ФИЛЬТРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ, ИМЕЮЩИЙ ФУНКЦИЮ АДСОРБЦИИ И ФИКСАЦИИ МЫШЬЯКА И ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2017 года по МПК B01J20/14 B01J20/12 B01J20/32 C02F1/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области получения фильтрующего материала, а более конкретно к фильтрующему материалу, имеющему функцию адсорбции и фиксации мышьяка и тяжелых металлов, и способу его получения и применения, в котором фильтрующий материал может эффективно удалять трехвалентный и пятивалентный мышьяк из жидкости, такой как вода.

Описание известного уровня техники

Мышьяк является одним из высокотоксичных элементов, а также неорганическим токсином, который в соответствии со стандартами питьевой воды различных стран мира должен быть удален. Обычно мышьяк присутствует в природной воде в трех- или пятивалентном состоянии, однако, являясь металлом, мышьяк присутствует в виде арсенита или арсената вместо обычных катионов. В настоящее время требования по очистке от мышьяка не могут быть выполнены, так как степень удаления трехвалентного мышьяка составляет только около 50%, даже если используется современная технология, такая как обратноосмотическая мембрана (RO). Кроме того, используют фильтрующий материал для фильтрации мышьяка и чрезвычайно ядовитых тяжелых металлов, таким образом, проблема фиксации должна быть принята во внимание.

С одной стороны обычными пористой керамикой и керамическим фильтром бактерии и макромолекулярные органические соединения могут быть удалены с помощью природной пористой структуры кизельгура, но мышьяк в ионном состоянии и тяжелые металлы не могут быть удалены. С другой стороны, нуль-валентное железо/наноразмерное нуль-валентное железо медленно корродирует и дает два свободных радикала в воде с низким рН (менее 6) для восстановления и соосаждения мышьяка и тяжелых металлов, удаляя тем самым тяжелые металлы. Однако следующие проблемы возникают при отдельном применении нуль-валентного железа: во-первых, реакция коррозии происходит только в среде с рН менее 7, и корректировка и контроль рН ограничивается применением фильтрации питьевой воды; во-вторых, реакция протекает непрерывно при условии, что присутствует определенное количество растворенного кислорода (более 2 мг/л); в-третьих, в ходе реакции образуется вредный шлам так, что тяжелые металлы не могут быть иммобилизованы, таким образом, требуется дополнительная безопасная утилизация; в-четвертых, образуется большой избыток ионов трехвалентного железа при использовании, так что вода становится красной или оранжевой и таким образом должна быть дополнительно обработана.

Для решения этих проблем, ограничивающих применение нуль-валентного железа, в некоторых исследованиях нуль-валентное железо или наноразмерное нуль-валентное железо формируют в виде покрытия на пористых керамических частицах, приготовленных из активированного угля, природного диатомита или каолина. Однако некоторые проблемы существуют и в этом способе, например, покрытие полученное способом смешивания активированного угля легко отделяется, если значение рН или качество воды изменяется, и это будет приводить к острому отравлению. Кроме того, проблемы отделения порошка нуль-валентного железа и окисления поверхности легко возникают в фильтрующем материале, тем самым уменьшая адсорбционную способностью фильтрующего материала.

Китайский патент ZL 200680052402.x раскрывает способ и композицию для удаления мышьяка и тяжелых металлов из воды, в которой керамические частицы каолина используются для покрытия нуль-валентным железом, мышьяк и тяжелые металлы могут быть эффективно удалены и тяжелые металлы фиксируются на поверхности керамики. Но в таком способе, может быть использована только структура поверхности керамики, таким образом, необходимо дополнительно улучшить эффективность адсорбции.

В заключение, при удалении мышьяка, недостатки известного уровня техники в основном состоят из: обычный окислительный обжиг керамики может обеспечить пористую структуру только для физической фильтрации бактерий и макромолекулярных соединений; использование больших количеств нуль-валентного железа будет давать ионы железа и опасные отходы; проблема отделения имеет место в покрытии активированного угля и порошка железа; и только структура поверхности может быть использована в поверхностном покрытии керамических частиц.

Краткое изложение существа изобретения

Одной из проблем, решаемых изобретением, является создание нового фильтрующего материала, имеющего функцию удаления мышьяка, а также способа его получения и применения для преодоления недостатков известного уровня техники.

Для решения вышеуказанной технической проблемы используется следующее техническое решение.

Фильтрующий материал, имеющий функцию адсорбции и фиксации мышьяка и тяжелых металлов, включающий пористую керамическую подложку с пористостью 35-85% и наночастицы нуль-валентного железа, сформированные in situ внутри пористой керамической подложки, в котором пористая керамическая подложка имеет микропоры 2-10 микрон, рыхлую аморфную структуру кремний-железо-углерод, сформированную внутри каждой микропоры, причем рыхлый аморфный кремний-железо-углерод способен образовывать адсорбционную пленку после поглощения воды. По меньшей мере 25% масс. керамического компонента, образующего пористую керамическую подложку является кизельгуром.

