Способ получения силиката кальция с заданной дисперсностью Российский патент 2020 года по МПК C01B33/24 

Изобретение относится к сорбционным способам очистки растворов от катионов тяжелых металлов и может быть использовано для извлечения их из сточных вод предприятий различного профиля и жидких радиоактивных отходов (ЖРО).

Известен способ сорбции ионов Со²⁺ материалами на основе силикатов кальция (П.С. Гордиенко, С.Б. Ярусова, С.Б. Буланова и др. Сорбционные свойства материалов на основе силикатов кальция по отношению к ионам Со²⁺ // Химическая технология, т. 12, №5. 2011, с. 282). Материалы на основе силиката кальция получены в многокомпонентной системе CaCl₂ - Na₂SiO₃ - Н₂О. Удельная поверхность порошков силиката кальция составляет 100 м²/г. Основная масса частиц имеет размеры от 10 до 40 мкм. Недостатком способа является получение порошков только с указанными характеристиками.

Описан способ получения материала на основе гидросиликата кальция (силикатный сорбент) из отхода производства борной кислоты (борогипс). (С.Б. Ярусова, П.С. Гордиенко, И.Ю. Буравлев и др. Использование силикатного сорбента для очистки водных растворов от ионов Zn²⁺. // Успехи современного естествознания. - 2018 - №3 - с. 39-43). Борогипс смешивают с раствором гидроксида калия в стехиометрическом соотношении. Полученную смесь подвергают автоклавной обработке. После обработки осадок промывают и сушат. Удельная поверхность материала варьирует от 30 до 80 м²/г. Недостатком способа является невозможность регулировать дисперсность порошка.

В патенте (В.А. Лотов, В.И. Верещагин, В.И. Косинцев и др. Способ получения высокодисперсных порошков. Патент RU 2133218, 1999 г.) описан способ получения порошка силиката кальция, заключающийся в том, что жидкое стекло с силикатным модулем 2,4-4,2 разбавляют водой в соотношении 1(0,5-1,0), после чего добавляют 15-20% раствор CaCl₂ в 1,1-1,5 избытке от стехиометрически необходимого. Осадок промывают и сушат. Размеры частиц порошка и/или его удельная поверхность не указаны. Данный источник взят авторами за прототип.

К недостатку способа можно отнести неопределенность с дисперсностью получаемого порошка.

Сорбционные характеристики некоторых неорганических сорбентов зависят от дисперсности сорбента. Иными словами, регулируя размер частиц, можно изменять (в том числе и увеличивать) емкость сорбента по извлекаемым металлам.

Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании способа, позволяющего получать порошки силиката кальция с заданной дисперсностью для использования их, в том числе, при очистке водных растворов от катионов тяжелых металлов.

Поставленная задача достигается тем, что к разбавленному водой жидкому стеклу при перемешивании добавляют раствор CaCl₂ в 1,1-1,5 избытке от стехиометрически необходимого и раствор модификатора. Полученный осадок отмывают от солей и сушат. В качестве модификатора применяют поливинилпирролидон в растворе в количестве от 0,05% до 5% на массу исходного хлорида кальция.

В предлагаемом способе хлорид кальция берут с избытком 1,1-1,5 от стехиометрически необходимого.

В предлагаемом способе используют раствор хлорида кальция с концентрацией 15-20%.

В предлагаемом способе сушку осадка ведут при 80-90°С.

Поливинилпирролидон (C₆H₉NO) n - синтетический неионный гибкоцепной полимер, порошок белого или желтоватого цвета, высокогигроскопичен. Растворим в воде, спирте, полиспиртах, хлороформе, кетонах. Плотность сухого полимера равна 1,2 г/см³. Температура плавления 150-180°С. Молекулярная масса от 2500 до 2500000 г/моль. Поливинилпирролидон обладает высокой химической стойкостью, которая возрастает с увеличением молекулярной массы полимера. Используется в медицине в качестве компонента кровезаменителя под тривиальным названием гемодез.

Для получения различных по степени дисперсности порошков силиката кальция в реакционную смесь вводят разные количества поливинилпирролидона. Получаемые порошки силиката кальция могут обладать сорбционными характеристиками, зависящими от степени дисперсности, что может оказаться полезным при использовании их в качестве сорбентов.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1.

