополимера из любых частей растений таких, как семенной покров или оболочки, пустые стручки, шелуха, лузга, кожура, листовая обертка (початков кукурузы) (далее коротко называемых семенными оболочками или стручками) растений, включающих сельскохозяйственные культуры (Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Vigna radiata, Triticum sp., Ricinus communis, Helianthus annus, Gossypium sp., Arachis sp.). Данные новые агрополимеры имеют обширное применение в промышленности и также полезны для борьбы с загрязнением воды.

Предпосылки изобретения

Известны многие вещества биологического происхождения, удаляющие металлы такие, как таннины, гуминовая кислота, цельная клеточная биомасса, хитин и производные хитина, металлотионеины, микробные полисахариды, меланнины, полифенольные биопигменты, полимеры бактериальных клеточных стенок, продуцируемые микробами хелатирующие агенты (сидерофоры). Однако вышеуказанные материалы являются или дорогими, или недоступными в достаточном количестве и/или менее эффективными. С другой стороны, целью настоящего исследования было получение агрополимеров из дешевых доступных растительных материалов, предпочтительно сельскохозяйственного сырья такого, как отходы (покрытия семян, шелуха или стручки) сельскохозяйственных культур (Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Vigna radiata, Triticum sp., Ricinus communis, Helianthus annus, Gossypium sp., Arachis sp.). Эти агрополимеры имеют широкое применение в промышленности.

Данное изобретение относится к разработке получения новых агрополимеров, предпочтительно из покрытий или шелухи семян, или стручков сельскохозяйственных культур (Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Vigna radiata, Triticum sp., Ricinus communis, Helianthus annus, Gossypium sp., Arachis sp.) и их применению в удалении металлов и выделении ионов.

Следовательно, целью настоящего изобретения является создание новых агрополимеров из растительных материалов, включая покрытия или шелуху семян сельскохозяйственных культур (Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Vigna radiata, Triticum sp., Ricinus communis, Helianthus annus, Gossypium sp., Arachis sp.). Целью изобретения также является разработка жизненно важного способа получения агрополимеров и применение таких агрополимеров для выделения или удаления металлов и/или ионов. Таким образом, данные агрополимеры предпочтительно получают из покрытий или шелухи семян сельскохозяйственных культур.

Цели изобретения

Следовательно, основной целью изобретения является создание нетоксичных, биоразлагаемых, дешеводоступных, очень эффективных молекул/полимеров биологического происхождения из сельскохозяйственных источников для применения в промышленности и борьбы с загрязнением воды.

Другой целью изобретения является разработка способа получения агрополимеров из растительных материалов таких, как покрытия семян, шелуха, стручки, семенные покровы сельскохозяйственных культур (Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Vigna radiata, Triticum sp., Ricinus communis, Helianthus annus, Gossypium sp., Arachis sp.).

Еще одной целью является создание полимера, который будет снижать загрязнение окружающей среды, с использованием полученных из сельскохозяйственного сырья агрополимеров, удаляющих металлы и ионы, из семенных покрытий, шелухи или стручков сельскохозяйственных культур.

Еще одной целью изобретения является предоставление способа удаления тяжелых металлов и ионов из водных растворов с использованием агрополимеров изобретения.

Еще одной целью изобретения является предоставление способа/приема снижения загрязнения металлами и ионами воды для защиты окружающей среды.

Следующей целью изобретения является предоставление способа превращения токсичной, содержащей металлы и/или ионы воды в нетоксичную, свободную от металлов и/или ионов воду с использованием нетоксичных веществ, получаемых из сельскохозяйственных культур, которые являются биоразлагаемыми веществами.

Еще одной целью изобретения является предоставление нового способа снижения загрязнения окружающей среды с использованием получаемых из сельскохозяйственного сырья агрополимеров, удаляющих металлы и ионы, в частности, из семенных покрытий, шелухи или стручков сельскохозяйственных культур.

Краткое описание изобретения

Для выполнения вышеуказанных и других целей настоящее изобретение предоставляет новый агрополимер, включающий углеводную и/или кремнеземную матрицу, по существу лишенную, по крайней мере, белков, таннинов, пигментов и полифенолов и имеющий реакционноспособные сайты связывания металлов, способ получения агрополимеров и применение таких агрополимеров для выделения или удаления металлов или ионов из водных растворов.

Подробное описание изобретения

Теперь изобретение будет описано подробно для иллюстрации и пояснения различных отличительных признаков изобретения.

Одним из воплощений изобретения является предоставление нового агрополимера, имеющего сайты связывания металлов, которые включены в матрицу агрополимера, либо обработкой щелочью, либо обработкой перекисью водорода, либо обработкой щелочной перекисью водорода.

Матрицу агрополимера получают из любых частей растений таких, как семенные покрытия, шелуха, стручки. Реакционноспособные сайты связывания металлов (металлоорганические связи) образуются при взаимодействии агрополимеров с металлом, что определяют по данным инфракрасной (ИК) спектроскопии.

Еще одно воплощение настоящего изобретения относится к способу получения агрополимеров из растительных материалов, выбранных из семенных покрытий, шелухи или стручков сельскохозяйственных культур (таких, как семенные оболочки, шелуха или стручки Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Vigna radiata, Triticum sp., Ricinus communis, Helianthus annus, Gossypium sp., Arachis sp.), которые обладают свойством удаления металлов и ионов.