В соответствии с конкретным осуществлением изобретения поверхность фильтрующего материала имеет стальной синий или пепельный цвет, свежий разрез фильтрующего материала имеет синий цвет, фильтрующий материал становится черным после поглощения воды или погружения в воду, и фильтрующий материал способен адсорбировать Y25 магнитный порошок размером менее 0,1 мм и значение рН фильтрующего материала по стандартному испытанию почвы 7,2-8,5 по NY/T 1377-2007 после соскоба поверхностного порошка.

В соответствии с предпочтительным осуществлением изобретения, керамический компонент, составляющий пористую керамическую подложку, является кизельгуром или любой комбинацией кизельгура и одного или обоих из каолина и бентонита. Причем по меньшей мере 25% керамического компонента является кизельгуром. Предпочтительно керамический компонент также, по меньшей мере, включает бентонит. Эти пористые керамические подложки могут быть получены любым известным способом.

В одном конкретном осуществлении материал пористой керамической подложки включает в масс. частях: 55-65 частей кизельгура, 12-15 частей кальциевого бентонита, 7-12 частей порошка углерода, 2-3 части крахмала и 4-6 частей каолина.

В соответствии с другим конкретным аспектом настоящего изобретения материал пористой керамической подложки включает в масс. частях: 50-55 частей кизельгура, 6-8 частей бентонита, 3-4 части крахмала, 3-5 частей каолина, 1-2 части жидкого воска, 1-3 части порошка железа и 13-15 частей порошка углерода.

Согласно дополнительному конкретному аспекту настоящего изобретения материал пористой керамической подложки включает в масс. частях: 75-85 частей кизельгура, 8-10 частей порошка углерода, 1-3 части бентонита и 3-5 частей каолина.

Предпочтительно пористость пористой керамической подложки составляет 50-70%.

Предпочтительно фильтрующий материал получают модификацией наноразмерным железом пористой керамической подложки, способ модификации наноразмерным железом включает стадии: адсорбции ионов двухвалентного железа на пористой керамической подложке и затем с использованием восстановителя восстановления in situ ионов двухвалентного железа, адсорбированных на пористой керамической подложке, и, наконец, анаэробного спекания пористой керамической подложки при 300-500°С.

В другом аспекте настоящее изобретение относится к способу получения фильтрующего материала, имеющего функцию адсорбции и фиксации мышьяка и тяжелых металлов, включающему стадии:

(1) погружения пористой керамической подложки в водный смешанный раствор с рН 7,0-8,0, содержащий ионы двухвалентного железа и реагент, повышающий клейкость, затем извлечения пористой керамической подложки после полного пропитывания пористой керамической подложки и высушивания на воздухе для использования;

(2) погружения пористой керамической подложки стадии (1) в водный раствор с рН 8,5-9,5 содержащий 0,1-5% масс. борогидрида натрия и извлечения пористой керамической подложки через 2-8 минут и высушивания на воздухе для использования; и

(3) размещения пористой керамической подложки стадии (2) в бескислородной печи для анаэробного спекания и нагрева до 300-500°С со скоростью повышения температуры 80-100°С/ч, затем при поддержании температуры в течение 0,5-3 часов для получения фильтрующего материала, имеющего функцию адсорбции и фиксации мышьяка и тяжелых металлов.

Предпочтительно на стадии (1) реагент, повышающий клейкость, может быть выбран из группы глюкозы, сахарозы, растворимого крахмала или любой их комбинации, и содержание реагента, повышающего клейкость, в водном смешанном растворе составляет 0,2-15% масс.

Предпочтительно на стадии (1) содержание ионов двухвалентного железа в водном смешанном растворе составляет 0,1-5% масс. более предпочтительно 0,2-2% масс.

Ионы двухвалентного железа могут быть введены в раствор в виде хлорида или сульфата двухвалентного железа.

Предпочтительно на стадии (2) содержание борогидрида натрия в водном растворе составляет 2-5% масс.

Согласно одному конкретному и предпочтительному аспекту на стадии (1) рН доводят с помощью раствора цитрата натрия.

В соответствии с другим конкретным и предпочтительным аспектом на стадии (2) рН доводят с помощью винной кислоты.

Предпочтительно на стадии (3) спекание осуществляют в атмосфере азота или водорода.

Предпочтительно на стадии (3) температура спекания составляет 380-420°С, более предпочтительно 400°С.

Предпочтительно в водном растворе на стадии (2) содержание борогидрида натрия составляет 2-5% масс.