К порциям по 100 см³ разбавленного водой в соотношении 1:(0,5-1,0) жидкого стекла при перемешивании приливали аликвоты 20% раствора CaCl₂. Добавляли аликвоты раствора модификатора, содержащие 0.05%-5,5% массы поливинилпирролидона от массы CaCl₂.

Полученные осадки отмыли от растворимых солей и высушили при температуре 80-90°С. Определение размеров частиц полученных в результате синтеза образцов провели следующим образом. Навеску синтезированного порошка перетирали в ступке с небольшим количеством воды, переносили смесь в цилиндр и разбавляли водой для получения ~ 0,5%-ной (масс.) суспензии, затем добавляли несколько капель раствора дифосфата натрия для предотвращения агрегации частиц. Одну-две капли суспензии наносили на предметное стекло, накрывали покровным стеклом и определяли размер частиц полученного силиката кальция микроскопически на приборе «Микромед-2» с камерой DCM-510 5.0М. С помощью микрофотографий образцов изучали дисперсионный состав, определяли размеры, число и форму частиц в программе Image Tool 3.00.

Результаты эксперимента представлены в таблице 1.

Анализ данных, приведенных в таблице 1, позволяет определить верхний предел заявляемых количеств поливинилпирролидона -5% от массы хлорида кальция. Выход за предел заявляемой концентрации не приводит к увеличению дисперсности продукта. Концентрации ПВП ниже указанного предела будут определяться техническими требованиями к получаемому продукту.

Использование изобретения направлено на очистку сточных вод. Примеры 2 и 3 иллюстрируют связь дисперсности (размеры частиц) порошков силиката кальция и их сорбционной способности (статическая обменная емкость).

Пример 2.

Навески порошков силиката кальция с размерами частиц 10, 2 и 0,6 мкм контактировали с аликвотами водного раствора уранилнитрата с рН 3,5 и концентрацией 50 мг/л по урану. Контакт осуществляли с помощью перемешивающего устройства в течение 2 часов (период времени, превышающий экспериментально определенное время установления равновесия). После проведения контакта отбирали пробу жидкой фазы на анализ урана. Величины статических коэффициентов распределения D (см3/г) рассчитывали по формуле 1

где Cu-исходная концентрация металла (мг/дм³); Ср - равновесная концентрация металла (мг/дм³), V - объем водной фазы (см³), m - масса воздушно-сухого сорбента (г).

Величины статической обменной емкости СОЕ (мг/г) рассчитывали по формуле 2

где Cu - исходная концентрация металла (мг/дм³); Ср - равновесная концентрация металла (мг/дм), V - объем водной фазы (см), m - масса воздушно-сухого сорбента (г). Результаты эксперимента приведены в таблице 2.

Пример 2.

С теми же порошками и в тех же условиях проведен эксперимент с водным раствором азотнокислого стронция с рН 3,5 и концентрацией 50 мг/л по стронцию. Результаты эксперимента приведены в таблице 3.

В результате использования изобретения получаются порошки силиката кальция с заданной дисперсностью, регулируемой количеством внесенного поливинилпирролидона, и сорбционной обменной емкостью, увеличивающейся с уменьшением размера частиц порошка.

Изобретение относится к сорбционным способам очистки растворов от катионов тяжелых металлов и может быть использовано для извлечения их из сточных вод предприятий различного профиля и жидких радиоактивных отходов. В способе получения силиката кальция к жидкому стеклу, разведенному водой, добавляют раствор хлорида кальция с избытком 1,1-1,5 от стехиометрически необходимого при перемешивании и раствор поливинилпирролидона в количестве до 5,0% от массы хлорида кальция. Осадок отделяют, промывают, сушат. Обеспечивается получение порошков силиката кальция заданной дисперсности. 3 з.п. ф-лы, 3 табл., 3 пр.

1. Способ получения силиката кальция с заданной дисперсностью, включающий осаждение силиката кальция из раствора жидкого стекла путем его взаимодействия при перемешивании с хлоридом кальция, отделение, промывку и сушку продукта, отличающийся тем, что к жидкому стеклу после добавления раствора CaCl₂, в качестве модификатора добавляют при перемешивании поливинилпирролидон в растворе в количестве до 5% от массы хлорида кальция.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что хлорид кальция берут с избытком 1,1-1,5 от стехиометрически необходимого.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют раствор хлорида кальция с концентрацией 15-20%.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сушку осадка ведут при 80-90°С.