Способ получения магнитного композиционного сорбента для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов Российский патент 2017 года по МПК B01J20/30 B01J20/06 B01J20/22 

Предлагаемое изобретение относится к области получения из отходов производства сорбентов, обладающих магнитными свойствами, и может быть использовано для совместного извлечения их сточных вод ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов.

Описаны многочисленные способы получения сорбентов и фильтрующих материалов для очистки воды от ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов и технологические схемы их применения. Особый интерес при этом представляют магнитные сорбенты. Преимуществом таких материалов по сравнению с немагнитными состоит в том, что при контактной очистке сточных вод использование магнитных сорбентов существенно упрощает адсорбционный процесс за счет проведения сорбции на больших скоростях и легкости отделения сорбента от раствора путем магнитной сепарации.

Известен способ получения композиционного магнитного материала [1] в виде частиц с магнитным железосодержащим ядром и сорбционно-активной оболочкой путем гидролитического синтеза, который включает обработку раствора соли железа (III) раствором аммиака с последующей пептизацией полученного осадка соляной кислотой. К полученному коллоидному раствору добавляют раствор силиката натрия. Образовавшиеся дисперсные частицы осаждают смесью силиката и хлорида натрия.

Недостатком [1] способа является многостадийность синтеза и невысокая сорбционная емкость получаемого сорбента по отношению к нефтепродуктам.

Известен способ получения сорбента с магнитными свойствами для сбора нефтепродуктов с водной поверхности [2], характеризующийся тем, что готовят сорбент перемешиванием железосодержащих отходов металлургического производства с отходами производства минеральных удобрений и анионным ПАВ, представляющим собой производные жирных кислот.

Недостатком [2] является низкая эффективность при очистке растворенных и эмульгированных нефтепродуктов, а также тяжелых металлов.

Известен способ получения магнитного композита на основе оксидов железа и молекулярных кристаллов [3], для чего магнитный оксид железа смешивают с пироксикамом или мелоксикамом и проводят механическую обработку образующейся смеси в высоконапряженных планетарно-центробежных или вибрационных мельницах.

Недостатком [3] является низкая сорбционная емкость получаемого сорбента по отношению к нефтепродуктам и к высоким концентрациям тяжелых металлов.

Известен способ очистки проточной воды от загрязнителей [4], включающий контактирование ферромагнитного углеродного сорбента с водой и извлечение насыщенного загрязнителем сорбента с помощью магнитной сепарации. В качестве ферромагнитного углеродного сорбента используют железо-углеродный композит, получаемый быстрым низкотемпературным пиролизом измельченного целлюлозосодержащего сырья в присутствии соединений железа при температуре 400-500°С, которая создается импульсным нагревом нихромовых стержней, равномерно размещенных в объеме пиролизной камеры и подсоединенных к генератору электрических импульсов.

Недостатком предлагаемого способа [4] являются высокие энергозатраты.

Известен сорбент на основе частиц природного магнетита размером от 1 до 10 мкм и алюминиевых или аммонийных квасцов для очистки воды для бытовых нужд [5]. Магнетит после четырехкаскадного перемешивания адсорбирует поллютанты, далее смесь через флокулирующий магнит поступает в емкость осаждения, откуда очищенная вода поступает к потребителю. Отработанный магнетит регенерируется при помощи трехкаскадных магнитных сепараторов для повторного применения.

Недостатком метода [5] является сложная многоступенчатая схема водоочистки и высокие энергозатраты.

Известен способ приготовления магнитного углеродного композиционного материала для очистки воды [6], который заключается в предварительной обработке активированного угля азотной кислотой в массовом отношении 1:0,63, отмывке, сушке и последующей пропитки его водным раствором перманганата калия и хлорида железа. Полученную смесь обрабатывают ультразвуком и подвергают термообработке при 500-800°С. В результате получают магнитный углеродный композиционный материал, содержащий 23% MnFe₂O₄.

К недостаткам [6] следует отнести сложность способа, включающего предварительную обработку дорогостоящего активированного угля азотной кислотой и необходимость высокотемпературного термического воздействия.

Известен способ [7] получения ферромагнитных углеродных адсорбентов путем карбонизации в токе инертного газа древесных опилок, обработанных растворами хлорида железа (III) и цинка в интервале температур 400-800°С при линейном подъеме температуры со скоростью 10°С/мин с выдержкой при конечной температуре 30 минут.

