СОРБЕНТ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК B01J20/06 B01J20/08 B01D39/02 B01D39/06 

Изобретение относится к сорбционным материалам и способам их получения для широкого использования этих материалов в медицине, ветеринарии, пищевой промышленности, для очистки воды, растворов, газовых выбросов, в области химии, биотехнологии, в качестве сорбентов, носителей для катализаторов и т.п.

Известен сорбент и способ его получения (патент РФ №2106898, МПК: B 01 D 39/00: B 01 J 20/00; C 02 F 1/28; опубл. 20.03.1998 г.). Сорбент представляет собой слои материалов, взятых при следующем соотношении, мас.%:

Оксид алюминия 50-95

Базальтовое волокно 5-50

Особенность известного способа состоит в том, что для получения оксида алюминия ультрадисперсный порошок алюминия, полученный путем электрического взрыва алюминиевых проволочек, окисляют в водной среде, и сорбент формируют путем чередования слоев тонковолокнистого холста из базальтового волокна и высокоактивного оксида алюминия, при этом внешние слои выполняют из базальтового волокна.

Основным недостатком этого сорбента и способа его получения является то, что получаемый сорбент имеет высокую стоимость (минимум десятки долларов за 1 кг). Это связано в первую очередь с необходимостью использования в способе дорогостоящего ультрадисперсного порошка алюминия, полученного путем электрического взрыва алюминиевых проволочек.

Снизить стоимость сорбента в десятки раз позволяет применение наиболее близких по технической сущности сорбента и способа его получения, описанных в следующей публикации (F.Tepper, L.Kaledin. Filters Based on Bioactive Nanofibers //Water Conditioning and Purification. - July 2002/p.62-65). Этот сорбент представляет собой смесь из несферических частиц оксида алюминия (не менее 20 мас.%) и частиц волокнистого материала (остальное).

Такой сорбент получают следующим образом. Несферические частицы оксида алюминия для повышения активности нагревают до 150-800°С, а затем перемешивают с предварительно подготовленной смесью волокон частиц целлюлозы и стекловолокна, из полученного сорбента формируют фильтры диаметром 25 мм.

Основные недостатки сорбента-прототипа и способа его получения следующие: низкий срок службы этого сорбента; получаемый этим способом сорбент имеет ограниченную область применения т.к. работает только в нейтральной и кислой средах при рН≤7,5; неполное улавливание микробиологических объектов (MS-2<100%).

Основным техническим результатом предложенного изобретения является увеличение срока службы сорбента на порядок, т.к. его сорбционные свойства остались практически неизменными после непрерывной эксплуатации изготовленных из него фильтров в течение 48 часов. Кроме того, этот сорбент имеет более широкую область применения, поскольку эффективно работает не только в нейтральной и кислой средах, но и в щелочной среде при рН до 9,5. Важно и то, что предложенный сорбент обеспечивает полное улавливание микробиологических объектов (MS-2 - 100%). Следует отметить, что способ не требует после получения несферических частиц алюминия подогрева этих частиц до высоких температур с целью повышения их активности.

Указанный технический результат предложенного вещества достигается тем, что сорбент, состоящий из несферических частиц оксида алюминия и частиц волокнистого материала, согласно предложенному решению дополнительно содержит компонент с отрицательным зарядом поверхности и модификатор, выбранный из ряда оксид или гидрооксид магния, кремния или их смеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид алюминия Не менее 20

Компонент с отрицательным зарядом поверхности 0,5-5,0

Модификатор 0,1-3,0

Волокнистый материал Остальное

Кроме того, в качестве компонента с отрицательным зарядом поверхности сорбент содержит оксид или гидроксид кремния, железа, марганца, хрома или их смеси.

Указанный технический результат предложенного способа достигается тем, что в способе получения сорбента, включающем получение несферических частиц оксида алюминия и смешивание полученных частиц с частицами волокнистого материала, согласно предложенному решению перед смешиванием обоих компонентов к волокнистому материалу добавляют компонент с отрицательным зарядом поверхности, в процессе смешивания трех компонентов производят активацию получаемой смеси, а затем вводят модификатор, выбранный из ряда оксид или гидрооксид магния, кремния или их смеси, и снова все перемешивают.