В другом аспекте настоящее изобретение также предусматривает применение вышеуказанного фильтрующего материала, имеющего функцию адсорбции и фиксации мышьяка и тяжелых металлов, для удаления трехвалентного мышьяка, пятивалентного мышьяка и ионов тяжелых металлов.

Ионы тяжелых металлов включают, но без ограничения, свинец, кадмий, ртуть, хром и т.п.

За счет осуществления вышеуказанного технического решения по сравнению с известным уровнем техники изобретение имеет следующие преимущества:

1) фильтрующий материал изобретения имеет функцию эффективной адсорбции и фиксации трехвалентного и пятивалентного мышьяка. В случае контакта с водой в течение 15 секунд, фильтрующий элемент, полученный в соответствии с настоящим изобретением, имеет степень удаления, по меньшей мере, 90% по ионам мышьяка, свинца, хрома, ртути и марганца;

2) вода, очищенная фильтрующим материалом по изобретению, имеет стабильную незначительную щелочность;

3) нанопорошок нуль-валентного железа имеет микроструктуру и быстрый эффект замены катионов тяжелых металлов, Fe⁰+X→Fe⁺+X. Fe⁺ может фиксироваться на поверхности диоксида кремния в виде FeOOH, где X может быть ионами свинца, ртути и кадмия, но не ограничиваясь этими ионами тяжелых металлов, и после фиксации тяжелые металлы не выделяются из фильтрующего материала в случае захоронения. Использованный фильтрующий материал не осыпается и тяжелые металлы не будут отделяться от него, тем самым обеспечивая безопасность использования;

4) фильтрующий материал по изобретению имеет значительную восстанавливающую способность по ионам шестивалентного хрома, таким образом, токсичные ионы шестивалентного хрома могут быть восстановлены до нетоксичных и приемлемых ионов трехвалентного хрома;

5) фильтрующий материал по изобретению также имеет эффект удаления остаточного хлора и побочных продуктов стерилизации в воде за счет его структуры кремний-железо-углерод и активной поверхности пор. Эффективность удаления 90% может быть достигнута в случае контактирования в течение 12 секунд при 1,2 литра в минуту;

6) фильтрующий материал по изобретению в первую очередь используется для фильтрации воды и сточных вод, а также имеют эффект фильтрации газа, содержащего мышьяк, ртуть или радиоактивный цезий;

7) фильтрующий материал по настоящему изобретению может быть разделен на структурные элементы после использования для возможности возвращения в цикл материала; и

8) способ получения по настоящему изобретению выполняется в мягких условиях, прост в эксплуатации и с более низкой стоимостью

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, пористой керамической подложки и фильтрующего материала в соответствии с осуществлением 1.

где (А-1): пористая керамическая подложка (5 мкм шкала); (А-2): пористая керамическая подложка (20 мкм шкала); (А-3): пористая керамическая подложка (50 мкм шкала); (А-4): пористая керамическая подложка (100 мкм шкала); (В-1): конечный фильтрующий материал (5 мкм шкала); (В-2): конечный фильтрующий материал (10 мкм шкала); (В-3): конечный фильтрующий материал (50 мкм шкала); (В-4): конечный фильтрующий материал (100 мкм шкала); (С-1): конечный фильтрующий материал (после адсорбции воды, 5 мкм шкала); (С-2): конечный фильтрующий материал (после адсорбции воды, 10 мкм шкала); (С-3): конечный фильтрующий материал (после адсорбции воды, 50 мкм шкала); (С-4): конечный фильтрующий материал (после адсорбции воды, 100 мкм шкала); (2А): конечный фильтрующий материал; (2В): конечный фильтрующий материал (после адсорбции воды).

Фиг. 2 представляет изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, фильтрующего материала в соответствии с осуществлением 2.

Фиг. 3 представляет изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, микропор фильтрующего материала в соответствии с осуществлением 3.

Фиг. 4 представляет схему тестирования фильтрующих свойств фильтрующего материала.

Описание предпочтительных осуществлений

Известный обычный пористый керамический фильтр, такой как обычный керамический фильтр из белого кизельгура может физически отфильтровывать бактерии за счет своих развитых микропор и превосходной проницаемости, но не могут отфильтровывать ионы тяжелых металлов. В существующем способе формирования покрытия на поверхности керамики, керамика может адсорбировать мышьяк и ионы тяжелых металлов, но проблема заключается в том, что покрытие легко отделяется, создавая опасные отходы и обладая неидеальной адсорбцией. Целью изобретения является разработка способа получения in situ наноразмерных частиц железа в пористом керамическом фильтрующем элементе, полученный фильтрующий материал имеет превосходный эффект удаления ионов мышьяка и тяжелых металлов, и адсорбированные ионы мышьяка и тяжелых металлов очень стабильны, в то время, как отсутствует проблема отделения покрытия в этом фильтрующем материале. Кроме того, в изобретении компонент пористой керамической подложки и условия приготовления фильтрующего материала оптимизированы в соответствии с областями применения фильтрующего материала.

