СОРБЕНТ, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ РАЗДЕЛЬНОГО ВЫДЕЛЕНИЯ СОЛЕЙ МЕТАЛЛОВ ИЗ ОТХОДОВ Российский патент 2005 года по МПК B01J20/20 B01J20/30 B01D15/08 

Изобретение относится к сорбционным технологиям и может быть использовано для получения углеродного сорбента и его дальнейшего применения для извлечения ценных компонентов из отходов различных производств.

Известны ионообменные материалы, используемые для разделения различных ионов тяжелых и цветных металлов, представляющие собой ионообменные смолы как пористой, так и гелевой структуры (см., например, “Ионообменные материалы для процессов гидрометаллургии, очистки сточных вод и водоподготовки”, каталог под ред. Б.Н.Ласкорина. М., ВНИИХТ, 1980 г.).

Среди известных материалов можно подобрать высокоселективные сорбенты, обеспечивающие высокий коэффициент разделения конкретных ионов при высокой емкости.

Однако описанные материалы довольно дороги.

Известны также углеродные сорбенты, используемые для выделения и разделения ионов металлов (см., например, В.М.Мухин и др. Активные угли России. М., 2000, стр.262-271).

Наиболее близким к предложенному является сорбент на основе мезопористого углерода, который может быть использован для разделения ионов тяжелых и цветных металлов, описанный в упомянутой книге (см. В.М.Мухин и др. Активные угли России. М., 2000, стр.314-319).

Известны также способы получения углеродных сорбентов, предусматривающие карбонизацию и активацию природного сырья, и в частности, торфа (см. В.М.Мухин и др. Активные угли России. М., 2000, стр.254).

Наиболее близким к предложенному является способ получения углеродного сорбента, включающий обработку торфа раствором гидроксида калия, разделение твердой и жидкой фаз, снижение рН жидкой фазы до 4-6 с получением геля, содержащего иммобилизованную гуминовую кислоту (AT 382326, B 01 J 20/24, 1987).

Однако полученный сорбент имеет невысокую гидромеханическую прочность.

Известны многочисленные методы переработки отходов производства, содержащих ценные металлы, которые основаны на выщелачивании сырья и последующем сорбционном выделении ценных компонентов и их разделении (см., например, RU 2067125, 1996; RU 2118384, 1998; RU 2069180, 1996).

В известных способах для выделения ценных компонентов используют кислоты, что создает проблему вторичных отходов, а для разделения компонентов используют, в основном, ионообменные смолы, что приводит к удорожанию процесса.

Известны способы переработки металлосодержащих материалов, которые для повышения степени вскрытия сырья и для интенсификации процесса используют различные виды активации, например механическая активация (RU 2095438, 1997), либо электровоздействие, приводящее к возникновению ультрафиолетового, рентгеновского, оптического излучения (см. RU 2082079, 1997; RU 2082780, 1997; AT 659359, 1994; RU 2198941, 2003).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу раздельного выделения солей металлов из отходов является способ переработки отходов, согласно которому отходы, содержащие различные металлы, подвергают измельчению, выщелачиванию, хроматографическому фракционированию продукта выщелачивания с получением отдельных солей металлов.

Так, например, при переработке концентратов, содержащих благородные металлы, после кислотного окислительного выщелачивания из жидкой фазы отделяют хроматографически сначала золотую фракцию, а оставшуюся жидкость фракционируют хроматографически на отдельные металлы группы платины (RU 2213793, 10.10.2003).

Известный способ является дорогим, поскольку для его осуществления используют дорогие товарные реагенты.

Задачей настоящего изобретения является получение механически прочного сорбента, способного обеспечить высокую степень извлечения солей металлов из отходов производств и их разделение на отдельные компоненты с использованием промежуточных продуктов процесса получения используемого сорбента, т.е. по сути разработать безотходную комплексную технологию получения качественного углеродного сорбента и его использования.