Целесообразно в процессе смешивания трех компонентов активацию получаемой смеси производить электрическим током или ультразвуком.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественные всем признакам заявляемого сорбента и способа его получения, отсутствуют. Следовательно, заявляемые решения соответствует условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявляемых решений, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемые решения соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Пример конкретного выполнения. Для получения заявленного сорбента предложенным нами способом 3 г волокнистого материала, а именно хлопковой целлюлозы, замочили в 600 мл дистиллированной воды и оставили набухать в закрытом сосуде в течение 2-х часов. Навеску 0,1 г компонента с отрицательным зарядом поверхности, а именно гетита (FeOOH), поместили в 100 мл воды и гомогенизировали с помощью механической мешалки в течение 5 мин. Затем смешивали замоченную целлюлозу с суспензией гетита с помощью гомогенизатора в течение 10 мин. С целью получения несферических частиц оксида алюминия к полученной смеси добавили 0,6 г алюминиевой пудры (марки ПА) и 4 мл концентрированного раствора NH₄OH, а затем провели активацию с помощью переменного синусоидального тока промышленной частоты (50 Гц) при плотности тока 0,1 А/см² (на алюминиевых электродах) в интервале температур 50-90°С в течение 30 мин. При этом происходило полное окисление алюминиевой пудры водой. На поверхности целлюлозы формировались несферические частицы оксида алюминия, а именно бемита в количестве 26,2% от массы сорбента в пересчете на безводный оксид. На фотографии (фиг.1) видно, что практически все несферические частицы оксида алюминия распределились на поверхности волокон целлюлозы. После этого добавили модификатор, а именно 7,6 мл 1%-ной суспензии SiO₂ (кремнезема) в воде и гомогенизировали в течение 5 мин. В результате получен сорбент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид алюминия 26,2

Гетит 2,3

Оксид кремния 1,7

Хлопковая целлюлоза 69,8

Потом из полученного сорбента сформировали фильтр, отделяя воду на воронке Бюхнера. Фильтр сушили в сушильном шкафу в течение 1 часа при 50°С, а затем в течение 1 часа при 160°С.

Несферические частицы оксида алюминия были нами получены также на волокне осаждением из растворимых солей алюминия в щелочной среде. Однако сорбент, полученный с их использованием, имеет несколько худшие характеристики.

Кроме целлюлозы в качестве волокнистого материала можно использовать волокна из стекла, базальта и других материалов.

Испытания полученного сорбента по отношению к микробиологическим объектам проводили с помощью модельного метода - способностью сорбента поглощать монодисперсные латексные шарики. Правомерность такого подхода и методика измерений изложена в работе (Rodney A Knight, Eugene A Ostreicher. Measuring the Electrokinetic Properties of Charged Filter Media/Filtration and Separation, January/February 1981. - p.30-34). Конкретная методика измерений была следующая. К 100 мл дистиллированной воды добавляли 1 мл раствора, содержащего 10¹⁴ латексных шариков диаметром 33 нм. Из сорбента формировали фильтр диаметром 13 мм и толщиной 1 мм. Фильтр вставляли в герметичный держатель и пропускали через него полученный раствор. Количество латексных шариков в прошедшем через сорбент растворе измеряли нефелометрически. Результаты измерений приведены в табл.1 и 2.

Одним из свойств сорбента, характеризующим его срок службы, является механическая прочность сорбента на растяжение до разрыва.

Для проведения механических испытаний на растяжение до разрыва по ГОСТ 11262-80 (ISO 527-2, 1993) из сорбента формировали полоску шириной 8 мм, толщиной 1 мм и начальной длиной 40 мм. Скорость подвижного захвата 0,5 мм/мин. Перед испытанием сорбент замачивали в дистиллированной воде в течение 10 мин.

В табл.1 приведены значения сорбционной способности и прочности сорбента.

