Сорбент для очистки сточных вод от тяжелых металлов Российский патент 2025 года по МПК B01J20/22 C02F1/28 C02F1/62 

Изобретение относится к области сорбционных технологий извлечения тяжелых металлов из поверхностных сточных вод и может быть использовано для очистки территорий и водоемов, подвергшихся загрязнению тяжелыми металлами, на урбанизированных территориях.

Известен сорбент очистки сточных вод от тяжелых металлов, включающий смесь, содержащую 50 мас.% глауконита, 25 мас.% вспученного вермикулита, 25 мас.% вспученного перлита (Патент РФ на изобретение №2682586, Композитный гранулированный сорбент, МПК B01J 20/16 (2006.01), от 19.03.2019).

Недостатком является значительная трудоемкость процесса его изготовления.

Наиболее близким к технической сущности и достигаемому результату является сорбент, содержащий отходы сельскохозяйственного производства, состоящие из измельченных до размеров не более 0,3 см стеблей сельскохозяйственных растений, и лузги гречихи в соотношении 1:4 (Патент РФ на изобретение №2805732, Способ очистки сточных вод от тяжелых металлов, МПК C02F 1/28 (2006.01), от 23.10.2023). Сорбент позволяет очищать от ионов хрома, меди, железа и цинка в соотношении, соответственно, 99%, 69%, 96%, 70%.

Недостатком наиболее близкого аналога является низкая степень извлечения, узкий спектр одновременно извлекаемых материалов.

Технической проблемой в настоящее время является трудность очистки сточных вод от большого числа тяжелых металлов с различными концентрациями с высокой степенью очистки.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение степени очистки сточных вод от тяжелых металлов, расширение спектра извлекаемых металлов.

Поставленный технический результат достигается тем, что сорбент для очистки сточных вод от тяжелых металлов в виде смеси, включает лузгу гречихи, согласно изобретения, дополнительно содержит следующие компоненты: скорлупу грецкого ореха, измельченную до величины частиц 4-6 мм, подвергнутую карбонизации в течение 14-16 минут при температуре 295-300°С, лузгу конопли в виде оболочек семян, отходы станций водоподготовки, обожженные при температуре 600°C в течение 5 часов, при этом из лузги гречихи изготовлены цилиндрические гранулы с гладкой поверхностью длиной 5,0-5,3 мм и диаметром 6,0-6,3 мм; при следующем соотношении компонентов, мас.%:

гранулы из лузги гречихи 25-27 скорлупа грецкого ореха 23-25 лузга конопли 25-27 отходы станций водоподготовки остальное

Дополнительные материалы, выбранные для изготовления сорбента, относятся к веществам с развитой поверхностью и высокой открытой пористостью. Такая структура материалов предполагает возможность поглощения катионов тяжелых металлов из водных растворов путём физической адсорбции на активных центрах.

Отходы станции водоподготовки образуются в процессе эксплуатации очистных сооружений питьевого водоснабжения. Осадок представляет собой влажную массу органоминеральных веществ различной дисперсности, объединенных с помощью гидроксидных связей в единую пространственную структуру, обладающую коллоидными свойствами. Мелкодисперсная пространственная структура осадка снижает энергию активации процесса физической адсорбции катионов тяжёлых металлов, поэтому повышает эффективность очистки сточных вод от загрязнений. Наличие двойного электрического слоя на коллоидных частицах структуры также способствует укрупнению частиц загрязнителей и их удалению из воды. Поэтому из воды одновременно могут удаляться катионы металлов с различной валентностью, что расширяет спектр удаляемых металлов. Физическая адсорбция, на которой основан процесс очистки сточной воды, зависит не только от энергетических характеристик, но и от удельной поверхности и пористости материала используемой загрузки.

Соотношение компонентов сорбента выбрано таким образом, чтобы обеспечить скорость фильтрации очищаемой воды не ниже технологически заданной и ее качественную очистку. Поставленный результат достигается формированием структуры сорбента с оптимальным количеством и размерами пор. Крупные фракции сорбента из цилиндрических гранул лузги гречихи и скорлупы грецкого ореха обеспечивают формирование основы загрузки. Известно, что для сыпучих материалов, максимальное количество пор образуется при содержании 46-50 мас.% крупной фракции.

