Способ переработки шунгита Российский патент 2020 года по МПК C01B32/00 B01J20/10 B01J20/28 

Изобретение относится к способам переработки углеродсодержащей горной породы - шунгита для использования его в различных отраслях, включая использование обработанного шунгита для фильтрации воды на водопроводных очистных сооружений, а также в качестве засыпки в бытовых фильтрах для очистки бытовой воды, для очистки сточных вод, отделения нефтепродуктов др.

Шунгит является углеродсодержащей горной породой с уникальными свойствами, обладающий необычной структурой, в которой шунгитовый углерод образует в породе матрицу, где равномерно распределены дисперсные силикаты со средним размером около 1 мкм. В конце двадцатого века ученые объяснили причины целебного действия шунгита присутствием молекул углерода сферической формы - фуллеренов.

Шунгит обладает высокой активностью в окислительно-восстановительных процессах, сорбционными и каталитическими свойствами и находится в тесном контакте с входящими в его состав силикатами. Такая структура и свойства шунгита определяют эффективность его использования в окислительно-восстановительных процессах промышленного производсива:

- в доменном производстве литейных (высококремнистых) чугунов;

- в производстве ферросплавов;

- в производстве фосфора;

- в производстве карбида и нитрида кремния;

- как наполнитель термостойких красок.

Именно сорбционные, каталитические и восстановительные свойства шунгитовых пород позволяют успешно очищать сточные воды от многих органических и неорганических веществ (нефтепродуктов, пестицидов, фенолов, поверхностно-активных веществ и др.).

Кроме этого, шунгит является самым эффективным веществом для очистки водопроводной воды от хлорорганических веществ (диоксинов, радикалов), обладает антибактерицидными свойствами. Благодаря этим свойствам шунгит можно использовать в подготовке питьевой воды высокого качества в проточных системах любой производительности, в различных водоемах и водостоках и, конечно, в бытовых фильтрах воды.

В целях успешного использования шунгита существует необходимость обработки горной породы.

Из уровня техники известны различные способы обработки шунгита с целью его использования в различных технологических процессах. В патенте РФ №2322608, опубликованном 20.04.2008 по индексам МПК F02M 27/04, F02M 25/00, заявлен способ обработки углеводородного сырья с целью повышения выхода светлых нефтепродуктов и подготовки сжигания сырья в различных энергетических установках. Способ заключается в том, что на поток углеводородного сырья с введением в него шунгита воздействуют электрическим полем. В данном способе используются каталитические свойства шунгита для получения высококачественной смеси углеводородного сырья с низким содержанием в ней «присадок» шунгитных частиц, причем электростатика электрического поля позволяет использовать даже микронные размеры шунгитового порошка для эффективного и действенного смешения.

В патенте РФ №2307068, опубликованном 27.09.2007 по индексам МПК С01В 31/02, В82В 3/00, заявлен способ получения наноуглеродного материала, предназначенного для изготовления гетерогенных катализаторов для промышленного синтеза изоалканов из метана, природного газа, каталитического окисления окиси углерода. В данном способе предлагается технологическое направление, связанное с использованием природного углеродного материала шунгита с высоким содержанием наноуглеродных форм: выделение углеродной составляющей шунгита и ее обогащение этими наноуглеродными формами. Способ заключается в том, что исходное сырье - шунгит обрабатывают расплавленной щелочью при температуре не выше 500°С в режиме кипячения концентрированной неорганической кислотой НСl или HF, затем сильным окислителем в режиме кипячения при температуре до 150°С в течение не более 2 часов. После обработки реагентами промежуточный продукт промывают водой и сушат, а затем проводят его термообработку путем высокотемпературного газофазного окисления в кислородной или воздушной среде при 700-1200°С с получением наноуглеродного материала.

В патенте РФ №2448899, опубликованном 27.04.2012 по индексам МПК С01В 31/00, С09С 1/44, заявлен способ переработки шунгита, включающим дробление, измельчение шунгита до частиц размером 0,1-10 мкм, которые подвергают дальнейшему диспергированию в водной среде с использованием мелющих тел размером 1-3 мм при отношении массы мелющих тел к массе шунгита и массе воды 3,0-7,0:0,5-1,5:5,0-8,0 в течение 1-2 часов, затем полученную массу фильтруют и сушат в естественных условиях. Изобретение направлено на получение многофункционального наполнителя и пигмента для полимерных композиционных материалов; получают частицы шунгита размером 0,01-1 мкм с удельной поверхностью более 100 м²/г.

