СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ КАДМИЯ Российский патент 2011 года по МПК C02F1/62 C02F1/28 C02F101/20 C02F103/16 

Изобретение относится к очистке сточных вод от ионов тяжелых металлов, преимущественно от ионов кадмия, и может быть использовано в технологиях очистки сточных вод различных производств и в водоподготовке.

В настоящее время очистка сточных вод предприятий является актуальной экологической проблемой. Она существует практически во всех регионах России. Несмотря на то, что тяжелые металлы являются химическими компонентами биосферы, ее искусственное загрязнение последними резко возрастает с развитием промышленности. Многие технологии сопряжены с образованием так называемых разбавленных растворов, содержащих токсичные металлы. Со сточными водами цветной металлургии, а также гальванических цехов в водоемы поступает значительное количество ионов металлов. Мощным источником загрязнения окружающей среды является автотранспорт.

Многие примеси не извлекаются из воды механически, не нейтрализуются при биологической очистке, не удаляются такими традиционными методами водоочистки, как отстаивание, коагуляция и флотация. Это обуславливает введение в комплексную технологическую схему водоподготовки стадии сорбционной доочистки. Как правило, эта стадия является заключительным этапом в технологическом процессе очистки воды.

Сорбционный метод является хорошо управляемым процессом. Он позволяет удалять загрязнения чрезвычайно широкой природы практически до любой остаточной концентрации независимо от их химической устойчивости.

Важным методом очистки сточных вод является адсорбционная очистка с использованием промышленных отходов и местных сырьевых ресурсов. Этот метод очистки отличается универсальностью, простотой аппаратурного оформления, не требует больших капиталовложений.

В качестве адсорбентов для извлечения загрязнителей из промышленных сточных вод наибольшее распространение получили активные угли. Однако низкая адсорбционная емкость промышленных активированных углей, а также низкая диффузионная проницаемость гранул адсорбента ограничивают внедрение сорбционных методов в производстве [1].

Кремнеземсодержащие материалы уже нашли широкое применение в качестве эффективных кремнеземных адсорбентов, адсорбентов и носителей для газовой хроматографии. Современные технологии стремятся модифицировать традиционные сорбенты для улучшения их сорбционных свойств. Большое развитие получило химическое модифицирование поверхности дисперсного кремнезема, что дает возможность направленно изменять его свойства.

Одним из наиболее распространенных в промышленной практике минеральных адсорбентов является силикагель, который обладает хорошо развитой пористостью и по химическому составу представляет оксид кремния (кремнезем) [2].

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ очистки сточных вод от ионов кадмия путем их извлечения кремнегелем, который является отходом производства фторида алюминия [3]. Недостатком данного адсорбента является его низкая адсорбционная емкость, которая приводит к низкой степени очистки водного раствора от тяжелых металлов на примере ионов кадмия.

Изменение адсорбционных свойств кремнеземных адсорбентов может быть достигнуто в результате химического модифицирования их поверхности путем введения в состав амино-, сульфо- и нитрильных групп, атомов фтора, алкильных и алкенильных радикалов. Модифицирование позволяет получить адсорбенты с качественно новыми свойствами.

Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшение сорбционных свойств кремнегеля, позволяющего эффективно очистить сточные воды от тяжелых металлов.

Одновременно, кроме хороших сорбционных свойств, адсорбент обладает низкой себестоимостью изготовления.

Положительный эффект при использовании заявляемого изобретения достигается за счет модификации поверхности частиц кремнегеля жирными кислотами.

Способ приготовления адсорбента для очистки сточных вод от тяжелых металлов проводится путем введения в кремнегель стеариновой или пальмитиновой кислот по рецептуре. Смесь тщательно перетирается в ступке при комнатной температуре до однородной массы и готова к употреблению.

Уменьшение количества модификатора (менее 1% от массы кремнегеля) не приводит к повышению сорбционных свойств, и степень очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов не изменяется.

Количество модификатора более 15% от массы кремнегеля не удерживается поверхностью немодифицированного адсорбента и образует самостоятельную фазу, которая не обладает адсорбционными свойствами.

Применение адсорбента для очистки сточных вод от тяжелых металлов заключается в следующем.

В водный раствор, содержащий ионы кадмия, вводят модифицированный адсорбент в соотношении Т:Ж=3:100. Обработку проводят при температурах 25-45°С при перемешивании до достижения сорбционного равновесия. Затем осадок отфильтровывают, очищенную воду направляют в производство.

В связи с тем, что адсорбция на модифицированном кремнегеле протекает за счет сил химической природы, снижение температуры менее 25°С делает процесс очистки неэффективным. Повышение температуры свыше 45°С приводит к десорбции модификатора с поверхности кремнегеля, что также приводит к снижению степени извлечения ионов металла из воды.