Способ модификации пористой керамики наноразмерным железом может быть реализован следующим образом:

стадия 1: готовят раствор сахара (например, глюкозы или сахарозы) или растворимого крахмала 0,2-15% и добавляют цитрат натрия для доведения величины рН до 7-8,0 (предпочтительно слабощелочной рН 7,5-8,0), затем добавляют сульфат или хлорид двухвалентного железа (например, 0,2-10%) и полностью растворяют;

стадия 2: пористую керамическую подложку (например, обычный керамический фильтрующий элемент из кизельгура) полностью погружают в раствор, полученный на стадии 1, так чтобы он полностью пропитался, через 15 минут подложку извлекают и высушивают на воздухе для использования;

стадия 3: готовят водный раствор борогидрида натрия (содержание борогидрида натрия не менее 0,1%), полностью растворяют, рН предпочтительно доводят раствором винной кислоты до величины рН 8,5-9,5 и затем раствор сохраняют;

стадия 4: высушенную на воздухе пористую керамическую подложку стадии 2 быстро погружают в водный раствор борогидрида натрия, приготовленный на стадии 3, так, чтобы поверхностная химическая реакция проходила на керамическом фильтрующем элементе, затем подложку извлекают и высушивают на воздухе 1-5 минут; и

стадия 5: высушенную на воздухе пористую керамическую подложку стадии 4, нагревают до 300-500°С в атмосфере азота или кислорода в бескислородной печи при скорости нагрева 80-120°С ч (например, 100°С), оптимальная температура составляет 400°С, затем температуру выдерживают в течение 0,5-3 часов и получают фильтрующий материал, наконец, подложку извлекают, когда температура снижается до менее 120°С.

Физическая структура фильтрующего материала, полученного вышеописанным способом следующая:

(1) цвет: пепельный или стальной синий; свежий разрез синий и становится черным в присутствии воды (например, адсорбированная вода или погружение в воду);

(2) рН: соскоб поверхностного порошка, рН составляет 7,2-8,5 при испытании в соответствии со стандартным испытанием почвы NY/T 1377-2007;

(3) структура разреза материала: показана с увеличением 5000 электронным микроскопом, микропоры 2-10 мкм с аморфной рыхлой структурой Si-Fe-C в них, структура наноразмерного железа, образующая проникающий тип межслойной пленки после адсорбции воды;

(4) магнитное испытание: в случае Y25 (3800GS) магнита, частицы порошка менее 0,1 мм могут поглощаться.

Известно, что нос человека или животного является идеальным фильтром, поскольку он имеет особую структуру: 1) электростатические вибриссы адсорбируют большие частицы и пыль; 2) рыхлая поверхность в носовой полости может адсорбировать бактерии; 3) постоянно генерируемая слизистая оболочка носа интенсивно адсорбирует или фиксирует химические вещества. Микроструктура пористой керамической подложки (каолин, кизельгур, бентонит и т.п.), используемой в изобретении, теряет кристаллизационную воду после высокотемпературного обжига с образованием пористой структуры, и может абсорбировать воду с превращением в межслойную пленочную структуру при определенном условии. Следовательно, микроструктура фильтрующего материала, полученного согласно изобретению, выполнена в виде пористой и рыхлой подобной носу структуре фильтра, и формирует адсорбционную пленку, тем самым значительно улучшая эффективность адсорбции и адаптации к изменениям качества воды и химической среды.

Изобретение далее детально проиллюстрировано конкретными осуществлениями, но следует понимать, что изобретение не ограничивается следующими осуществлениями. Кроме того, указанное далее содержание означает массовую долю, без обозначения.

Осуществление 1

Осуществление 1 предлагает фильтрующий материал для фильтрации ионов тяжелых металлов, свинца, ртути, кадмия, хрома, способ его получения, включает

стадия 1: раствор сахарозы готовят при комнатной температуре, затем добавляют водный раствор сульфата двухвалентного железа и рН доводят до 7,5-8,0 цитратом натрия для получения водного раствора с содержанием сахарозы 10% и содержанием ионов двухвалентного железа 3%;

стадия 2: пористую керамическую подложку полностью погружают в раствор, полученный на стадии 1, так чтобы он полностью пропитался, через 15 минут подложку извлекают и высушивают на воздухе для использования;

стадия 3: готовят водный раствор 2,5% масс. борогидрида натрия и значение рН раствора доводят до 8,5-9,5 добавлением раствора 0,1% винной кислоты, сохраняют;

стадия 4: высушенную на воздухе пористую керамическую подложку стадии 2 быстро погружают в водный раствор борогидрида натрия, приготовленный на стадии 3, так, что поверхностная химическая реакция проходит на керамическом фильтрующем элементе, через 5 минут подложку извлекают и высушивают на воздухе;

стадия 5: высушенную на воздухе пористую керамическую подложку стадии 4 нагревают до 400°С в атмосфере азота или водорода в печи со скоростью нагрева 100°С/ч, затем температуру поддерживают в течение 2 часов и получают фильтрующий материал, наконец, подложку извлекают, когда температура снижается до менее 120°С.