Известен патент JP №2018051455 (WO №2018061915), опубликованный 05.04.2018 по индексам МПК: В03С 1/00; В03С 1/025; В03С 1/034; C02F 1/02; C02F 1/58; C02F 1/64. В данном аналоге заявленный способ переработки шунгита обеспечивает рафинирование шунгита, который может эффективно удалять металлы, такие как железо, соединения металлов и примеси, такие как сера, из шунгитовой руды, чтобы получить очень чистый шунгит. Порошок шунгита диспергируется в воде, и магнитное поле применяется к диспергированному в воде порошку шунгита для удаления железа и соединений железа путем адсорбции. Порошок шунгита, из которого железо и соединения железа были удалены адсорбцией, дополнительно бомбардируют микроволнами в воде или на воздухе для удаления серы, что позволяет достичь более высокой степени очистки.

Как видно из представленных патентных источников, до сих пор не использовалась промышленная плазменная переработка шунгита. Известна научная публикация «Плазменная переработка шунгита» (Статья авторов Галевского Г.В., Протопопова Е.В., Темлянцева М.В., по результатам работы, выполненной в СибГИУ в рамках проектной части государственного задания Минобрнауки России №11.15.3 (2014/К), опубликованная в интернете:

https://cyberleninka.ru/article/n/plazmennaya-pererabotka-shungita)

В данной работе описано исследование возможности получения нанопорошка карбида кремния или наноразмерных композиций на его основе при переработке шунгита в плазменном потоке азота. Плазменная переработка шунгита осуществлялась в трехструнном прямоточном реакторе, оборудованном тремя электродуговыми подогревателями (плазмотронами) ЭДП - 104 А мощностью до 50 кВт каждый, установленными в камере смешения под углом 30° к оси реактора. Камера смешения соединена с секционированным водоохлаждаемым каналом, имеющим внутренний диаметр 0,046 м. В комплекс оборудования, обеспечивающего работу реактора, входят системы электро-, газо- и водоснабжения, контрольноизмерительных приборов, автоматики, контроля состава плазмообразующего и отходящего из реактора газов, дозирования шихтовых материалов и улавливания продуктов. Мощность дугового разряда регулируется в пределах 30-140 кВт. Для проведения исследований использовалась шунгитовая порода, содержащая, %: SiO2 54,0; Аl2O3 5,6; С (общий) 26,6; Fe2O3 6,7. Перед плазменной обработкой шунгитовая порода подвергалась обжигу на воздухе при температуре 700°С, что приводило к потере массы до 22,0%. Продуктом плазменной переработки шунгита является композиционный материал следующего состава, %: β-SiC - 80,2; α-Аl2O3 - 4,9; Si своб. - 0,3; С своб. - 0,5; Fe2O3 - 2,2; α-SiO2 - 11,9.

В статье делается вывод, что результаты исследования продуктов плазменной переработки шунгита подтверждают возможность получения промышленного продукта, содержащего до 80% карбида кремния в форме β-SiC, который может быть рекомендован к использованию для изготовления карбидокремниевых огнеупорных изделий на глиноземистой связке, а после рафинирования от примесей - в гальванике и технологии конструкционной керамики.

С точки зрения задачи нового изобретения процесс плазменной обработки шунгита, описанный в статье, имеет другие цели и задачи, а именно производство карбида кремния из шунгита, что в корне отлично от нового изобретения. При этом в статье описан процесс плазменной обработки с использованием реактора с тремя электродуговыми плазмотронами, что ведет к загрязнению продукта от электродов.

За прототип нового изобретения принимается способ переработки шунгита по патенту РФ №2448899, который является наиболее близким техническим решением по назначению.

Задачей изобретения является создание технологии переработки природного шунгита, в процессе которой получают частицы шунгита с развитой поверхностью и высоким удельным сопротивлением, качество которых особенно целесообразно для использования при очистке бытовой воды, сточных вод, отделения нефтепродуктов.

Развитостью поверхности в значительной мере определяется эффективность действия адсорбента.

Новый способ достаточно экономичен, позволяет исключить несколько промежуточных операций очистки сырья, т.к. используется уже подготовленное к переработке сырье, а на выходе плазматрона получают готовый высококачественный продукт.

Задача изобретения решается способом переработки шунгита, включающим использование исходного сырья в виде раздробленной шунгитовой породы, которое обрабатывают в высокочастотном плазмотроне в потоке газо-воздушной смеси с добавлением аргона в присутствии жесткого ультрафиолета.