Поставленная задача решается описываемым сорбентом на основе мезопористого углерода для разделения ионов тяжелых и цветных металлов, который имеет следующие характеристики:

суммарный объем пор по Н₂О - (0,2-0,3) см³/г;

удельная поверхность - (60,0-80,0) м²/г

сорбционная активность по йоду - (35,0-45,0)%

сорбционная активность по бензолу - (300,0-330,0) мг/г

зольность - (45,0-47,0)%

насыпной вес - (0,28-0,30) кг/дм³

Поставленная задача решается также способом получения сорбента с вышеуказанными характеристиками, который заключается в том, что торф обрабатывают раствором гидроксида калия, проводят разделение твердой и жидкой фаз, жидкую фазу подвергают взаимодействию с кислым реагентом, обеспечивая снижение рН до 4,0-6,0 с получением гелеобразного осадка и надосадочной жидкости, после чего надосадочную жидкость обрабатывают кислым реагентом в несколько стадий, обеспечивая снижение рН до 2,0-2,5 с отделением на каждой стадии гелеобразных осадков и надосадочных жидкостей, при этом собирают раздельно гелеобразные осадки и часть надосадочных жидкостей с каждой последующей стадии гелирования, причем раздельно собранные гелеобразные осадки термообрабатывают на воздухе при 110-120°С, продукты термообработки смешивают между собой и твердой фазой, отделенной после обработки торфа раствором гидроксида калия, продукт смешения подвергают карбонизации, активации и гранулированию, полученные гранулы смешивают с ранее полученным гелеобразным осадком с рН 2,0-2,5, промытым водой, до покрытия гранул пленкой геля и подвергают их аэрации при повышенной температуре.

Поставленная задача решается также описываемым способом раздельного выделения солей металлов из отходов, включающим их измельчение, выщелачивание, хроматографическое фракционирование с использованием сорбента и выделение солей соответствующих металлов, выщелачивание осуществляют раствором, содержащим фульвокислоты, разделяют твердую и жидкую фазы, жидкую фазу пропускают через сорбент, который охарактеризован выше, с последующей регенерацией сорбента раствором серной кислоты, а твердую фазу подвергают фракционированию путем ее многостадийной обработки раствором элюента, содержащим фульвокислоты, с повышающимся рН раствора на каждой стадии, после чего элюаты каждой стадии раздельно контактируют с сорбентом, характеристики которого приведены выше с последующей регенерацией сорбента раствором серной кислоты.

Способ характеризуется тем, что в качестве элюента используют надосадочные жидкости разных стадий гелирования процесса получения используемого сорбента, который описан выше, предварительно определив их сродство к конкретному иону металла.

Для повышения эффективности процесса контактирование твердой фазы с элюентом осуществляют при наложении активирующего воздействия в виде электрического, электромагнитного, магнитного или теплового поля, либо перед контактированием твердой фазы с элюентом последний подвергают активирующему воздействию электрического, электромагнитного, магнитного или теплового поля.

Способ предполагает использование шлаков и шламов металлургических и гальванических производств в качестве перерабатываемых отходов.

Пример 1 (осуществление способа получения сорбента).

Используется низинный торф Мельчевского месторождения, который обрабатывают 0,5% раствором гидроксида калия. Проводится разделение твердой и жидкой фаз, после чего последнюю обрабатывают соляной кислотой, снижая рН в несколько стадий, с шагом по рН, равным 2,0. Гелеобразные осадки с каждой стадии гелирования подвергают термообработке в течение 14 часов воздушным потоком при 110-120°С, смешивают полученные продукты с полученной после обработки низинного торфа раствором гидроксида калия твердой фазой. Смесь подвергают карбонизации при 550-600°С и в течение 30 минут осуществляют выдержку при конечной температуре. После этого ее охлаждают и активируют водяным паром при 830-850°С. После проведения процесса гранулирования смеси гранулы смешивают с гелеобразным осадком второй стадии гелирования, предварительно промытым водой, до получения сорбента, и проводят сушку в потоке воздухе при температуре 60°С. Полученный сорбент имеет, например, следующие характеристики:

Таблица 1№Наименование показателей, ед. измерения 1Влажность, %0,02Зольность, %46,913Гранулометр. состав, %  5 мм9,55 3 мм70,41 1 мм16,48 0,4 мм0,844Насыпной вес, кг/дм³0,2955Прочность на истир., %76,76Удельная пов-ть, м²/г69,707рН7,08Сорбционная активность по йоду, %41,349Сорбционная активность по бензолу, мг/г319,5010Суммарный объем пор по воде, см³/г0,24

Данным способом получают гранулы как одинаковые, так и различные по геометрическим размерам, а также геометрически подобные. Сечения гранул отвечают ряду кривых второго порядка. Получение гранул различного вида расширяет область применения сорбента, созданного предложенным методом.

Использование данного сорбента, обладающего повышенными прочностными характеристиками, повышенными значениями сорбционных емкостей, а также способностью функционирования в различных растворах, позволяет проводить эффективную очистку растворов и вод от тяжелых металлов и органических примесей.

Пример 2 (реализация способа извлечения металлов из шлама).

Измельчаем 1 кг шлама Коломенского машиностроительного завода, состав которого приведен в таблице 2.

Таблица 2п/пНаименование ингредиентовИсходный результатКонечный результат123 1Реакция среды, ед. рН7.1 2Плотность, кг/м1410 3Полная влажность. %86.0 4Гигроскопическая влажность. %6.53 5Нерастворимый остаток (SiO₂, Аl₂О₃ и- 6Хлориды. мг/кг1043 7Сульфаты. мг/кг4919 8Нефтепродукты, мг/кг абс. cухoгo623 9Азот аммонийный, мг/кг318 10Мель, мг/кг4371611Цинк, мг/кг7448112Никель, мг/кг2954513Марганец, мг/кг- 14Железо общ., мг/кг403910015Хром, мг/кг2642016Фосфаты (по фосфору), мг/кг19 

Собирают надосадочные жидкости, полученные после первой и второй стадии гелирования при получении сорбента (см. пример 1). Количество полученной смеси над осадочных жидкостей составило 0,5 кг. Шлам перемешивают со смесью надосадочных жидкостей с рН 5,0 до получения пульпы при температуре 50°С. Длительность перемешивания - 3 часа. При этом выщелачиваются ионы хрома, железа и никеля с образованием соответствующих солей. После разделения пульпы на твердую и жидкую фазу последнюю пропускают через полученный в примере 1 сорбент. Загруженный сорбент регенерируют 5% раствором серной кислоты с получением сульфатов соответствующих металлов. В результате удаляются водорастворимые формы металлов, содержащиеся в исходном шламе.

После этого проводится химический анализ твердой фазы, полученной после разделения пульпы, и определяется наличие и содержание нерастворимых соединений металлов (никеля, меди). Твердую фазу последовательно обрабатывают соответствующими надосадочными жидкостями разных стадий гелирования (для никеля рН 4, для меди рН 2) при температуре 50°С в течение 2-х часов, и соотношении Т:Ж=1:10. После этого проводят разделение смеси на твердую и жидкую фазы и пропускают жидкую фазу через полученный ранее сорбент. Загруженный сорбент регенерируют 5% раствором серной кислоты с получением сульфатов соответствующих металлов (железа, меди, никеля, хрома, и т.д.)

Пример 3. Измельчают 1 кг шлама Коломенского машиностроительного завода, состав которого приведен в таблице 2. Собирают надосадочные жидкости, полученные после первой и второй стадии гелирования при получении сорбента (см. пример 1). Количество полученной смеси надосадочных жидкостей составило 0,5 кг. Шлам перемешивают со смесью надосадочных жидкостей с рН 5,0 до получения пульпы при температуре 50°С. Длительность перемешивания - 3 часа. При этом выщелачиваются ионы хрома, железа и никеля с образованием соответствующих солей. После разделения пульпы на твердую и жидкую фазу последнюю пропускают через полученный в примере 1 сорбент. Загруженный сорбент регенерируют 5% раствором серной кислоты с получением сульфатов соответствующих металлов. В результате удаляются водорастворимые формы металлов, содержащиеся в исходном шламе.