В предпочтительном воплощении настоящее изобретение предоставляет способ получения агрополимеров из растительного материала, такого как семенной покров или семенные покрытия, или шелуха, или стручки сельскохозяйственных культур (семенные оболочки, кожура, шелуха или стручки Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Vigna radiata, Triticum sp., Ricinus communis, Helianthus annus, Gossypium sp., Arachis sp.), включающий следующие стадии:

а. измельчение в порошок материала семенных покрытий (шелуха, лузга, кожура и др.) или пустых стручков,

b. микронизация порошка из семенных покрытий или стручков до необходимого размера в микронах,

с. обработка указанного микронизированного порошка щелочью или щелочной перекисью водорода, или перекисью водорода,

d. обработка указанного материала многократными промывкой водой или кислотой для удаления остатка щелочи и/или перекиси водорода,

е. обработка указанного материала раствором кислоты для удаления связанных металлов,

f. нейтрализация указанных молекул удалением кислоты путем промываний водой или добавлением разбавленного раствора щелочи и

g. сушка полученных агрополимеров при комнатной температуре или в сушилке (70-80°С).

Согласно еще одному воплощению измельчение в порошок материала семенного покрова или стручков достигается с помощью мельницы или дробилки, а микронизация порошка из семенных оболочек и стручков проводится с использованием микронизатора для получения желаемого размера частиц (в микронах).

Согласно еще одному воплощению обработка щелочью проводится гидроокисью натрия или гидроокисью калия, или карбонатом натрия, или добавлением к растительным материалам любых растворов щелочи или добавлением к реакционной смеси перекиси водорода.

Обработка перекисью водорода (5-30% концентрации) наряду со щелочью (1-10% мас./мас.) давала в результате агрополимеры с эффективным выделением металлов. Остатки щелочи и/или перекиси водорода после обработки удаляли повторной промывкой водой или добавлением разбавленной кислоты (используя такие, как H₂SO₄, НСl или НNО₃) по отдельности.

В данном способе, если в агрополимерах присутствуют любые связанные металлы, их элюируют 1-3% растворами кислот (используя такие, как H₂SO₄ или НСl, или НNО₃), и любые остатки кислоты, остающиеся после этого удаляют повторной промывкой водой или добавлением разбавленной щелочи (используя такую, как NaOH или КОН), и влагу, остающуюся после этого, удаляют декантацией супернатанта с последующей сушкой в сушилке (70-80°С) и/или сушкой при комнатной температуре.

Обработка щелочью без перекиси водорода также дает агрополимеры удалением металлов, особенно при получении агрополимеров из злаков и проса. Микронизированные семенные оболочки или стручки смешивают со щелочью (такой, как гидроокись натрия или гидроокись калия). Обработку щелочью осуществляют либо добавлением раствора щелочи к микронизированному порошку из семенных оболочек или стручков или добавлением порошка/хлопьев щелочи непосредственно к микронизированному порошку из семенных оболочек или стручков с последующим позднее добавлением воды. Обработка щелочью высвобождает вещества темного коричневато-желтого цвета из семенных оболочек или стручков, которые по своей природе являются водорастворимыми. Более низкий процент щелочи (5-7,5%) требует больше времени задерживания для удаления данных темных коричневато-желтых веществ из семенных оболочек или стручков, в то время как более высокий процент щелочи (20-25% раствор) удаляет темные коричневато-желтые вещества в течение 3-4 часов. Щелочь удаляется повторной промывкой водой или добавлением раствора кислоты (такой, как НСl или H₂SO₄). Связанные металлы из полученных веществ удаляют обработкой минеральными кислотами, включая серную, азотную или соляную (1-3%). Полученный материал нейтрализуют повторной промывкой водой или добавлением необходимого количества 1 М раствора щелочи (такой, как NaOH, КОН). Материал после удаления супернатанта сушат при комнатной температуре или в сушилке (70-80°С). Чем меньше размер, тем лучше свойства удаления металлов или ионов.

Выход агрополимеров зависит от размера и принимаемой реакционной процедуры. Выход агрополимеров с меньшим размером мало сравним с выходом агрополимеров большого размера. Потери в процессе больше при получении агрополимеров меньших размеров. Источник материала также определяет выход агрополимера. В основном, примерно 30-40-й выход агрополимеров получался в случае получения агрополимеров меньших размеров. Выход агрополимеров, примерно в 75-80% достигается в случае получения агрополимеров большего размера (размером свыше 150 микрон).

Настоящий способ включает обработку растительного материала щелочью и/или перекисью водорода. Растительный материал можно обрабатывать щелочной перекисью водорода и в этом случае щелочную обработку можно проводить перед обработкой перекисью водорода или наряду с перекисью водорода, или после обработки перекисью водорода. Наиболее предпочтительное воплощение включает обработку растительного материала совместно щелочью и перекисью водорода в одно и тоже время.

Схема иллюстрирует различные стадии получения агрополимеров.