В этом осуществлении используемую пористую керамическую подложку анаэробно спекают из следующих компонентов, в частях масс: 55 частей кизельгура, 7 частей кальциевого бентонита, 4 части каолина, 3 части крахмала, 14 частей порошка углерода, 2 части жидкого воска и 2 части железного порошка, температура спекания составляет 400°С. Пористость пористой керамической подложки составляет 70%, рН 7,5, цвет белый и конечная заготовка формируется в виде сфер 1-2 мм.

Физические свойства и структура фильтрующего материала, полученного в этом осуществлении 1, следующие:

(1) цвет: пепельный или стальной синий; свежий разрез синий и становится черным в присутствии воды (например, адсорбированная вода или погружение в воду), форма сферы 1-2 мм;

(2) рН: соскоб поверхностного порошка, рН составляет 7,8-8,0 при испытании в соответствии со стандартным испытанием почвы NY/T 1377-2007;

(3) структура разреза материала: показана с увеличением 5000 электронным микроскопом, микропоры 2-10 мкм с аморфной рыхлой структурой Si-Fe-C в них, структура наноразмерного железа, образующая проникающий тип межслойной пленки (как показано на фиг. 1) после адсорбции воды;

(4) магнитное испытание: в случае Y25 (3800GS) магнита, частицы порошка менее 0,1 мм могут поглощаться.

Эффективность фильтрации фильтрующего материала согласно этому осуществлению по питьевой воде:

1. Метод испытания

Эффективность удаления свинца, мышьяка и хрома: согласно нормам Минздрава <Санитарные стандарты гигиенических требований к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения> & ЕРА200.8 ICP/MS;

Эффективность удаления ртути: согласно нормам Минздрава <Санитарные стандарты гигиенических требований к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения> &GB/T 5750.6-2006 стандартные методы исследования питьевой воды содержание металлов, атомно-флуоресцентная спектрометрия;

Эффективность удаления шестивалентного хрома согласно нормам Минздрава <Санитарные стандарты гигиенических требований к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения> & GB/T 5750.6-2006 стандартные методы исследования питьевой воды содержание металлов;

Схема испытаний показана на фиг. 4.

2. Результаты испытаний: перечислены в таблице 1

Испытание на устойчивость фильтрующего материала, полученного в этом осуществлении после использования:

Модельные испытания осуществляют в соответствии с международным стандартом: ЕРА TCLP CD-ROM 1311-1 июля 1992 МЕТОД 1311 ХАРАКТЕРИСТИКА ТОКСИЧНОСТИ ПО МЕТОДИКЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ.

Результаты испытаний: содержание адсорбированных тяжелых металлов, таких как мышьяк, кадмий, ртуть и свинец, не превышает норму или не обнаружено.

Осуществление 2

Осуществление 2 обеспечивает фильтрующий материал для фильтрации ионов мышьяка и тяжелых металлов, свинца, ртути, кадмия, хрома, способ его получения включает следующее:

стадия 1: раствор растворимого крахмала готовят при комнатной температуре, затем добавляют водный раствор хлорида двухвалентного железа и рН доводят до 7,5-8,0 раствором цитрата натрия для получения водного раствора с содержанием крахмала 5% и содержанием ионов двухвалентного железа 2%;

стадия 2: пористую керамическую подложку полностью погружают в раствор, полученный на стадии 1, так чтобы он полностью пропитался, через 15 минут подложку извлекают и высушивают на воздухе для использования;

стадия 3: готовят водный раствор 2% масс. борогидрида натрия и значение рН раствора доводят до 8,5-9,5 добавлением раствора 0,1% винной кислоты, сохраняют;

стадия 4: высушенную на воздухе пористую керамическую подложку стадии 2 быстро погружают в водный раствор борогидрида натрия, приготовленный на стадии 3, так, что поверхностная химическая реакция проходит на керамическом фильтрующем элементе, через 5 минут подложку извлекают и высушивают на воздухе; и

стадия 5: высушенную на воздухе пористую керамическую подложку стадии 4 нагревают до 400°С в атмосфере азота или водорода в печи со скоростью нагрева 90°С/ч, затем температуру поддерживают в течение 2 часов и получают фильтрующий материал, наконец, подложку извлекают, когда температура снижается до менее 120°С.