Исходным сырьем является шунгит, предпочтительно, с содержанием углерода С₆₀ - 20-35%. Данная разновидность шунгита добывается промышленным способом. При этом используют фракционный состав шугнита, предпочтительно, с размером фракций 0,07-1,2 мм или 1,0-3,0 мм.

Плазменную обработку шунгита проводят при температуре 4000-6000°С с мощностью плазмотрона до 90 кВт в присутствии жесткого ультрафиолета. Такой режим обработки обеспечивает хороший выход продукта заданного качества.

Процесс плазменной обработки происходит в воздушно-газовой смеси с добавлением аргона. Присутствие ультрафиолета способствует получению развитой поверхности.

Заявленные диапазоны технологических режимом опробованы опытным путем и обеспечивают создание продукта наилучшего качества: получены частицы шунгита с максимальной развитой поверхностью до 1000 м²/г с возрастанием удельного сопротивления от десятков Ом до Мом.

Пример реализации предложенного способа:

Исходным сырьем является горная порода в виде дробленного и молотого шунгита Загожинского месторождения с минеральным составом в масс %: шунгитовый углерод - 28, кварц - 50, сложные силикаты (слюды, хлорит) - 20, сульфиды - 2. Выделяют сырье с размером фракций от 0,07 до 1,2 мм или от 1,0 до 3,0 мм. Далее фракционированный шунгит подают через питатель на срез плазмотрона. Плазменная обработка с помощью высокочастотных установок проводится при температуре от 4000 до 6000°С в течение 1-3 микросекунд. В процессе плазменной обработки используется жесткое ультрафиолетовое облучение с расходом газовоздушной смеси до 50 л/мин.

На выходе плазмотрона обработанные частицы шунгита помещаются в сборник и далее проводится их лабораторное исследование. Выход годного высококачественного продукта составляет = 90%. Частицы имеют сильно развитую поверхность. Насыпная плотность продукта 0,92 г/см³ с сопротивлением от десятков Ом до Мом.

Для испытания полученного продукта в сравнении с необработанным шунгитом провели их заправку в различные картриджи и использовали одинаковую техническую воду.

В Таблице представлены результаты исследования проб воды, включая использование переработанного шунгита в различных лабораториях.

Примечания и пояснения к Таблице:

* - методика ООО «Центр СЭЗ» центр санитарно-эпидемиологических заключений (испытания проб воды, пропущенных через кувшин с фильтром и вода настаивалась 24 часа);

** - методика НПП Полихим (проточная система);

*** - методика Центра гигиены и эпидемиологии №38 ФМБА (испытания проб воды, пропущенных через кувшин с фильтром и вода настаивалась 24 часа);

Наименования проб, обозначенных в таблице номерами:

№1 - исходная оборотная вода;

№2 - шунгит необработанный (природный);

№3 - шунгит термообработанный;

№4 - шунгит, обработанный в плазме.

Лабораторные микробиологические исследования сравнительного анализа вариантов необработанного и обработанного плазмой шунгита показывают несомненное высокое качество очистки воды с помощью насыпки фильтров из обработанного новым способом шунгита.

Как видно из приведенных в таблице результатов исследований, переработанный по заявленному способу шунгит обладает всеми значительными, превосходящими показателями для применения его в качестве очистителя питьевой воды (Таблица - пример пробы №4).

Таблица представлена на следующей стр. 9.

Изобретение относится к способам переработки углеродсодержащей горной породы – шунгита, и может быть использовано для фильтрации воды на водопроводных очистных сооружений, в качестве засыпки в бытовых фильтрах для очистки бытовой воды, для очистки сточных вод, отделения нефтепродуктов. Исходное сырье в виде раздробленной шунгитовой породы обрабатывают в высокочастотном плазмотроне при температуре 4000-6000°C с мощностью плазмотрона до 90 кВт в потоке газовоздушной смеси с добавлением аргона в присутствии жесткого ультрафиолета. Обеспечивается получение частиц шунгита с развитой поверхностью (до 1000 м²/г) и высоким удельным сопротивлением и увеличение выхода продукта. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ переработки шунгита, включающий использование исходного сырья в виде раздробленной шунгитовой породы, которое обрабатывают в высокочастотном плазмотроне в потоке газовоздушной смеси с добавлением аргона в присутствии жесткого ультрафиолета, при этом плазменную обработку шунгита проводят при температуре 4000-6000°C с мощностью плазмотрона до 90 кВт.

2. Способ по п. 1, в котором исходным сырьем является шунгит, предпочтительно с содержанием углерода С₆₀ 20-35%.

3. Способ по п. 1, в котором используют фракционный состав шунгита, предпочтительно с размером фракций от 0,07 до 3,0 мм.