Недостатком предлагаемого способа [7] является необходимость применения сложного оборудования для термообработки в инертной среде и высокие энергозатраты.

Известен способ [8] получения магнитного композиционного сорбента, содержащий полимерное связующее в виде гуминовых кислот и магнитный наполнитель - магнетит. Частицы магнетита имеют размер 7-30 нм, массовое отношение магнетита к гуминовым кислотам составляет от 1:4 до 4:1.

Недостатком [8] является низкая сорбционная емкость получаемого сорбента по отношению к нефтепродуктам.

Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является техническое решение, описанное в работе [9], включающее осаждение на поверхности древесного волокна, являющегося отходом производства, частиц магнетита. Осаждение осуществляют из раствора, содержащего смесь хлоридов трехвалентного и двухвалентного железа аммиачной водой при ее полуторном избытке при 25°С, под воздействием ультразвуковых колебаний.

Недостатком [9] является отсутствие сорбционной емкости получаемого сорбента по отношению к нефтепродуктам.

Задачей заявляемого изобретения является создание простого способа получения магнитного композиционного сорбента для совместного извлечения из сточных вод ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов.

Технический результат изобретения заключается в применении в качестве исходного компонента для получения магнитного композиционного сорбента отходов древесного волокна производства МДФ плит, обладающих сорбционными свойствами по отношению к нефтепродуктам.

Технический результат достигается тем, что в способе получения магнитного композиционного сорбента на поверхность отходов древесного волокна, образующихся на стадии формирования волокна в технологическом цикле производства МДФ плит, осаждают частицы магнетита. Осаждение осуществляют из раствора, содержащего смесь хлоридов трехвалентного и двухвалентного железа под воздействием ультразвуковых колебаний с частотой 35 кГц при температуре 25±5°С аммиачной водой в следующих массовых соотношениях компонентов: отходы древесного волокна - FeCl₃ - FeCl₂ 10:2,23:0,99. Полученный продукт многократно промывают водой до нейтральной среды, а затем подвергают сушке в вакууме при температуре 110°С в течение 2 часов.

Пример. В качестве исходного сырья для получения магнитного композиционного сорбента применяют отходы древесного волокна, которые образуются на стадии формирования волокна в технологическом цикле производства МДФ плит и являются браком, не пригодным для дальнейшего применения. Волокно представляет собой систему хаотично уложенных, свободно распределенных в пространстве нитей, имеющих пространственно ориентированную структуру, которая, в свою очередь, позволяет поллютантам контактировать с большей поверхностью в единицу времени. Основными компонентами отходов древесного волокна является целлюлоза (более 60%) и лигнин (25-30%), в состав также входят карбамидные смолы, модифицированные меламином (до 20 мг/100 г), применяемые в качестве связующих элементов, длина волокон составляет 0,5-3 мм.

Магнитный композиционный сорбент по заявленному изобретению получают путем осаждения на поверхности отходов древесного волокна частиц магнетита, образующихся в водном растворе, в результате обменной реакции:

2FeCl₃+FeCl₂+8NH₃⋅H₂O→Fe₃O₄+8NH₄Cl+4H₂O.

Для этого в стеклянный сосуд объемом 2 дм помещают 200 г отходов древесного волокна, добавляют 44,6 г хлорида железа (III) и 19,8 г хлорида железа (II), заливают 1 дм³ дистиллированной воды и перемешивают в течение 10 мин на встряхивателе. Далее емкость помещают в ультразвуковую ванну с частотой 35 кГц и постепенно в течение 10 мин по каплям добавляют 150 см³ 25% водного раствора аммиака в условиях перемешивания. Полученный продукт многократно промывают водой до нейтральной среды, а затем подвергают сушке в вакууме при температуре 110°С в течение 2 часов.

Анализ химического состава осажденного на поверхности волокна соединения проводился на рентгенофлуоресцентном спектрометре, согласно полученным данным основным компонентом полученного порошка является магнетит. Изменение в структуре древесного волокна фиксировали с помощью электронной микроскопии, изображение исходного и модифицированного волокна представлены на Фиг. 1.