В этом осуществлении 2, используемую пористую керамическую подложку анаэробно спекают из следующих компонентов, в масс. частях: 80 частей кизельгура, 2 части кальциевого бентонита, 5 частей каолина и 10 частей порошка углерода, температура спекания составляет 800°С. Пористость пористой керамической подложки составляет 65%, рН 8,5, цвет пепельный и конечная заготовка имеет трубчатую форму, имеющую одно отверстие, длиной 200 мм, внешним диаметром 40 мм и внутренним диаметр 33 мм.

Физические свойства и структура фильтрующего материала, полученного в этом осуществлении 2, следующие:

1) цвет: пепельный или стальной синий; свежий разрез синий и чернеет в присутствии воды (например, адсорбция воды или погружение в воду), форма: фильтрующий элемент с внешним диаметром 40 мм, внутренним диаметром 35 мм и длиной 200 мм;

(2) рН: соскоб поверхностного порошка, рН составляет 8,3-8,5 при испытании в соответствии со стандартным испытанием почвы NY/T 1377-2007;

(3) структура разреза материала: показана с увеличением 5000 электронным микроскопом, микропоры 2-10 мкм с аморфной рыхлой структурой Si-Fe-C в них, структура наноразмерного железа, образующая проникающий тип межслойной пленки (как показано на фиг. 1) после адсорбции воды;

(4) магнитное испытание: в случае Y25 (3800GS) магнита, частицы порошка менее 0,1 мм могут поглощаться.

Эффективность фильтрации фильтрующего материала данного осуществления 2 по питьевой воде:

1. Метод испытания

Эффективность удаления мышьяка и хрома: согласно нормам Минздрава <Санитарные стандарты гигиенических требований к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения> & ЕРА200.8 ICP/MS;

Эффективность удаления ртути: согласно нормам Минздрава <Санитарные стандарты гигиенических требований к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения> & GB/T 5750.6-2006 стандартные методы исследования питьевой воды на содержание металлов, атомно-флуоресцентная спектрометрия;

Схема испытаний показана на фиг. 4.

2. Результаты испытаний: перечислены в таблице 2.

Испытание на устойчивость фильтрующего материала, полученного этим осуществлением после использования:

Модельные испытания осуществляют в соответствии с международным стандартом: ЕРА TCLP CD-ROM 1311-1 июля 1992 МЕТОД 1311 ХАРАКТЕРИСТИКА ТОКСИЧНОСТИ ПО МЕТОДИКЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ.

Результаты испытаний: содержание адсорбированных тяжелых металлов, таких как мышьяк, ртуть, свинец и кадмий, не превышает норму или не обнаружено.

Осуществление 3

Этот осуществление 3 обеспечивает фильтрующий материал для обработки сточных вод, содержащих мышьяк, селен и тяжелые металлы, способ его получения включает следующее:

стадия 1: раствор растворимого крахмала готовят при комнатной температуре, затем добавляют водный раствор сульфата двухвалентного железа и рН доводят до 7,5-8,0 раствором цитрата натрия для получения водного раствора с содержанием крахмала 5% и содержанием ионов двухвалентного железа 4%;

стадия 2: пористую керамическую подложку полностью погружают в раствор, полученный на стадии 1, так чтобы он полностью пропитался, через 15 минут подложку извлекают и высушивают на воздухе для использования;

стадия 3: готовят водный раствор 4% масс. борогидрида натрия и значение рН раствора доводят до 8,5-9,5 добавлением раствора 0,1% винной кислоты, сохраняют;

стадия 4: высушенную на воздухе пористую керамическую подложку стадии 2 быстро погружают в водный раствор борогидрида натрия, приготовленный на стадии 3, так, что поверхностная химическая реакция проходит на керамическом фильтрующем элементе, через 5 минут подложку извлекают и высушивают на воздухе; и

стадия 5: высушенную на воздухе пористую керамическую подложку стадии 4 нагревают до 380°С в атмосфере азота или водорода в печи со скоростью нагрева 100°С/ч, затем температуру поддерживают в течение 2,5 часа и получают фильтрующий материал, наконец, подложку извлекают, когда температура снижается до менее 120°С.

В этом осуществлении, используемую пористую керамическую подложку анаэробно спекают из следующих компонентов, в масс. частях: 60 частей кизельгура, 13 частей кальциевого бентонита, 5 частей каолина, 10 частей порошка углерода и 2,5 частей крахмала, температура спекания составляет 980°С. Пористость пористой керамической подложки составляет 62%, рН 8, и цвет черный.