Эффективность описываемого способа очистки сточных вод от тяжелых металлов на примере кадмия и необходимость заявленных условий для достижения цели иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Очищаемую воду, содержащую 100 мг/л кадмия, подают в контактный резервуар, при перемешивании вводят адсорбент-кремнегель, модифицированный пальмитиновой кислотой 1%, в количестве 3 мг/л и проводят обработку при перемешивании при температуре 25°С в течение 10 мин (до достижения сорбционного равновесия). Затем очищенную от ионов кадмия воду отфильтровывают. Степень очистки от ионов кадмия-30,2%.

Пример 2. Способ осуществляют аналогично примеру 1, но процесс адсорбции проводят при температуре 45°С. Степень очистки от ионов кадмия - 33,8%.

Пример 3. Способ осуществляют аналогично примеру 1, но вводят адсорбент-кремнегель, модифицированный пальмитиновой кислотой в количестве 7%. Степень очистки от ионов кадмия - 44,2%.

Пример 4. Способ осуществляют аналогично примеру 1, но вводят адсорбент-кремнегель, модифицированный стеариновой кислотой в количестве 3%, и очистку проводят при температуре 25°С. Степень очистки от ионов кадмия - 33,1%.

Пример 5. Способ осуществляют аналогично примеру 1, но вводят адсорбент-кремнегель, модифицированный стеариновой кислотой в количестве 7%, и очистку проводят при температуре 45°С. Степень очистки от ионов кадмия - 53,9%.

Пример 6. Способ осуществляют аналогично примеру 4, но вводят адсорбент кремнегель, модифицированный стеариновой кислотой в количестве 15%. Степень очистки от ионов кадмия - 75,0%.

Пример 7. Способ осуществляют аналогично примеру 1, но процесс адсорбции проводят немодифицированным кремнегелем при температуре 45°С. Степень очистки от ионов кадмия - 15,0%.

Таблица 1 Количество модификатора (стеариновая кислота),% Степень очистки, % При 25°С При 35°С При 45°С 0 (прототип) 26 18,7 15 1 29,3 31,4 33,5 3 33,1 36,4 39,1 5 37,2 40,7 47,7 7 42,7 46,4 53,9 10 49,5 58,8 62,9 15 56,7 71,1 75 Таблица 2 Количество модификатора (пальмитиновая кислота), % Степень очистки, % При 25°С При 35°С При 45°С 0 (прототип) 26 18,7 15 1 30,2 32,8 33,8 3 35,2 37,5 40,5 5 39,5 43,1 51,5 7 44,2 55,1 62,1 10 57,4 59,3 69,3 15 62,4 67 74,4

Анализ данных, представленных в таблицах 1 и 2, показал, что заявляемое средство обладает более высокой адсорбционной способностью, модифицирование жирными кислотами приводит к увеличению степени очистки водного раствора от ионов кадмия в 2,2-2,4 раза при 25°С, 3,6-3,8 при 35°С, в 5 раз при 45°С.

Кроме того, использование предлагаемого адсорбента способствует утилизации многотоннажных отходов производств фторида алюминия, где на 1 т фторида алюминия образуется около 0,36 т кремнегеля (в пересчете на 100% оксид кремния).

Предложенный в работе материал является перспективным, доступным, дешевым и достаточно эффективным сорбентом для практического применения при разработке технологий очистки промышленных сточных вод и водоподготовки.

Источники информации

1. Нагаев В.В., Шулаев М.В., Сироткин А.С. // Химическая промышленность. 1998. №7. С.27-30, 1998. №10. С.29-30.

2. Кольцов С.И., Алесковский В.Б. Силикагель, его строение и химические свойства. Л., 1963.

3. Акаев О.П., Цветкова А.Д. Применение кремнийсодержащих отходов в качестве сорбентов ионов тяжелых металлов. / Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов, Курск, №12, Декабрь, 2009. - С.103-104.

Изобретение может быть использовано в технологиях очистки сточных вод и в водоподготовке. Для осуществления способа в качестве сорбента используют кремнегель - отход производства фторида алюминия, модифицированный жирными кислотами, например стеариновой или пальмитиновой, в количестве от 1 до 15%. Процесс адсорбции проводят в интервале температур 25-45°С при перемешивании. Способ обеспечивает повышение степени очистки сточных вод от кадмия в 2,2-5 раз по сравнению с использованием в качестве сорбента немодифицированного кремнегеля, а также способствует утилизации многотоннажных отходов производств фторида алюминия. 2 табл.

Способ очистки промышленных сточных вод путем обработки адсорбентом с последующим отделением образующегося осадка, отличающийся тем, что в качестве адсорбента используют кремнегель, отход производства фторида алюминия, модифицированный жирными кислотами в количестве 1-15%, а процесс адсорбции проводят при перемешивании при температурах 25-45°С.