Микронизированный порошок из семенных оболочек или стручков обрабатывают серной кислотой или соляной кислотой (3-5%) в течение 5-6 часов, и полученный материал после удаления следов кислоты проявляет свойство удаления металлов или ионов, но с меньшей удаляющей способностью по сравнению с агрополимерами, полученными по методу обработки щелочью, описанному ранее.

Одной из характерных особенностей изобретения является идентификация агрополимеров, присутствующих в семенных оболочках или стручках сельскохозяйственных культур (Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Vigna radiata, Triticum sp., Ricinus communis, Helianthus annus, Gossypium sp., Arachis sp.).

Еще один отличительный признак изобретения касается получения агрополимеров из семенных оболочек или стручков сельскохозяйственных культур. Для получения агрополимеров из семенных оболочек или стручков (таких, как семенные оболочки или стручки Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Vigna radiata, Triticum sp., Ricinus communis, Helianthus annus, Gossypium sp., Arachis sp.) разработан способ обработки щелочной перекисью водорода.

Агрополимеры имеют обширное применение в промышленности. Их можно эффективно использовать для борьбы с загрязнением для защиты окружающей среды от заражения металлами или ионами. Широкое применение указанных веществ является важным аспектом изобретения. Соответственно, изобретение относится к способу получения агрополимеров, предпочтительно из семенных оболочек или стручков сельскохозяйственных культур.

Согласно еще одному воплощению изобретения заявитель предоставляет способ обработки металлов/ионов с использованием новых агрополимеров настоящего изобретения.

В частности, данное изобретение относится к способу предотвращения разрушения окружающей среды за счет загрязнения металлами и ионами с использованием агрополимеров, получаемых из семенных оболочек или стручков сельскохозяйственных культур. Более конкретно, данное изобретение относится к способу очистки загрязненных металлами или ионами водных растворов, включая загрязненную металлами или ионами промышленную сточную грунтовую и питьевую воду. Способ очистки осуществляют с использованием новых агрополимеров, которые способны удалять металлы, включая металлы, подобные металлоорганике, ртути и т.п., или и/или ионы из загрязненной воды. Конечной целью изобретения является защита окружающей среды от загрязнения металлами или ионами. Данная цель достигается не синтетическим путем, а использованием естественных, биологических, сельскохозяйственных источников, которые изобилуют в природе. Данное изобретение имеет своей особенностью нахождение веществ и эффективную утилизацию данных веществ путем использования их в новом способе очистки/удаления металлов и/или ионов из загрязненной воды.

В качестве воплощения настоящего изобретения описывается способ удаления металлов и ионов из водных растворов с использованием агрополимеров, полученных из семенных оболочек или стручков сельскохозяйственных культур (из семенных оболочек и стручков Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Vigna radiata, Triticum sp., Ricinus communis, Helianthus annus, Gossypium sp., Arachis sp.). Многие металлы такие, как железо, медь, алюминий, мышьяк, ртуть, свинец, цинк и ионы могут быть удалены из водного раствора с использованием настоящего нового агрополимера.

Данное изобретение дополнительно относится к эффективному применению удаляющих металлы и ионы агрополимеров, полученных из семенных оболочек или стручков сельскохозяйственных культур. Данное изобретение полезно для борьбы с загрязнением металлами или ионами с использованием биотехнологического подхода к защите окружающей среды. Хотя известны многие вещества растительного происхождения для удаления металлов, но до сих пор их получение в крупных масштабах для промышленного применения не было достигнуто вследствие многих факторов таких, как доступность сырья и стоимость получения. Известны многие вещества биологического происхождения для удаления металлов такие, как таннины, гуминовая кислота, цельная клеточная биомасса, хитин и производные хитина, металлотионины, микробные полисахариды, меланнины, полифенольные биопигменты, полимеры стенок бактериальных клеток, продуцируемые микробами хелатирующие агенты (сидерофоры). Очень мало исследований было посвящено поиску полезности их в реальных ситуациях. Поскольку это развивающаяся область, проводились экспериментальные исследования для того, чтобы создать/получить/разработать способ использования данного нового вида агрополимеров, полученных из сельскохозяйственных источников, для нахождения полезности их в реальных ситуациях.

Заявитель разработал в настоящее время способ утилизации удаляющих металлы и/или ионы агрополимеров, полученных из семенных оболочек или стручков сельскохозяйственных культур. Таким образом, согласно данному изобретению агрополимеры, полученные из семенных оболочек или стручков сельскохозяйственных культур, ответственны за удаление металлов и/или ионов должным образом. Для применения на практике удаляющих металлы и ионы агрополимеров, полученных из семенных оболочек сельскохозяйственных культур, разработан технически осуществимый и экономически целесообразный способ.

Настоящее изобретение относится к способу очистки загрязненных/зараженных металлами и ионами водных растворов, включая загрязненную металлами или ионами питьевую воду или грунтовую воду, с помощью обработки загрязненной воды агрополимерами или пропитанными металлами агрополимерами, причем указанные агрополимеры производят из растительных материалов таких, как семенные оболочки, пленки или стручки различных сельскохозяйственных культур (Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Vigna radiata, Triticum sp., Ricinus communis, Helianthus annus, Gossypium sp., Arachis sp.), указанный способ включает контактирование загрязненной ионами или металлами воды с агрополимерами и/или пропитанными металлами агрополимерами с использованием колоночного или периодического способа, проведение удаления ионов или металлов, приводящих в результате к свободной от загрязнения воде, при этом указанное удаление осуществляют в оптимальных условиях (таких, как рН) для максимальной эффективности удаления.