Физические свойства и структура фильтрующего материала, полученного в этом осуществлении 3, следующие:

1) цвет: пепельный или стальной синий; свежий разрез синий и чернеет в присутствии воды (например, адсорбция воды или погружение в воду), форма: фильтрующий элемент с внешним диаметром 40 мм, внутренним диаметром 35 мм и длиной 200 мм;

(2) рН: соскоба поверхностного порошка, рН составляет 8,3-8,5 при испытании в соответствии со стандартным испытанием почвы NY/T 1377-2007;

(3) структура разреза материала: показана с увеличением 5000 электронным микроскопом, микропоры 2-10 мкм с аморфной рыхлой структурой Si-Fe-C в них, структура наноразмерного железа, образующая проникающий тип межслойной пленки (как показано на фиг. 3) после адсорбции воды;

(4) магнитное испытание: в случае Y25 (3800GS) магнита, частицы порошка менее 0,1 мм могут поглощаться.

Эффективность фильтрации фильтрующего материала данного осуществления по сточным водам:

1. Образец сточных вод: вода канала Hawaii AlaWai.

2. Метод испытания: согласно схеме испытания, представленной на фиг. 4, сточные воды проходят устройство очистки воды, снабженное фильтрующим материалом в течение 9,5 минут и анализируют выходящую воду.

3. Результаты испытаний: перечислены в таблице 3. Установлено, что фильтрующий материал с высокой эффективностью удаляет ионы кадмия, кобальта, стронция, меди, никеля, цинка и серебра. Испытания изотермической адсорбции выполняют с этой водой, и общая сорбционная емкость составляет 5 мг/л для комплексных ионов металлов.

Испытание на устойчивость фильтрующего материала, полученного этим осуществлением после использования:

Модельные испытания осуществляют в соответствии с международным стандартом: ЕРА TCLP CD-ROM 1311-1 июля 1992 МЕТОД 1311 ХАРАКТЕРИСТИКА ТОКСИЧНОСТИ ПО МЕТОДИКЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ.

Результаты испытаний: содержание адсорбированных тяжелых металлов, таких как мышьяк, кадмий, ртуть и свинец, не превышает норму или не обнаружено.

Вышеуказанные осуществления описаны для иллюстрации технической концепции и признаков изобретения, предназначенной для того, чтобы специалисты в данной области техники могли использовать содержание изобретения и реализовать его в дальнейшем, однако охраняемый объем притязаний изобретения не может ими ограничиваться. Кроме того, любые эквивалентные варианты или модификации в соответствии с существом изобретения должны быть включены в охраняемый объем притязаний изобретения.

Изобретение относится к неорганическим сорбентам, используемым для адсорбции и фиксации мышьяка и тяжелых металлов. Предложен материал, включающий пористую керамическую подложку с пористостью 35-85% и наночастицы нуль-валентного железа, сформированные внутри пористой керамической подложки. Пористая керамическая подложка имеет микропоры 2-10 микрон и рыхлую аморфную структуру кремний-железо-углерод, сформированную внутри каждой микропоры. По меньшей мере 25% масс. керамического компонента, образующего пористую керамическую подложку, является кизельгуром. Рыхлая аморфная структура кремний-железо-углерод в микропорах может формировать адсорбционную пленку после адсорбции воды. Предложен способ получения материала. Изобретение обеспечивает получение эффективного сорбента для удаления ионов мышьяка, обладающего возможностью адаптации к изменениям качества воды и химической среды. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл.

1. Фильтрующий материал, имеющий функцию адсорбции и фиксации мышьяка и тяжелых металлов, включающий

пористую керамическую подложку с пористостью 35-85%; и

наночастицы нуль-валентного железа, сформированные in situ внутри пористой керамической подложки;

в котором пористая керамическая подложка имеет микропоры 2-10 микрон, рыхлую аморфную структуру кремний-железо-углерод, сформированную внутри каждой микропоры, причем рыхлый аморфный кремний-железо-углерод способен образовывать адсорбционную пленку после абсорбции воды и по меньшей мере 25% масс. керамического компонента, образующего пористую керамическую подложку, является кизельгуром.

2. Фильтрующий материал по п. 1, в котором поверхность фильтрующего материала имеет стальной синий или пепельный цвет, свежий разрез фильтрующего материала имеет синий цвет, фильтрующий материал приобретает черный цвет после абсорбции воды или погружения в воду, и фильтрующий материал способен адсорбировать порошок Y25 магнита размером менее 0,1 мм и значение pH фильтрующего материала по стандартному испытанию почвы 7.2-8.5 NY/T 1377-2007 после соскоба поверхностного порошка.

3. Фильтрующий материал по п. 1, в котором керамический компонент, составляющий пористую керамическую подложку, является кизельгуром или любой комбинацией кизельгура и одного или обоих из каолина и бентонита.

4. Фильтрующий материал по п. 1, в котором пористость пористой керамической подложки составляет 50-70%.