Для оценки эффективности полученного заявленным способом магнитного композиционного сорбента использовали сточные воды, загрязненные тяжелыми металлами и нефтепродуктами. Адсорбцию проводили на лабораторной фильтрационной установке путем пропускания сточной воды с заданным расходом через заполненные сорбционным материалом стеклянные колонки диаметром 10 мм с перфорированным дном и длиной 150 мм. Высота слоя магнитного композиционного сорбента составляла 100 мм, масса - 2 г. Через адсорбционный слой пропускали по 200 см³ сточной воды. Начальные и конечные концентрации тяжелых металлов определяли методом атомно-эмиссионной спектроскопии, нефтепродуктов - методом ИК-спектроскопии.

Результаты совместной очистки сточных вод от тяжелых металлов и нефтепродуктов представлены в таблице на Фиг. 2. Для сравнения сорбционной способности магнитного композиционного сорбента в таблице на Фиг. 2 также представлены результаты очистки сточной воды с применением отходов древесного волокна.

Согласно полученным результатам для исходного компонента (отходы древесного волокна) средняя эффективность очистки составила 74%. Осаждение магнетита на поверхности отходов древесного волокна позволило повысить среднюю степень очистки до 91%.

В отличие от аналога [9] в заявленном способе после осаждения магнетита полученный сорбционный материал многократно промывают дистиллированной водой до нейтральной среды, а затем подвергают сушке в вакууме при температуре 110°С в течение 2 часов.

Предлагаемое изобретение позволяет получить магнитный композиционный сорбент, позволяющий проводить эффективную совместную очистку сточных вод от тяжелых металлов и нефтепродуктов. Преимуществами предлагаемого способа являются: низкая стоимость и доступность сырья, простота получения, возможность применения магнитной сепарации при отделении сорбента из раствора. Заявляемый способ обладает новизной, существенными отличиями и промышленно применим.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. Патент RU №2575458. Приоритет от 05.11.2014. Способ получения композиционного магнитного материала на основе оксидов кремния и железа.

2. Патент RU №2518586. Приоритет от 10.10.2012. Способ получения сорбента с магнитными свойствами для сбора нефтепродуктов с поверхности воды.

3. Патент RU №2421243. Приоритет от 09.11.2009. Способ получения магнитного композита на основе оксидов железа и молекулярных кристаллов.

4. Патент RU №2516634. Приоритет от 08.11.2012. Способ очистки проточной воды от загрязнителей.

5. A. Priestley. Magnetic Separation News, 1983, v. i, p. 5.

6. Патент RU №2547496. Приоритет от 10.07.2012. Магнитный композиционный сорбент.

7. Патент CN №101502789. Приоритет от 12.08.2009. Способ приготовления магнитного углеродного композиционного материала для очистки воды.

8. Патент RU №2445156. Приоритет от 11.01.2011. Способ получения ферромагнитного углеродного адсорбента.

9. Д.А. Харлямов, P.P. Зиннатов, Г.В. Маврин, И.Г. Шайхиев. Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов с применением магнитного композиционного сорбента на основе отходов древесного волокна. Научно-технический вестник Поволжья. - 2015. - №4. - С. 139-141.

Изобретение относится к области получения сорбентов, обладающих магнитными свойствами. Способ получения магнитного композиционного сорбента включает осаждение на поверхность древесного волокна, являющегося отходом производства МДФ плит, частиц магнетита. Процесс осаждения осуществляют аммиачной водой из раствора, содержащего смесь хлоридов трехвалентного и двухвалентного железа, под воздействием ультразвуковых колебаний с частотой 35 кГц при температуре 25±5°С. Массовое соотношение отходов древесного волокна, FeCl₃ и FeCl₂ составляет 10:2,23:0,99. Полученный продукт промывают водой и сушат в вакууме при 110°С. Изобретение позволяет получить эффективный сорбент для совместного извлечения из сточных вод ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов. 2 ил.

Способ получения магнитного композиционного сорбента для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов, заключающийся в том, что на поверхность отходов древесного волокна производства МДФ плит, являющихся исходным компонентом, под воздействием ультразвуковых колебаний с частотой 35 кГц при температуре 25±5°С осуществляют осаждение магнетита аммиачной водой из раствора, содержащего смесь хлоридов трехвалентного и двухвалентного железа, при массовом соотношении отходов древесного волокна, FeCl₃ и FeCl₂ 10:2,23:0,99, полученный продукт многократно промывают водой до нейтральной среды, а затем подвергают сушке в вакууме при температуре 110°С в течение 2 ч.