Фактически агрополимеры получают из семенных пленок, стручков или оболочек сельскохозяйственных культур таких, как Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Vigna radiata, Triticum sp., Ricinus communis, Helianthus annus, Gossypium sp., Arachis sp., данные полимеры способны удалять металлы или ионы из водных растворов от частей на млн до уровня частей на миллиард и биллион.

Соответственно, изобретение также предусматривает способ обработки зараженного металлами или ионами водного раствора, включающий контактирование вышеуказанной загрязненной воды с агрополимерами (колоночным или периодическим способом), указанные вещества получают из биологических/сельскохозяйственных растительных источников (семенных оболочек или стручков из растительного материала, выбранного из сельскохозяйственных растений таких, как Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Vigna radiata, Triticum sp., Ricinus communis, Helianthus annus, Gossypium sp., Arachis sp.), которые обладают способностью снижать нагрузку металлами или ионами загрязненной воды порядка от част. на млн до част./блн., причем указанную загрязненную металлами или ионами воду контактируют с агрополимерами колоночным или периодическим способом.

Кроме того, изобретение предусматривает способ обработки загрязненной металлами и/или ионами воды, согласно которому агрополимеры получают из семенных оболочек или стручков сельскохозяйственных культур (семенных оболочек или стручков Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Vigna radiata, Triticum sp., Ricinus communis, Helianthus annus, Gossypium sp., Arachis sp.). Агрополимеры также применяют на возможных участках заражения грунтовой воды токсичными металлами. Фактически, естественную грунтовую воду, которая богата мышьяком, обрабатывают агрополимерами настоящего изобретения, и результаты показали, что содержание мышьяка значительно снижается так, что обогащенная мышьяком вода по сути становится пригодной для питья.

Краткое описание сопровождающих фигур

На приложенных фигурах:

Сырые пленки, стручки или оболочки микронизировали и проводили ИК-спектроскопию с таблетками КВr. Образцы обрабатывали хлористым железом и сушили перед проведением ИК-спектроскопии с таблеткой КВr. ИК-спектрокопию каждого образца проводили в трех режимах: (1) общее сканирование: длина волны от 4000 до 500 (см^-1), (2) сканирование при длине волны от 4000 до 2200 (см^-1) и (3) сканирование при длине волны от 2000 до 600 (см^-1).

Фигура 1 относится к ИК-спектрам шелухи риса-сырца.

Фигура 2 относится к ИК-спектрам шелухи риса, обработанной щелочной перекисью водорода.

Фигура 3 относится к ИК-спектрам шелухи риса-сырца, обработанной хлористым железом (3).

Фигура 4 относится к ИК-спектрам обработанной щелочной перекисью водорода шелухи риса, в свою очередь, обработанной хлористым железом (3).

Как показывают ИК-спектры различных проб шелухи риса, было обнаружено, что обработка щелочной перекисью водорода шелухи риса приводила к более реакционноспособным связям, т.е. металлоорганическим связям.

Фигура 5 относится к ИК-спектрам шелухи сырого Setaria italica.

Фигура 6 относится к ИК-спектрам обработанной щелочной перекисью водорода шелухи Setaria italica.

Фигура 7 относится к ИК-спектрам шелухи сырого Setaria italica, обработанной хлористым железом (3).

Фигура 8 относится к ИК-спектрам обработанной щелочной перекисью водорода шелухи Setaria italica, в свою очередь, обработанной хлористым железом (3).

Как показывает ИК-спектроскопия на фигурах 5-8, более реакционноспособные металлоорганические связи образовывались с железом.

Фигура 9 относится к ИК-спектрам обработанной щелочной перекисью водорода шелухи пшеницы.

Фигура 10 относится к ИК-спектрам обработанной щелочной перекисью водорода шелухи пшеницы, в свою очередь, обработанной хлористым железом (3).

Как показывает ИК-спектроскопия на фигурах 9 и 10, обработка щелочной перекисью водорода шелухи пшеницы (Triticum sp.) приводила к многочисленным металлоорганическим связям, особенно значительно при длинах волн 2360±10 и 2340±10 (см^-1).

Фигура 11 относится к ИК-спектрам шелухи Panicum miliaceum.

Фигура 12 относится к ИК-спектрам обработанной щелочной перекисью водорода шелухи Panicum miliaceum, в свою очередь, обработанной хлористым железом (3).

ИК-спектроскопия на фигурах 11 и 12 выявила, что металлоорганические связи были более преобладающими при длинах волн от 1600 до 600 (см^-1).

Фигура 13 относится к ИК-спектрам обработанных щелочной перекисью водорода коробочек семян хлопчатника (Gossypium sp.).

Фигура 14 относится к ИК-спектрам обработанных щелочной перекисью водорода коробочек семян хлопчатника (Gossypium sp.), в свою очередь, обработанных хлористым железом (3).

