СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОРБЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2021 года по МПК B01J20/24 B01J20/32 C02F1/28 

Изобретение относится к области получения сорбционных материалов для очистки воды от органических и неорганических загрязнений, в частности, от нефтепродуктов и взвешенных частиц.

В настоящее время активно ведутся исследования, направленные на получение эффективных сорбентов с применением доступного и дешевого сырья растительного происхождения.

Таким сырьем является, в частности, Тростник Южный (обыкновенный).

Стебли Тростника Южного имеют губчатую структуру с хорошей доступностью пор, обусловленной относительно низким содержанием смол, что делает перспективным и актуальным разработку способов получения сорбционных материалов на основе указанного растения.

Известен способ получения сорбционного материала на основе Тростника Южного для очистки водных сред от органических и неорганических соединений [RU 2567311].

Способ включает проведение процесса карбонизации измельченных стеблей Тростника Южного, в ходе которого измельченный тростник нагревают при температуре 450-500°С в течение 10-15 минут, до потери ~ 70% массы, обрабатывают полученную массу раствором 5% азотной кислоты, промывают водой и сушат при температуре 100°С. В результате получают сорбционный материал, содержащий 70-80% углеродной составляющей, 19-29% силикатной составляющей и 1% воды.

Полученный сорбционный материал обладает избирательной сорбцией по отношению к целому ряду органических веществ, в том числе углеводородам.

Однако данный способ является технологически сложным и энергоемким.

Известен способ получения сорбционного материала на основе Тростника Южного [RU 2625107], выбранный в качестве ближайшего аналога.

Способ включает измельчение стеблей тростника до размеров частиц 5-10 мм и последующую обработку измельченного тростника путем формования из него гранулированного сорбента при усилии 80 кН.

Полученный данным способом сорбционный материал обладает способностью поглощать нефтяные загрязнения из загрязненной ими воды.

Однако рассматриваемый гранулированный сорбент характеризуется высокой степенью водопоглощения, что может привести к сильному его увлажнению в процессе хранения и эксплуатации и, как следствие, к повышенной предрасположенности сорбента к грибковым поражениям, приводящим к его порче.

Кроме того, под воздействием формирующего гранулы усилия происходит закрытие части выходящих на поверхность частиц пор, что может негативно сказаться на поглотительной способности рассматриваемого сорбционного материала и, соответственно, к снижению эффективности очистки воды от нефтяных загрязнений. При этом сорбционный материал в форме гранул не достаточно эффективно задерживает взвешенные в воде частицы загрязнений.

Проблемой, решаемой при реализации заявляемого изобретения, является создание способа получения сорбционного материала, обладающего высокой эффективностью очистки воды от нефтяных загрязнений и взвешенных частиц, а также устойчивостью к грибковым поражениям.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения сорбционного материала на основе Тростника Южного, включающем измельчение стеблей тростника и последующую обработку полученной волокнистой массы с получением целевого сорбционного материала, согласно изобретению измельчают стебли тростника с получением волокнистой массы, содержащей волокна длиной 50-60 мм и шириной 1-3 мм, осуществляют обработку волокнистой массы с использованием жидкого средства, включающего водорастворимый антисептик и гидрофобизатор, при этом обработку осуществляют в две стадии, на первой из которых погружают волокнистую массу в указанное жидкое средство, выдерживают в течение 10-15 минут при температуре 30-50°С, извлекают пропитанную массу и сушат ее при температуре (15-35°С) в течение 1-2 часов, на второй стадии высушенный материал, полученный на первой стадии, вновь погружают в жидкое средство на 10-15 минут, извлекают повторно пропитанный материал и сушат его при температуре 15-35°С в течение 3-4 часов.

Принципиально важной особенностью заявляемого способа является проведение обработки измельченных стеблей Тростника Южного по описанной выше схеме с использованием жидкого средства, содержащего водорастворимый антисептик и гидрофобизатор.

В ходе обработки достигается пропитка волокон тростника жидким средством, в результате которой обеспечивается глубокое проникновение в обрабатываемые волокна содержащегося в жидком средстве антисептика и удержание его в структуре волокон, а также придание гидрофобных свойств поверхности волокон за счет воздействия входящего в состав жидкого средства гидрофобизатора.

При этом важным является измельчение стеблей тростника с получением волокон вышеуказанных размеров.

Как показали экспериментальные исследования, в случае, когда значения длины и толщины волокон лежат в диапазонах, соответственно, 50-60 мм и 1-3 мм, с одной стороны достигается увеличение сорбционной поверхности волокон, а с другой стороны волокна с указанными размерами обладают способностью хорошо удерживать в своей структуре антисептик и гидрофобизатор.