После этого проводится химический анализ твердой фазы, полученной после разделения пульпы, и определяется наличие и содержание нерастворимых соединений металлов (никеля, меди). Твердую фазу последовательно обрабатывают соответствующими надосадочными жидкостями разных стадий гелирования (для никеля рН 4, для меди рН 2) при соотношении Т:Ж=1:10, осуществляя в процессе обработки активизирующее воздействие магнитньм полем с напряженностью 1 кэ. После этого проводят разделение смеси на твердую и жидкую фазы и пропускают жидкую фазу через полученный ранее сорбент. Загруженный сорбент регенерируют 5% раствором серной кислоты с получением сульфатов соответствующих металлов (железа, меди, никеля, хрома, и т.д.). Результатом воздействия магнитного поля (при тех же самых конечных результатах, полученных в примере 2) является снижение расхода используемых надосадочных жидкостей, что в конечном итоге снижает себестоимость технологического процесса.

Аналогичным образом проведено раздельное выделение солей металлов из шлаков и шламов при использовании в качестве активирующего воздействия электрического и электромагнитного полей. Результаты исследований показали, что активирующее воздействие в виде электрического, магнитного, электромагнитного и теплового полей, осуществляемое как в процессе контактирования твердой фазы с элюентом, так и перед контактированием, позволяет повысить степень элюирования ценных компонентов.

Изобретение относится к области химии, в частности к сорбционным технологиям, и может быть использовано для получения углеродного сорбента и его применения для извлечения ценных компонентов из отходов различных производств. Предложенный углеродный сорбент имеет суммарный объем пор по Н₂О (0,2-0,3) см³/г, удельную поверхность (60,0-80,0)м²/г, сорбционную активность по йоду (35,0-45,0)%, сорбционную активность по бензолу (300,0-330,0) мг/г, зольность (45,0-47,0)%, насыпной вес (0,28-0,30) кг/дм³. Предложенный способ получения сорбента включает обработку торфа гидроксидом калия, разделение твердой и жидкой фаз, обработку последней кислым реагентом со снижением рН до 4,0-6,0 с получением гелеобразного осадка и надосадочной жидкости, многостадийную обработку ее кислым реагентом со снижением рН до 2,0-2,5 с отделением на каждой стадии гелеобразных осадков и надосадочных жидкостей, раздельный сбор гелеобразных осадков и части надосадочных жидкостей с каждой стадии гелирования, термообработку гелеобразных осадков, последующее смешение их между собой и твердой фазой, карбонизацию полученного продукта, активацию, гранулирование, смешивание полученных гранул с ранее полученным гелеобразным осадком с рН 2,0-2,5 и последующую аэрацию при повышенной температуре. Предложенный способ раздельного выделения солей металлов из отходов, включает их измельчение, выщелачивание раствором, содержащим фульвокислоты, хроматографическое фракционирование с использованием сорбента и выделение солей соответствующих металлов, разделение твердой и жидкой фазы, пропускание последней через сорбент, с последующей его регенерацией раствором серной кислоты, фракционирование твердой фазы путем ее многостадийной обработки раствором элюента, содержащим фульвокислоты, с повышающимся рН раствора на каждой стадии, последующее раздельное контактирование элюатов каждой стадии с сорбентом с последующей его регенерацией раствором серной кислоты. Изобретение позволяет проводить извлечения ценных компонентов из отходов различных производств. 3 н. и 4 з. п. ф-лы, 2 табл.

1. Сорбент на основе мезопористого углерода для разделения ионов тяжелых и цветных металлов, отличающийся тем, что он имеет следующие характеристики:

Суммарный объем пор по Н₂О (0,2-0,3) см³/г

Удельная поверхность (60,0-80,0) м²/г

Сорбционная активность по йоду (35,0-45,0)%

Сорбционная активность по бензолу (300,0-330,0) мг/г

Зольность (45,0-47,0)%

Насыпной вес (0,28-0,30) кг/дм³