Как показывает ИК-спектроскопия на фигурах 13 и 14, обработка щелочной перекисью водорода коробочек семян хлопчатника (Gossypium sp.) давала многочисленные металлоорганические связи, особенно значительно при длинах волн 2360±10 и 2340±10 (см^-1).

Фигура 15 относится к ИК-спектрам обработанных щелочью и перекисью водорода семенных покрытий касторового боба (Ricinus communis).

Фигура 16 относится к ИК-спектрам обработанных щелочью и перекисью водорода семенных покрытий касторового боба (Ricinus communis), в свою очередь, обработанных хлористым железом (3).

Как показывает ИК-спектроскопия на фигурах 15 и 16, обработка щелочной перекисью водорода семенных покрытий касторового боба (Ricinus communis) давала многочисленные металлоорганические связи.

Фигура 17 относится к ИК-спектрам обработанных щелочной перекисью водорода семенных скорлупок подсолнечника (Helianthus annus).

Фигура 18 относится к ИК-спектрам обработанных щелочной перекисью водорода семенных скорлупок подсолнечника (Helianthus annus), в свою очередь, обработанных хлористым железом (3).

Как показывает ИК-спектроскопия на фигурах 17 и 18, обработка щелочной перекисью водорода скорлупы семян подсолнечника (Helianthus annus) давала многочисленные металлоорганические связи.

Фигура 19 относится к ИК-спектрам обработанных щелочной перекисью водорода семенных стручков голубиного гороха (Cajanus cajan).

Фигура 20 относится к ИК-спектрам обработанных щелочной перекисью водорода семенных стручков голубиного гороха (Cajanus cajan), в свою очередь, обработанных хлористым железом (3).

Как показывает ИК-спектроскопия на фигурах 19 и 20, обработка щелочной перекисью водорода семенных стручков голубиного гороха (Cajanus cajan) давала многочисленные металлоорганические связи.

Фигура 21 относится к ИК-спектрам обработанных щелочной перекисью водорода семенных стручков маша (Vigna radiata).

Фигура 22 относится к ИК-спектрам обработанных щелочной перекисью водорода семенных стручков маша (Vigna radiata), в свою очередь, обработанных хлористым железом (3).

Как показывает ИК-спектроскопия на фигурах 21 и 22, обработка щелочной перекисью водорода семенных стручков маша (Cajanus cajan) давала многочисленные металлоорганические связи, особенно значительно при длинах волн 2360±10 и 2340±10 (см^-1).

Фигура 23 относится к ИК-спектрам обработанных щелочной перекисью водорода семенных стручков фасоли урд (Vigna mungo).

Фигура 24 относится к ИК-спектрам обработанных щелочной перекисью водорода семенных стручков урда (Vigna mungo), в свою очередь, обработанных хлористым железом (3).

Как показывает ИК-спектроскопия на фигурах 23 и 24, обработка щелочной перекисью водорода семенных стручков урда (Vigna mungo) приводила к многочисленным металлоорганическим связям.

Теперь заявитель предоставляет следующее конкретное описание изобретения с помощью примеров и иллюстраций, и это никоим образом нельзя истолковывать как ограничение объема изобретения.

Свойство удалять металлы агрополимеров, полученных из семенных покрытий сельскохозяйственных культур (семенного покрова или стручков Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica). Когда образец агрополимера в граммах помещают в мерную колбу емкостью 1000 мл, доводят до метки стандартными растворами меди и серебра с концентрацией 20 г/млн, в отдельности, и раствор выдерживают в колбе в течение 2 часов при периодическом встряхивании, затем раствор фильтруют и спектрофотометрически определяют присутствующие в растворе медь и серебро. Разница между содержанием металла в растворе до и после добавления агрополимера указывает на абсорбирующую/удаляющую металлы способность конкретного агрополимера. Как представлено в таблице 2, агрополимеры удаляли металлы такие, как медь и серебро. Грамм агрополимеров Setaria italica адсорбировал/удалял соответственно 6,0 и 4,1 мг меди и серебра. Грамм агрополимеров Panicum miliaceum удалял соответственно 1,6 и 2,5 мг меди и серебра. Грамм агрополимеров Oryza sativa удалял соответственно 4,5 и 4,7 мг меди и серебра.

Агрополимеры проявляют свойство больше абсорбировать металл из раствора, содержащего высокие концентрации металла. Используя данное свойство, агрополимерам давали возможность абсорбировать большее количество металла из растворов с высокой концентрацией металла с более длительным временем удержания (12-20) часов. Агрополимеры добавляли к металлам (таким, как растворы, содержащие железо или алюминий) и несвязанный металл удаляли промывкой водой и/или нейтрализацией щелочью в случае, если реакционная среда имела кислое значение рН, с последующей сушкой материала. Пропитанный металлом агрополимер помещали в химический стакан и к нему добавляли 250 мл воды и хорошо перемешивали, затем агрополимерным материалом заполняли колонку. Агрополимерный материал, находящийся в колонке, промывали 50 мл 1 норм. кислоты с получением связанного металла. Содержание металла в кислотных смывных водах определяли спектрофотометрически. В таблице 3 показано количество связанного с агрополимером металла. Грамм агрополимера Setaria italica абсорбировал (при обработке хлоридом алюминия) 14,4 мг алюминия. Грамм агрополимеров Oryza sativa абсорбировал (при обработке сульфатом алюминия) 8,6 мг алюминия. Грамм агрополимера Setaria italica абсорбировал (при обработке хлористым железом (3)) 4,7 мг железа.