5. Фильтрующий материал по п. 1, который получен модификацией пористой керамической подложки наноразмерным железом, причем способ модификации наноразмерным железом включает стадии: адсорбции ионов двухвалентного железа пористой керамической подложкой, затем восстановления ионов двухвалентного железа, адсорбированных на пористой керамической подложке, in situ с использованием восстановителя и, наконец, анаэробного спекания пористой керамической подложки при температуре 300-500°С.

6. Фильтрующий материал по любому из пп. 1-5, в котором фильтрующий материал выполнен в виде сферических частиц, столбчатых частиц или полого фильтрующего элемента.

7. Фильтрующий материал по п. 5, который получен на стадиях:

(1) погружения пористой керамической подложки в водный смешанный раствор с pH 7,0-8,0, содержащий ионы двухвалентного железа и реагент, повышающий клейкость, затем извлечения пористой керамической подложки после полного промокания пористой керамической подложки и высушивания на воздухе для использования;

(2) погружения пористой керамической подложки стадии (1) в водный раствор с pH 8,5-9,5, содержащий 0,1-5% масс. борогидрида натрия, и извлечения пористой керамической подложки через 2-8 минут и высушивания на воздухе для использования; и

(3) размещения пористой керамической подложки стадии (2) в бескислородной печи для анаэробного спекания и ее нагрева до 300-500°С со скоростью нагрева 80-100°С/ч, и затем поддержания температуры в течение 0,5-3 часов для получения фильтрующего материала, имеющего функцию адсорбции и фиксации мышьяка и тяжелых металлов.

8. Фильтрующий материал по п. 7, в котором

на стадии (1) реагент, повышающий клейкость, выбирают из группы глюкозы, сахарозы, растворимого крахмала или любой их комбинации, и содержание реагента, повышающего клейкость, в водном смешанном растворе составляет 0,2-15% масс.;

на стадии (2) содержание борогидрида натрия в водном растворе составляет 2-5% масс.; и

на стадии (3) спекание проводят в атмосфере азота или водорода.

9. Фильтрующий материал по п. 7, в котором на стадии (3) температура спекания составляет 380-420°С.

10. Применение фильтрующего материала, имеющего функцию адсорбции и фиксации мышьяка и тяжелых металлов, по любому из пп. 1-9 для удаления ионов трехвалентного, пятивалентного мышьяка и тяжелых металлов из воды.

11. Способ получения фильтрующего материала, имеющего функцию адсорбции и фиксации мышьяка и тяжелых металлов, по любому из пп. 1-9, включающий

(1) погружение пористой керамической подложки в водный смешанный раствор с pH 7,0-8,0, содержащий ионы двухвалентного железа и реагент, повышающий клейкость, затем извлечение пористой керамической подложки после полного промокания пористой керамической подложки и высушивания на воздухе для использования, причем пористость пористой керамической подложки составляет 35-85% и по меньшей мере 25% масс. керамического компонента, образующего пористую керамическую подложку, составляет кизельгур;

(2) погружение пористой керамической подложки стадии (1) в водный раствор с pH 8,5-9,5, содержащий 0,1-5% масс. борогидрида натрия, и извлечения пористой керамической подложки через 2-8 минут и высушивания на воздухе для использования; и

(3) размещение пористой керамической подложки стадии (2) в бескислородной печи для анаэробного спекания и ее нагрева до 300-500°С со скоростью нагрева 80-100°С ч и затем поддержания температуры в течение 0,5-3 часов для получения фильтрующего материала, имеющего функцию адсорбции и фиксации мышьяка и тяжелых металлов.

12. Способ по п. 11, в котором на стадии (1) реагент, повышающий клейкость, выбирают из группы глюкозы, сахарозы, растворимого крахмала или любой их комбинации, и содержание реагента, повышающего клейкость, в водном смешанном растворе составляет 0,2-15% масс.

13. Способ по п. 11, в котором на стадии (1) содержание ионов двухвалентного железа в водном смешанном растворе составляет 0,1-5% масс.

14. Способ по п. 13, в котором на стадии (1) содержание ионов двухвалентного железа в водном смешанном растворе составляет 0,2-2% масс.

15. Способ по п. 11, в котором на стадии (2) содержание борогидрида натрия в водном растворе составляет 2-5% масс.

16. Способ по п. 11, в котором на стадии (1) pH доводят цитратом натрия и на стадии (2) pH доводят винной кислотой.

17. Способ п. 11, в котором на стадии (3) спекание проводят в атмосфере азота или водорода.

18. Способ по п. 11, в котором на стадии (3) температура спекания составляет 380-420°С.

19. Способ по п. 11, в котором керамический компонент, составляющий пористую керамическую подложку, является кизельгуром или любой комбинацией кизельгура и одного или обоих из каолина и бентонита.

20. Способ по п. 11, в котором пористость пористой керамической подложки составляет 50-70%.