Способ адсорбционной очистки сточных вод, содержащих ароматические соединения бензольного ряда Российский патент 2021 года по МПК C02F1/28 C02F1/46 B01D35/06 B82Y99/00 

Изобретение относится к области экологической безопасности и может быть использовано для очистки производственных сточных вод, содержащих ароматические соединения бензольного ряда, являющиеся токсичными и биологически устойчивыми загрязнителями. Способ применим на предприятиях химической, легкой, фармацевтической, лакокрасочной и других отраслей промышленности.

Известен способ очистки органоминеральных водных растворов производства капролактама, включающий проводимую в две стадии твердофазную экстракцию органических веществ (Патент RU №2403208, кл. C02F 1/28, B01J 20/26, B01J 20/285, C02F 103/38, бюл. №31, 2010).

Недостатком этого способа является узкоспецифичное применение только для предприятий - производителей капролактама. Кроме того, полистирольные адсорбенты специфичной структуры, выпускаемые зарубежными фирмами (Великобритания) далеко не всегда доступны в ценовом и транспортном отношении.

Известен способ очистки сточных вод от растворенных органических загрязнений, включающий обработку сточных вод адсорбентом, представляющим собой органосодержащие горючие отходы (Патент RU №2658404, кл. C02F 1/28, C02F 1/72, C02F 11/08, C02F 11/18, C02F 101/30, бюл. №18, 2018). Использование отходов производства в качестве адсорбентов снижает общие затраты, но не обеспечивает достаточной сорбционной емкости при адсорбции ароматических соединений для приемлемой степени очистки их водных растворов.

Известен способ получения сорбента для аэротенков, включающего монтмориллонитовую глину с содержанием монтмориллонита 60-70%, активированную 80%-ным раствором ортофосфорной кислоты (Патент RU №2333791, кл. B01J 20/26, C02F 1/28, бюл. №26, 2008).

Недостатком этого способа является не достаточно высокая сорбционная способность сорбента (удельная поверхность 0,135 м²/г), что характерно для немодифицированных глинистых пород.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ очистки воды, включающий фильтрацию через предварительно прокаленный природный адсорбент, представляющий породу смешанного минерального состава из глинистых материалов, цеолита и кварца (Патент RU №2296718, кл. C02F 1/28, С 02F 1/64, C02F 103/04, Бюл. №10, 2007).

Недостатком этого способа является невысокая эффективность очистки воды от производных бензола перечисленными сорбционными материалами, входящими в состав указанного природного адсорбента, без дополнительного их модифицирования. К тому же минеральное сырье подобного состава не является широко распространенным.

Технической проблемой изобретения является необходимость создания наиболее надежного, экологически чистого и экономически эффективного способа очистки сточных вод от ароматических соединений бензольного ряда.

Технический результат - повышение эффективности очистки сточных вод промышленных предприятий химической, легкой, фармацевтической, лакокрасочной и других отраслей промышленности от ароматических соединений бензольного ряда до нормативных требований по предельно допустимым концентрациям загрязнителей.

Проблема решается тем, что при реализации предлагаемого способа очистки сточных вод от ароматических соединений бензольного ряда предлагается фильтрация через адсорбент, состоящий из бентонита, модифицированного углеродными нанотрубками (УНТ) при массовом соотношении бентонит:УНТ=100:0,02, где УНТ составляет 0,02% по отношению к бентониту по массе. Для приготовления адсорбента исходный бентонит просушивают в СВЧ-поле мощностью 600 Вт в течение 5-7 мин., что приводит к снижению влажности до 5% и измельчению субстрата до размера частиц не крупнее 5 мкм. После этого адсорбент формуют путем вихревой окатки гранул из бентонита в емкости гранулятора-смесителя типа ОВП при постепенном добавлении смачивателя (10-20 мл/мин). Смачиватель имеет состав - вода:УНТ=100:0,04, где УНТ составляет 0,04% от объема воды, который готовится в ультразвуковой ванне при интенсивности ультразвукового излучения 2,5 Вт/см² при постепенном добавлении в дистиллированную воду УНТ. Далее окатанные гранулы бентонита проходят термическую обработку в течение 2 часов при температуре 550°С в инертной (бескислородной) среде.