Теперь последующее описание иллюстрирует свойство агрополимера удалять мышьяк. В данном опыте были взяты по отдельности агрополимеры, связанные с медью, цинком и железом, для определения свойства удалять мышьяк.

Один грамм агрополимера добавляли к 100 мл раствора, содержащего 6,6 ч./млн арсената натрия и перемешивали в течение 3-4 часов. Содержание мышьяка, присутствующего в супернатанте, определяли спектрофотометрически. Как показано в таблице 4, пропитанные металлом агрополимеры, абсорбировали мышьяк из водных растворов. Агрополимеры Setaria italica, пропитанные медью, железом и цинком, абсорбировали примерно 73-75% мышьяка от первоначального количества, равного 6,6 ч./млн.

Агрополимеры без пропитки металлом также абсорбируют мышьяк. Как показано в таблице 5, агрополимеры значительно снижали содержание мышьяка в естественных водах, содержащих мышьяк.

В последующем описании будет описана способность агрополимеров удалять фтор. Как таковой, агрополимер не может абсорбировать ион фтора, но, если агрополимер связан с металлами такими, как алюминий, связанный с металлами, агрополимер может в значительной степени абсорбировать фторидные ионы. Связанные с сульфатом алюминия агрополимеры добавляли к раствору, содержащему 5 ч./млн фторида натрия (1000 мг пропитанного металлом агрополимера добавляли к 50 мл раствора, содержащего 5 ч./млн фторида натрия), данные связанные с металлом агрополимеры абсорбировали фторидные ионы, соответственно на 77,4 и 90,8%. Подобным образом связанные с металлом агрополимеры удаляли фторидные ионы из природной воды, содержащей фторид. Когда природную воду с содержанием фтора 4,15 ч./млн смешивали с (1) пропитанным хлоридом алюминия агрополимером Setaria italica и (2) пропитанным сульфатом алюминия агрополимером Oryza sativa из расчета 1 г на л, фторидные ионы удалялись в значительной степени.

Ниже в данном изобретении будут описаны важные параметры удаления металлов и элюирования связанного металла. Эффективное применение указанных веществ зависит от подходящего рН для удаления металла. Связанные металлы в указанных веществах можно элюировать минеральными кислотами, включая серную, азотную и соляную при рН 0,8-1,0.

Одним из важных признаков изобретения является идентификация свойства удалять металлы или ионы агрополимеров, присутствующих в семенных оболочках или стручках сельскохозяйственных культур, и использование агрополимеров при обработке воды.

Еще одним важным признаком изобретения является то, что агрополимеры полезны для применения в колоночном или периодическом способе и пригодны для повторного применения во многих циклах выделения или удаления различных металлов от част./млн до част./блн.

Найдено, что насыщенные или пропитанные металлами агрополимеры полезны для удаления фторидных ионов и абсорбции металлов таких, как мышьяк. Указанная удаляющая способность веществ максимальна при нейтральных значениях рН для большинства испытанных металлов. Большинство связанных металлов, присутствующих в указанных веществах (агрополимерах), можно элюировать минеральными кислотами такими, как серная, азотная и соляная при рН 0,8-1,0. Агрополимеры пригодны для повторного применения колоночным или периодическим способом, что предоставляет экономические преимущества.

Агрополимеры имеют широкие применения в промышленности. Их можно эффективно использовать для борьбы с загрязнением для защиты окружающей среды от заражения металлами или ионами. Широкое применение указанного вещества составляет суть изобретения. Соответственно, данное изобретение относится к способу удаления металлов и ионов из зараженной воды или колоночным, или периодическим способом так, что вызывающие токсичность металлы или ионы удаляются из воды.

Теперь важно обобщить результаты исследований, проведенных заявителем, и полученные данные представлены в следующих таблицах 1-5:

В таблице 1 показано свойство удалять металлы (железо) агрополимеров, полученных из Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Vigna radiata, Triticum sp., Ricinus communis, Helianthus annus, Gossypium sp., Arachis sp. обработкой щелочной перекисью водорода. Раствор хлористого железа (3) пропускали через грамм агрополимера в колонке со скоростью потока 2 мл в мин и содержание связанного металла определяли элюированием 2-5% соляной кислотой. Перед элюированием несвязанный избыточный металл удаляли с колонки промывкой раствором соляной кислоты с рН 2,5. Связанный металл определяли спектрофотометрически при 535 нм, используя пар-реагент.

В таблице 2 показано свойство удалять металлы агрополимеров, полученных из семенных оболочек или стручков, с помощью щелочной обработки Setaria italica, Panicum miliaceum и Oryza sativa, удаляли медь и серебро.

В таблице 3 показано насыщение металлами (алюминием и железом) агрополимеров, полученных из семенных оболочек или стручков Setaria italica и Oryza sativa.

В таблице 4 показано свойство насыщенного металлом агрополимера удалять мышьяк (агрополимера, насыщенного медью, железом, цинком, полученного из семенных оболочек или стручков Setaria italica).