Параметры процесса обработки (время выдерживания обрабатываемого материала в жидком средстве, температурный режим пропитки, температура и время сушки обрабатываемого материала после извлечения его из жидкого средства, проведение пропитки в две стадии), были выбраны авторами на основании экспериментальных исследований и соответствуют условиям, при которых обеспечивается долговременная защита получаемого сорбционного материала от грибковых поражений, а также его высокая поглотительная способность по отношению к нефтяным загрязнениям при относительно низком водопоглощении, при этом благодаря сохранению волокнистой структуры сорбционного материала в процессе изготовления обеспечивается его способность удерживать в межволокнистом пространстве взвешенные в воде частицы загрязнений.

Таким образом, техническим результатом заявляемого изобретения является создание способа получения сорбционного материала, обладающего высокой эффективностью очистки воды от нефтяных загрязнений и взвешенных частиц, а также устойчивостью к грибковым поражениям.

Способ осуществляют следующим образом.

Тростник Южный (обыкновенный), выкашивают в конце вегетационного периода (январь-март), когда влажность растения минимальна (6-12%, по сравнению с летним периодом - до 90%).

После сбора тростник промывают проточной водой с целью извлечения внешних загрязнений и просушивают при комнатной температуре в течение суток.

Затем собранный тростники измельчают, например, с использованием вальцового измельчителя, который настраивают таким образом, чтобы получить волокна длиной 50-60 мм и шириной 1-3 мм.

Полученную волокнистую массу (сечку) подвергают обработке жидким средством на водной основе, содержащим эффективные количества водорастворимого агента с антисептическими свойствами - водорастворимого антисептика (например, буру, борную кислоту, фторид натрия, соли меди, водорастворимую смесь алкилбензилдиметиламмоний хлоридов и другие) и агента, обладающего гидрофобизирующими свойствами - гидрофобизатора (например, силикон или его производные). Также может быть использован агент, обладающий комплексным антисептическим и гидрофобизирующим действием (например, четвертичное аммониевое основание, имеющее, по крайней мере, одну органическую гидрофобную группу).

В качестве указанных жидких средств целесообразно использовать имеющиеся на рынке составы для пропитки целлюлозосодержащих материалов, удовлетворяющие нормативным требованиям по санитарно-эпидемиологическим и гигиеническим требованиям.

В частности, могут быть использованы такие жидкие средства на водной основе, как Пропитка С401 «Биощит» и Пропитка С402 «Гидро-биощит» торговой марки «Оптимист» (ТУ 2386-013-18341150-02 с изм. 1-2), содержащие водорастворимый антисептик и силиконовый гидрофобизатор.

Обработку осуществляют следующим образом.

Погружают полученную после измельчения тростника волокнистую массу в пропиточную ванну с вышеописанным жидким средством и выдерживают в течение 10-15 минут при температуре 30-50°С, затем извлекают пропитанную массу из пропиточной ванны и сушат ее при комнатной температуре 15-35°С в течение 1-2 часов. Полученный высушенный материал вновь погружают в пропиточную ванну с тем же жидким средством, выдерживают в течение 10-15 минут, затем извлекают вторично пропитанный материал и сушат его при комнатной температуре 15-35°С в течение 3-4 часов. В результате получают целевой сорбционный материал в виде сухого сыпучего мелковолокнистого продукта.

Возможность реализации способа показана в примерах конкретного выполнения.

Пример 1.

В качестве исходного сырья использовали стебли Тростника Южного (обыкновенного).

В качестве жидкого средства для обработки волокнистой тростниковой массы использовали Пропитку С401 «Биощит».

Измельчали указанное сырье с получением волокнистой массы с размерами волокон, лежащими в вышеуказанных диапазонах.

Волокнистую массу погружали в пропиточную ванну, заполненную указанным жидким средством, выдерживали ее в течение 10 минут при температуре 45°С, извлекали пропитанную массу и сушили его при температуре 22°С в течение 1 часа. Проводили повторную обработку полученного на предыдущей стадии высушенного материала, для чего его погружали в то же жидкое средство, выдерживали в течение 10 минут при той же температуре и после извлечения из пропиточной ванны сушили в течение 3 часов при температуре 22°С.

Полученный сорбционный материал испытывали на экспериментальной установке для фильтрационной очистки воды от нефтяных загрязнений и взвешенных частиц, при этом сорбционный материал использовали в качестве фильтрующей загрузки фильтровальных колонок.

Осуществляли очистку модельной воды, содержащей 10 мг/л нефтепродуктов и 200 мг/л взвешенных частиц, пропуская очищаемую воду через фильтровальные колонки со скоростью 7,5 м³/час.