Как видно из табл.1, оптимальным является сорбент, в котором содержание компонента с отрицательным зарядом поверхности (FeOOH) 0,5-5,0%. Аналогичные результаты получены при использовании в качестве компонента с отрицательным зарядом поверхности оксидов и гидроксидов кремния, марганца, хрома или их смесей в количестве 0,5-5,0 мас.%. Все эти вещества имеют отрицательный заряд поверхности в нейтральной среде (Электроповерхностные явления в дисперсных системах/Под ред. проф. О.Н.Григорова и проф. Д.А.Фридрихсберга. - М.: Наука, 1972. - с.14-23, 32-36). Соответствующие гидроксиды могут быть получены также осаждением на волокне из солей в щелочной среде.

В табл.2 приведены значения рН и сорбционной способности полученного сорбента. При рН более 9,5 сорбент перестает работать.

Как видно из табл.2 оптимальным следует считать сорбент, в котором содержание модификатора 0,1-3,0%.

Аналогичные результаты получены при использовании в качестве модификатора оксида и гидрооксида магния, причем оксиды кремния и магния могут быть получены разложением их соединений.

Проведенные нами сравнительные испытания в аналогичных условиях сорбента-прототипа и предложенного нами сорбента показали, что срок службы предложенного сорбента больше, так как сорбент-прототип работал 30 мин и потом механически разрушался, а предложенный сорбент не вышел из строя в течение 2-х суток эксплуатации.

Исследовалась эффективность предложенного сорбента по отношению к бактериофагу MS-2 при рН 7,0. Данные испытаний приведены в табл.3.

Как видно из табл.3, предлагаемый сорбент на 100% поглощает бактериофаги MS-2.

Кроме электрического тока, для активации смеси применяли ультразвук. В таблице 4 приведены результаты эффективности по отношению к бактериофагу MS-2 сорбента, полученного при активации смеси ультразвуком при температуре 60°С в течение 30 минут при частоте 35 кГц и мощности излучателя 450 Вт.

Как видно из табл.4, сорбент, полученный при активации смеси ультразвуком, на 100% поглощает бактериофаги MS-2 при концентрации менее 4,28·10⁶. При большей концентрации эффективность сорбента падает.

Изобретение относится к сорбционным материалам и способам их получения для широкого использования этих материалов в медицине, ветеринарии, пищевой промышленности, для очистки воды, растворов. Сорбент состоит из несферических частиц оксида алюминия и частиц волокнистого материала, содержит компонент с отрицательным зарядом поверхности и модификатор, выбранный из ряда оксид или гидрооксид магния, кремния или их смеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид алюминия - не менее 20; компонент с отрицательным зарядом поверхности - 0,5-5,0; модификатор - 0,1-3,0; волокнистый материал - остальное. В качестве компонента с отрицательным зарядом поверхности используют оксид или гидроксид кремния, железа, марганца, хрома или их смеси. Сущность способа состоит в том, что несферические частицы оксида алюминия смешивают с частицами волокнистого материала, перед смешиванием обоих компонентов к волокнистому материалу добавляют компонент с отрицательным зарядом поверхности, в процессе смешивания трех компонентов производят активацию получаемой смеси электрическим током или ультразвуком, после чего вводят модификатор, выбранный из ряда оксид или гидрооксид магния, кремния или их смеси, и снова все перемешивают. Основным техническим результатом предложенного изобретения является увеличение срока службы сорбента, сорбент эффективно работает не только в нейтральной и кислой средах, но и в щелочной среде при рН до 9,5. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 табл., 1 ил.

1. Сорбент, состоящий из несферических частиц оксида алюминия и частиц волокнистого материала, отличающийся тем, что он дополнительно содержит компонент с отрицательным зарядом поверхности и модификатор, выбранный из ряда оксид или гидрооксид магния, кремния или их смеси, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид алюминия Не менее 20

Компонент с отрицательным зарядом поверхности 0,5-5,0

Модификатор 0,1-3,0

Волокнистый материал Остальное