Увеличение количества гранул лузги гречихи более 27 мас.% и скорлупы грецкого ореха более 25 мас.% снижает качество очистки воды, при снижении содержания в композите лузги гречихи ниже 25 мас.% и скорлупы грецкого ореха ниже 23 мас.% уменьшается общая пористость загрузки, что снижает скорость фильтрации. Мелкая фракции композитного сорбента - отход станции водоподготовки в количестве более 29 мас.% снижает производительность загрузки из сорбента, при количестве мелкой фракции из отхода станции водоподготовки очистки воды менее 23 мас.% снижается эффективность очистки.

Увеличение количества лузги конопли более 25 мас.%, а также уменьшение менее 23 мас.% приводит к снижению эффективности очистки и уменьшению фильтроцикла.

Длина гранул лузги гречихи менее 5 мм и диаметр менее 6 мм снижает общую пористость загрузки, снижает скорость фильтрации очищаемой воды, а увеличение длины гранул более 5,3 мм и увеличение диаметра более 6,3 мм снижает эффективность очистки.

Для получения сорбента предварительно из лузги гречихи изготавливают цилиндрические гранулы с гладкой поверхностью длиной 5,0-5,3 мм и диаметром 6,0-6,3 мм путем измельчения, увлажнения, прессовки и охлаждения.

Лузга конопли представляет собой полусферические зеленовато-коричневые твердые оболочки размером 0,4-0,5 мм, оставшиеся после обработки семян технической конопли, материал использовался без дополнительной обработки.

Предлагаемый сорбент для очистки поверхностных сточных вод получают путем перемешивания при помощи механической мешалки: лузги гречихи в виде цилиндрических гранул, скорлупы грецкого ореха, лузги конопли и отходов станции водоподготовки в заявляемых соотношениях. Перед смешиванием скорлупу грецкого ореха измельчают от 4 до 6 мм и подвергают термической обработке (карбонизации) в течении 14-16 минут при температуре 295-300°С, а отходы станций водоподготовки подвергают процессу обжига при температуре 600°C в течение 5 часов. Лузга конопли использовалась без дополнительной обработки.

После смешивания всех указанных компонентов получен заявляемый сорбент в виде смеси.

Согласно предлагаемому решению изготовлено пять вариантов сорбента с различным содержанием компонентов, через которые пропускали сточную воду, через заданные промежутки времени отбирали пробы фильтрата и проводили анализ его состава на эмиссионном спектрометре с индуктивно-связанной плазмой OPTIMA 2100DV Perkin Elmer». Пробы сточной воды для примеров отбирали на урбанизированной территории. Компоненты смеси (лузга гречихи в виде цилиндрических гранул, скорлупа грецкого ореха после измельчения от 4 до 6 мм и термической обработки в течение 15 минут при температуре 300°С, лузга конопли в виде полусферических твердых оболочек семян, отходы станции водоподготовки после обжига при температуре 600°C в течение 5 часов) взвешивали на лабораторных весах с точностью до 0,01 г для получения смеси в различных соотношениях. После чего смесь перемешивали на лабораторной мешалке. Изготовлено 5 вариантов предлагаемого сорбента.

Пример 1

Смесь содержала следующие компоненты, мас.%:

лузга гречихи 26 скорлупа грецкого ореха 24 лузга конопли 24 отходы станции водоподготовки 26,

при этом лузга гречихи выполнена в форме гранул с гладкой поверхностью длиной 5,15 мм и диаметром 6,15 мм.

Пример 2

Смесь содержала следующие компоненты, мас.%

лузга гречихи 25 скорлупа грецкого ореха 25 лузга конопли 23 отходы станции водоподготовки 27,

при этом лузга гречихи выполнена в форме гранул с гладкой поверхностью длиной 5,15 мм и диаметром 6,15 мм.

Пример 3

Смесь содержала следующие компоненты, мас.%

лузга гречихи 26 скорлупа грецкого ореха 24 лузга конопли 24 отходы станции водоподготовки 26,

при этом лузга гречихи выполнена в форме гранул с гладкой поверхностью длиной 5,0 мм и диаметром 6,0 мм.

Пример 4

Смесь содержала следующие компоненты, мас.%

лузга гречихи 26 скорлупа грецкого ореха 23 лузга конопли 25 отходы станции водоподготовки 26,

при этом лузга гречихи выполнена в форме гранул с гладкой поверхностью длиной 5,3 мм и диаметром 6,3 мм.