Как показали испытания, содержание нефтепродуктов уменьшилось до 0, 032 мг/л, содержание взвешенных частиц уменьшилось до 8,1 мг/л.

При хранении полученного сорбционного материала в течение 6 месяцев во влажной атмосфере не наблюдалось значительного увлажнения материала и признаков грибкового поражения.

Пример 2.

Для получения сорбционного материала использовали исходное сырье по примеру 1.

Получали тростниковую волокнистую массу с размерами волокон, указанными в примере 1.

Осуществляли обработку волокнистой массы с использование жидкого средства Пропитка С402 «Гидро-биощит»

Волокнистую массу погружали в пропиточную ванну, заполненную указанным жидким средством, выдерживали ее в течение 15 минут при температуре 35°С, извлекали пропитанную массу и сушили ее при температуре 20°С в течение 1,5 часов. Проводили повторную обработку полученного на предыдущей стадии материала, для чего его погружали в тот же жидкий агент, выдерживали в течение 15 минут при той же температуре и после извлечения из пропиточной ванны сушили в течение 4 часов.

Полученный сорбционный материал испытывали, как описано в примере 1.

Как показали испытания, содержание нефтепродуктов уменьшилось до 0, 035 мг/л, содержание взвешенных частиц уменьшилось до 8,2 мг/л.

При хранении полученного сорбционного материала, в течение 6 месяцев во влажной атмосфере не наблюдалось значительного увлажнения материала и признаков его грибкового поражения.

Таким образом, как показывают примеры 1 и 2, при использовании сорбционного материала, полученного заявляемым способом, достигается высокая степень очистки воды от нефтяных загрязнений и взвешенных частиц.

При этом указанные сорбционные материалы обладают устойчивостью к поражающему действию грибковых микроорганизмов.

Пример 3 (сравнительный)

Тростник Южный (обыкновенный) измельчали как описано в Примере 1.

Измельченную волокнистую массу использовали в качестве загрузки фильтровальных колонок, входящих в состав указанной в примере 1 экспериментальной установки.

Проводили очистку такой же, что и в примере 1, загрязненной модельной воды.

Содержание нефтепродуктов в очищенной воде составляло 0,17 мг/л, содержание взвешенных частиц - 9,6 мг/л.

Приведенные данные доказывают значительное увеличение поглотительной способности сорбционного материала, полученного по заявляемому способу, по сравнению с сорбционным материалом, полученным без реализации технологии обработки, используемой в примерах 1 и 2.

При хранении необработанного сорбционного материала во влажной атмосфере в течение 6 месяцев наблюдалось его сильное увлажнение и появление признаков грибкового поражения.

Изобретение может быть использовано при очистке воды. Для получения сорбционного материала на основе Тростника Южного стебли тростника измельчают с получением волокнистой массы, содержащей волокна длиной 50-60 мм и шириной 1-3 мм. Затем осуществляют обработку волокнистой массы с использованием жидкого средства, включающего водорастворимый антисептик и гидрофобизатор. Обработку проводят в две стадии, на первой из которых погружают волокнистую массу в жидкое средство, выдерживают в течение 10-15 мин при 30-50°С, извлекают пропитанную массу и сушат ее при 15-35°С в течение 1-2 ч. На второй стадии высушенный материал, полученный на первой стадии, вновь погружают в жидкое средство на 10-15 мин, извлекают повторно пропитанный материал и сушат его при 15-35°С в течение 3-4 ч. Изобретение позволяет получить сорбционный материал, обладающий высокой эффективностью очистки воды от нефтепродуктов и взвешенных частиц и устойчивостью к грибковым поражениям. 3 пр.

Способ получения сорбционного материала на основе Тростника Южного, включающий измельчение стеблей тростника с получением волокнистой массы и последующую ее обработку с получением целевого сорбционного материала, отличающийся тем, что измельчают стебли тростника с получением волокнистой массы, содержащей волокна длиной 50-60 мм и шириной 1-3 мм, осуществляют обработку волокнистой массы с использованием жидкого средства, включающего водорастворимый антисептик и гидрофобизатор, при этом обработку осуществляют в две стадии, на первой из которых погружают волокнистую массу в указанное жидкое средство, выдерживают в течение 10-15 мин при температуре 30-50°С, извлекают пропитанную массу и сушат ее при температуре 15-35°С в течение 1-2 ч, на второй стадии высушенный материал, полученный на первой стадии, вновь погружают в жидкое средство на 10-15 мин, извлекают повторно пропитанный материал и сушат его при температуре 15-35°С в течение 3-4 ч.