В таблице 5 показано свойство агрополимеров удалять мышьяк из естественной или природной воды, содержащей мышьяк.

Настоящее изобретение поясняет свойство выделения или удаления ионов (фторидных) насыщенными металлами агрополимерами (насыщенными алюминием агрополимерами, полученными из семенных оболочек или стручков Setaria italica и Oryza sativa).

Результаты, полученные в настоящем изобретении, дают сферу применения агрополимеров и насыщенных металлами агрополимеров, с использованием в аффинных колонках для очистки или связывания, или выделения, или удаления, или взаимодействия с реакционноспособными веществами, полезными для различных областей применения в промышленности (таких, как применение данных агрополимеров в производстве различных производных таких, как биоразлагаемые пластмассы, полимеры), включая применение агрополимеров для снижения заражения грунтовой воды промышленными сточными водами, содержащими металлы и ионы.

Преимущества:

Новые агрополимеры, полученные из растительных материалов, предпочтительно из семенных оболочек или стручков сельскохозяйственных культур (таких, как семенные оболочки или стручки сельскохозяйственных растений таких, как Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Vigna radiata, Triticum sp., Ricinus communis, Helianthus annus, Gossypium sp., Arachis sp.) являются нетоксичными биоразлагаемыми растительными материалами, подходящими для простого избавления от них, которые можно получать относительно дешево. Свойства агрополимеров предлагают сферу их применения в аффинных хроматографических системах в качестве веществ для удаления, или связывания, или очистки, или взаимодействия посредством иммобилизации реакционноспособными молекулами колоночным или периодическим способом, и использование в производстве биоразлагаемых пластмасс, полимеров, носителей и т.п. Данный экономически целесообразный и технически выполнимый способ получения агрополимеров полезен для защиты окружающей среды и имеет широкое применение в промышленности и, кроме того, помогает фермерам получать большую прибыль, поскольку сырье получают из сельскохозяйственных источников.

Новые удаляющие металлы и ионы агрополимеры, предпочтительно из семенных оболочек сельскохозяйственных культур, способны снижать нагрузку металлами порядка от част./млн до част./блн, и эти вещества получают относительно дешево по сравнению с другими удаляющими металлы веществами, получаемыми из растений.

Следовательно, несколько преимуществ данного изобретения суммируются следующим образом:

1. Созданные агрополимеры природного происхождения.

2. Способ борьбы с загрязнением с использованием агрополимера является крайне простым.

3. Система или способ предотвращения разрушения окружающей среды с использованием данных агрополимеров является эффективным, поскольку они могут снижать нагрузку металлами или ионами от част./млн до уровня част./блн. Поэтому получается свободная от загрязнения вода без токсических веществ.

4. Агрополимеры являются благоприятными для окружающей среды и биоразлагаемыми.

5. Способ очистки загрязненной воды является экономически целесообразным и технически выполнимым.

Следует отметить, что воплощение изобретения описано подробно в описании для иллюстрации отличительных особенностей изобретения, при этом в объеме изобретения допустимы различные модификации изобретения. Очевидно, что описание ни коим образом не ограничивает объем изобретения.

Изобретение относится к области очистки воды. Предложен агрополимер, содержащий углеводную и/или кремнеземную матрицу, по существу лишенную по крайней мере, белков, таннинов и полифенолов и имеющую реакционноспособные сайты связывания металлов, к способу получения указанных новых агрополимеров из растительного материала такого, как покровы семян, шелуха, скорлупа, кожура или пустые стручки различных сельскохозяйственных культур (Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Vigna radiata, Triticum sp. Ricinus communis, Helianthus annus, Gossypium sp., Arachis sp.), способ его получения и способ очистки загрязненных металлами или ионами водных растворов, включая питьевую воду или грунтовую воду. Изобретение позволяет создать эффективные нетоксичные сорбенты из дешевого сырья. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 24 ил., 5 табл.