Пример 5

Смесь содержала следующие компоненты, мас.%

лузга гречихи 26 скорлупа грецкого ореха 23 лузга конопли 25 отходы станции водоподготовки 26,

при этом лузга гречихи выполнена в форме гранул с гладкой поверхностью длиной 5,20 мм и диаметром 6,20 мм.

Данные испытаний сведены в таблицу.

Таблица

Сорбент (пример) Определяемый показатель - содержание тяжёлых металлов мг/дм³ Степень очистки, % до очистки, мг/дм³ после очистки, мг/дм³ Cr Cu Fe Ni Pb Zn Cr Cu Fe Ni Pb Zn Cr Cu Fe Ni Pb Zn 1 0,11 0,077 4,541 0,2 0,41 0,483 0 0,001 0,05 0,005 0 0,007 100 99 99 98 100 99 2 0 0,002 1,03 0,08 0,04 0,04 100 97 77 60 90 92 3 0,002 0,018 1,62 0,03 0,13 0,03 98 77 64 85 68 94 4 0 0,006 1,7 0,09 0,11 0,03 100 92 63 55 73 94 5 0,008 0,006 0,98 0,07 0,05 0,04 93 92 78 65 88 92

Для сравнения были проведены исследования согласно наиболее близкому аналогу, в котором степень очистки от ионов хрома, меди, железа и цинка составила соответственно 97%, 82%, 78%, 95%. Как показали испытания, степень очистки в предлагаемом решении увеличилась в среднем на 11%.

Кроме того, расширился спектр извлекаемых металлов. Наиболее близкий аналог позволяет очистить сточную воду от хрома, меди, железа и цинка, которые относятся к легко удаляемым металлам. В предлагаемом техническом решении одновременно с легко удаляемыми из сточной воды хромом, медью, железом и цинком достигается удаление из воды свинца и никеля.

Помимо этого, предлагаемый сорбент позволяет улучшить экологическую обстановку путем утилизации отходов сельскохозяйственного производства и станций водоподготовки. Таким образом, достигнут технический результат предлагаемого изобретения.

Предлагаемый сорбент найдет применение в извлечении тяжелых металлов из поверхностных сточных вод и будет использован для очистки территорий и водоемов, подвергшихся загрязнению тяжелыми металлами, на урбанизированных территориях.

Изобретение относится к области сорбционных технологий извлечения тяжелых металлов из поверхностных сточных вод и может быть использовано для очистки территорий и водоемов, подвергшихся загрязнению тяжелыми металлами, на урбанизированных территориях. Сорбент для очистки сточных вод от тяжелых металлов включает лузгу гречихи, скорлупу грецкого ореха, лузгу конопли и отходы станций водоподготовки при следующем соотношении компонентов, мас.%: гранулы из лузги гречихи - 25-27; скорлупа грецкого ореха - 23-25; лузга конопли - 23-25; отходы станций водоподготовки - остальное. При этом из лузги гречихи изготовлены цилиндрические гранулы с гладкой поверхностью длиной 5,0-5,3 мм и диаметром 6,0-6,3 мм. Скорлупа грецкого ореха измельчена до размера частиц 4-6 мм и подвергнута карбонизации в течение 14-16 минут при температуре 295-300°С. Лузгу конопли используют в виде оболочек семян. Отходы станций водоподготовки обожжены при температуре 600°C в течение 5 часов. Обеспечивается повышение степени очистки и расширение спектра извлекаемых металлов. 1 табл., 5 пр.

Сорбент для очистки сточных вод от тяжелых металлов в виде смеси, включающий лузгу гречихи, отличающийся тем, что сорбент дополнительно содержит следующие компоненты: скорлупу грецкого ореха, измельченную до величины частиц 4-6 мм, подвергнутую карбонизации в течение 14-16 минут при температуре 295-300°С, лузгу конопли в виде оболочек семян, отходы станций водоподготовки, обожженные при температуре 600°C в течение 5 часов, а из лузги гречихи изготовлены цилиндрические гранулы с гладкой поверхностью длиной 5,0-5,3 мм и диаметром 6,0-6,3 мм; при следующем соотношении компонентов, мас.%:

гранулы из лузги гречихи 25-27 скорлупа грецкого ореха 23-25 лузга конопли 23-25 отходы станций водоподготовки остальное