Способ адсорбционной очистки сточных вод от ароматических соединений бензольного ряда заключается в фильтрации через адсорбент, состоящий из бентонита, модифицированного УНТ, при массовом соотношении бентонит:УНТ=100:0,02, где УНТ составляет 0,02% по отношению к бентониту по массе, при этом исходный бентонит просушивают в СВЧ-поле мощностью 600 Вт в течение 5-7 мин., что приводит к снижению влажности до 5% и измельчению субстрата до размера частиц не крупнее 5 мкм, после чего гранулы из бентонита формуют путем вихревой окатки в емкости гранулятора-смесителя типа ОВП при постепенном добавлении смачивателя (10-20 мл/мин). Далее гранулы бентонита проходят термическую обработку в течение 2 часов при температуре 550°С в инертной (бескислородной) среде. Смачиватель для приготовления бентонитовых гранул, имеет состав - вода:УНТ=100:0,04, где УНТ составляет 0,04% от объема воды, который готовится в ультразвуковой ванне при интенсивности ультразвукового излучения 2,5 Вт/см² при постепенном добавлении в дистиллированную воду УНТ.

Способ осуществляют следующим образом.

На первом этапе осуществляется приготовление адсорбента, состоящего из бентонита, модифицированного УНТ, при массовом соотношении бентонит:УНТ=100:0,02, где УНТ составляет 0,02% по отношению к бентониту по массе. Для этого сначала приготавливается смачиватель, в последствие используемый для формования бентонитовых гранул. Смачиватель имеет состав - вода:УНТ=100:0,04, где УНТ составляет 0,04% от объема воды, и готовится в ультразвуковой ванне с интенсивностью ультразвукового излучения 2,5 Вт/см² при постепенном добавлении в дистиллированную воду УНТ. После приготовления смачивателя исходный бентонит просушивают в СВЧ-поле мощностью 600 Вт в течение 5-7 мин., что приводит к снижению влажности до 5% и измельчению субстрата до размера частиц не крупнее 5 мкм. После этого гранулы из бентонита формуют путем вихревой окатки в емкости гранулятора-смесителя типа ОВП при постепенном добавлении смачивателя (10-20 мл/мин). Далее гранулы бентонита проходят термическую обработку в течение 2 часов при температуре 550°С в инертной (бескислородной) среде. На втором этапе готовый адсорбент загружают в адсорбционный фильтр любой конструкции, и фильтруют через него очищаемый раствор воды, содержащий ароматические соединения бензольного ряда.

Предлагаемый состав адсорбента бентонит-УНТ объясняется тем, что микро- и мезопористость бентонита повышается введением определенных «распорок» - пилларов в межслойную структуру алюмосиликатов, роль которых выполняют наночастицы углеродного материала. Обработка в СВЧ-поле бентонита «открывает» заполненные адсорбированной водой поры, а также уменьшает размер агрегированных частиц, сила сцепления которых уменьшается в процессе сушки.

Предложенный способ поясняется следующими примерами.

Пример 1. Сушка исходного бентонита в СВЧ-поле.

В работе использовался бентонит Даш-Салахлинского месторождения (Республика Азербайджан), в больших количествах поставляемый в Россию. Исходный материал на карьере измельчался до размера частиц 100-150 мкм. Для проведения исследований использовалась бытовая печь СВЧ мощностью 600 Вт. Исходный бентонит массой 1,0 кг помещался в емкость 1,5 дм³ из термостойкого стекла. Стеклянная емкость с бентонитом помещалась в печь и обрабатывалась СВЧ излучением. Результаты представлены в таблице 1.

Время обработки в СВЧ-поле исходного бентонита в течение 5 минут было достаточно для сушки и измельчения материала.

Пример 2. Получение смачивателя.

В ультразвуковую ванну заливалось 500 мл дистиллированной воды. Навеска УНТ 0,2 г (0,04%) частями (постепенно) засыпалась в обрабатываемую ультразвуком воду. Интенсивность ультразвукового излучения 2,5 Вт/см². Время обработки - не менее 5 минут. Материал УНТ равномерно распределялся в объеме жидкости. Материал УНТ - углеродные нанотрубки, представляющие углерод наноструктурированный технический активированный «Арт-нано» (ТУ ВУ 690654933.001-2011).

Пример 3. Получение гранулированного адсорбента.

Полученный в примере 1 высушенный бентонит в количестве 1 кг помещался в гранулятор-смеситель лабораторный ОВП-020. Технические характеристики ОВП-020: масса - 65 кг; габаритные размеры - 765×400×840 мм; установленная мощность - 1,12 кВт; максимальная разовая загрузка - 2 дм³. При интенсивном турбулентном движении сыпучего материала внутри корпуса ОВП-020 через воронку, расположенную в верхней части гранулятора-смесителя, в полость корпуса расходом 10-20 мл/мин подавался смачиватель, полученный в примере 2, объемом 500 мл. На внутренней поверхности цилиндрического корпуса гранулятора-смесителя формовались гранулы методом вихревой накатки. Полученный гранулированный материал классифицировался по размерам ситовым методом. Для дальнейшей работы отбиралась фракция 0,5-2,0 мм, остальной материал возвращался в гранулятор-смеситель на следующий цикл гранулирования. Выход целевой фракции составлял от 50 до 75% по весу от исходных продуктов (бентонита и смачивателя). Далее гранулированный бентонит с УНТ проходил термообработку в инертной среде (азот) для придания ему механической прочности и водостойкости. Оптимальная температура определена экспериментально согласно данным, представленным в таблице 2.