1. Агрополимер, включающий углеводную и/или кремнеземную матрицу, полученную из культур, выбранных из Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Vigna radiata, Triticum sp., Ricinus communis, Helianthus annus, Gossypium sp., Arachis sp., причем указанная матрица, по существу, лишена белков, таннинов и полифенолов и имеет реакционноспособные сайты связывания металлов.2. Агрополимер по п.1, в котором углеводная матрица получена из частей растений, выбранных из семенных покровов, семенных покрытий, шелухи, пустых стручков, скорлупы, кожуры, листовых оберток и сырой шелухи.3. Агрополимер по п.1, в котором сырую шелуху микронизируют и проводят ИК-спектроскопию с таблеткой КВr и образцы обрабатывают хлористым железом (3) и сушат, при этом образцы, подверженные ИК-спектроскопии, обнаруживают реакционноспособные связи, т.е. металлоорганические связи.4. Агрополимер по п.1, в котором проведенная ИК-спектроскопия шелухи Triticum sp. обнаруживает металлоорганические связи в значительной степени при длинах волн 2360±10 и 2340±10 (см^-1).5. Агрополимер по п.1, в котором проведенная ИК-спектроскопия с таблеткой КВr после обработки покрова Gossypium sp. и Vigna radiata щелочной перекисью водорода обнаруживает металлоорганические связи в значительной степени при длинах волн 2360±10 и 2340±10 (см^-1).6. Агрополимер по п.1, в котором проведенная ИК-спектроскопия с таблеткой КВr после обработки покровов Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Ricinus communis, Helianthus annus щелочной перекисью водорода обнаруживает металлоорганические связи, характерные для каждого материала.7. Способ получения агрополимеров, включающих матрицу из углеводов, полученную из сельскохозяйственных культур, выбранных из Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Vigna radiata, Triticum sp., Ricinus communis, Helianthus annus, Gossypium sp., Arachis sp., причем указанная матрица, по существу, лишена белков, таннинов и полифенолов и имеет реакционноспособные сайты связывания металлов, включающий следующие стадии: a) измельчение в порошок растительного материала, b) микронизация порошка из растительного материала до необходимого размера в микронах, c) обработка указанного микронизированного растительного материала щелочью, или щелочной перекисью водорода, или перекисью водорода, d) обработка указанного материала повторной промывкой водой, или кислотой для удаления остатков щелочи, и/или перекисью водорода, e) обработка указанного материала раствором кислоты для удаления связанных металлов, f) нейтрализация указанных молекул удалением кислоты путем промывки водой или добавлением разбавленного раствора щелочи и g) сушка полученных в результате агрополимеров при комнатной температуре или в сушилке (70-80°С).8. Способ по п.7, при котором измельчение в порошок растительного материала проводят размалыванием с помощью мельницы.9. Способ по п.7, при котором микронизацию порошка из семенных покрытий, оболочек или стручков проводят с использованием микронизатора для получения желаемого размера частиц (в микронах).10. Способ по п.7, при котором растительный материал выбирают из семенного покрова, шелухи, скорлупы, листовых оберток или пустых стручков культур.11. Способ по п.7, при котором обработку щелочью проводят карбонатом натрия с последующей обработкой перекисью водорода.12. Способ по п.7, при котором обработку щелочью проводят добавлением раствора щелочи к агрополимерам.13. Способ по п.7, при котором обработку щелочью проводят добавлением порошка/хлопьев щелочи непосредственно в сухом виде к агрополимерам с последующим добавлением воды.14. Способ по п.7, при котором остаточное количество щелочи и/или перекиси водорода после обработки удаляют с помощью повторной промывки водой.15. Способ по п.7, при котором остаточное количество щелочи и/или перекиси водорода после обработки удаляют добавлением разбавленной кислоты (используя такую, как H₂SO₄, НСl и НNО₃) по отдельности.16. Способ по п.7, при котором связанные металлы, присутствующие в агрополимерах, элюируют 1-3%-ными растворами кислот (используя такие, как Н₂SO₄, НСl и НNО₃).17. Способ по п.7, при котором остатки кислоты удаляют с помощью повторной промывки водой.18. Способ по п.7, при котором остатки кислоты удаляют добавлением разбавленных растворов щелочей (используя такие, как NaOH и КОН).19. Способ по п.7, при котором влагу удаляют после декантации супернатанта с помощью сушки в сушилке (70-80°С).20. Способ по п.7, при котором влагу удаляют после декантации супернатанта с помощью сушки при комнатной температуре.21. Способ очистки загрязненных/зараженных металлами и ионами водных растворов, включая загрязненную металлами или ионами питьевую воду или грунтовую воду, обработкой загрязненной воды насыщенными или пропитанными металлами агрополимерами и/или агрополимерами, включающими углеводную и/или кремнеземную матрицу, причем указанная матрица, по существу, лишена белков, таннинов и полифенолов и имеет реакционноспособные сайты связывания металлов, при этом указанные агрополимеры получают из растительных материалов, таких, как покровы семян, шелуха, кожура, скорлупа или пустые стручки сельскохозяйственных культур, выбранных из Oryza sativa, Panicum miliaceum, Setaria italica, Cajanus cajan, Vigna mungo, Vigna radiata, Triticum sp., Ricinus communis, Helianthus annus, Gossypium sp., Arachis sp., включающий стадии контактирования загрязненной ионами или металлами воды с насыщенными металлами агрополимерами и/или агрополимерами с использованием колоночного или периодического способа, удаление ионов или металлов с получением в результате свободной от загрязнения воды, причем указанное удаление осуществляют в условиях, оптимальных для максимальной эффективности удаления.22. Способ по п.21, при котором агрополимеры удаляют ионы металлов из водных растворов.23. Способ по п.21, при котором агрополимеры удаляют мышьяк из водных растворов.24. Способ по п.21, который включает контактирование загрязненной ионами или металлами воды с агрополимерами или насыщенными металлами агрополимерами с использованием периодического или колоночного способа, осуществление удаления иона или металлов с получением свободной от загрязнения воды, причем указанное удаление проводят в оптимальных условиях, таких, как рН, для максимальной эффективности удаления.25. Способ по п.21, при котором агрополимеры используют для обработки природной грунтовой воды, богатой токсичными металлами, такими, как мышьяк или ртуть, с получением практически чистой или пригодной для питья воды.26. Способ по п.21, при котором агрополимеры используют для предотвращения потенциального заражения грунтовой воды нежелательными металлами и/или ионами на многих промышленных участках и станциях очистки сточных вод.