* Механическая стойкость гранул в воде определялась в соответствии с ГОСТ Р 51641-2000 «Материалы фильтрующие зернистые» по параметрам измельчаемости и истираемости, гранулы с обработкой при температуре 500°С - показали неудовлетворительный результат; варианты обработки при более высокой температуре обжига дали положительный результат.

Площадь удельной поверхности, пористости (микро-, мезопористость), объема пор, распределения пор по размерам определяли методом сорбции и капиллярной конденсации газов с помощью анализатора сорбции газов NOVA 4200е фирмы Quantachrome.

Из представленных в таблице 2 результатов температура обжига 550°С выбрана в качестве оптимальной.

Пример 4. Эффективность адсорбции ароматических соединений бензольного ряда предложенным адсорбентом.

Сравнительный анализ эффективности адсорбции предлагаемым адсорбентом и немодифицированным гранулированным бентонитом был выполнен по результатам адсорбции в динамических условиях. Эксперимент проводился параллельно для немодифицированного бентонита и предлагаемого адсорбента (пример 3) при равных прочих условиях эксперимента. Для этого оба адсорбента объемом по 0,1 дм помещались в делительные воронки диаметрами 50 мм каждая. Через каждый из адсорбентов пропускался модельный раствор одного из ароматических соединений бензольного ряда (о-толуидин; о-фенилендиамин; n-динитробензол). Характеристики эффективности процесса адсорбции включали: динамическую обменную емкость ДОЕ, коэффициент межфазного распределения K_d, величину степени адсорбции S (табл. 3). Лабораторный эксперимент проводился с повторностью n=4-7 раз для установления коридора ошибок.

Проведенный сравнительный эксперимент показал явное (до 45%) увеличение динамической обменной емкости у предлагаемого адсорбента по сравнению с немодифицированным бентонитом. При этом также наблюдалось очевидное преимущество в эффективности адсорбции у предлагаемого адсорбента по сравнению с немодифицированным бентонитом.

Изобретение раскрывает способ адсорбционной очистки сточных вод от ароматических соединений бензольного ряда, включающий фильтрацию через адсорбент, характеризующийся тем, что адсорбент состоит из бентонита, модифицированного углеродными нанотрубками (УНТ), при массовом соотношении бентонит : УНТ=100:0,02, где УНТ составляет 0,02% по отношению к бентониту по массе, при этом исходный бентонит просушивают в СВЧ-поле мощностью 600 Вт в течение 5-7 мин, что приводит к снижению влажности до 5% и измельчению субстрата до размера частиц не крупнее 5 мкм, далее гранулы из бентонита формуют путем вихревой окатки в емкости гранулятора-смесителя типа ОВП при постепенном добавлении смачивателя 10-20 мл/мин, после чего гранулы бентонита проходят термическую обработку в течение 2 часов при температуре 550°С в инертной бескислородной среде. Технический результат заключается в повышении эффективности очистки сточных вод промышленных предприятий химической, легкой, фармацевтической, лакокрасочной и других отраслей промышленности от ароматических соединений бензольного ряда до нормативных требований по предельно допустимым концентрациям загрязнителей. 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 4 пр.

1. Способ адсорбционной очистки сточных вод от ароматических соединений бензольного ряда, включающий фильтрацию через адсорбент, отличающийся тем, что адсорбент состоит из бентонита, модифицированного углеродными нанотрубками (УНТ), при массовом соотношении бентонит : УНТ=100:0,02, где УНТ составляет 0,02% по отношению к бентониту по массе, при этом исходный бентонит просушивают в СВЧ-поле мощностью 600 Вт в течение 5-7 мин, что приводит к снижению влажности до 5% и измельчению субстрата до размера частиц не крупнее 5 мкм, далее гранулы из бентонита формуют путем вихревой окатки в емкости гранулятора-смесителя типа ОВП при постепенном добавлении смачивателя 10-20 мл/мин, после чего гранулы бентонита проходят термическую обработку в течение 2 часов при температуре 550°С в инертной бескислородной среде.

2. Способ адсорбционной очистки сточных вод от ароматических соединений бензольного ряда по п. 1, отличающийся тем, что смачиватель для приготовления бентонитовых гранул имеет состав – вода : УНТ=100:0,04, где УНТ составляет 0,04% от объема воды, который готовится в ультразвуковой ванне при интенсивности ультразвукового излучения 2,5 Вт/см² при постепенном добавлении в дистиллированную воду УНТ.