СОРБЕНТ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДНЫХ СРЕД ОТ ФТОРА Российский патент 2025 года по МПК C02F1/28 C02F1/58 B01J20/04 B01J20/08 B82Y30/00 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к сорбентам для извлечения фтора из грунтовых вод, поверхностных водных систем и сточных вод различных предприятий. Заявляемое изобретение может найти применение на локальных водозаборах, различных промышленных предприятиях, средних и крупных водоочистных комплексах, а также в индивидуальных системах очистки питьевой воды.

Известен СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО СОРБЕНТА ДЛЯ ОБЕСФТОРИВАНИЯ ВОДЫ (RU 2424053 от 11.11.2009, опубл. 20.07.20011 г.), в котором при обработке воды используют ископаемый природный уголь фракции 0,3-2 мм и обработку осуществляют последовательно раствором лимонной кислоты, раствором карбоната натрия, водой и затем раствором сернокислого алюминия. Сорбционная емкость полученного сорбента по фтору составляет 1,5 мг на 1 г сорбента при скорости фильтрации воды 8-12 м/час.

К недостаткам можно отнести многостадийность способа получения. Кроме того, при получении сорбента используют ископаемый природный уголь с фракцией 0,3-2 мм, где нижний размер гранул (0,3 мм), является очень малым, что может создавать при его эксплуатации повышенное гидродинамическое сопротивление, особенно при его малой насыпной плотности, что приведёт к его уплотнению в процессе динамического использования материала. Также следует отметить недостаточную сорбционную ёмкость материала (1,5 мг на 1 г сорбента).

Известен СПОСОБ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ИЛИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ФТОРА И/ИЛИ ФОСФАТОВ (RU 2528999 от 28.02.2013г., опубл.20.09.2014), в котором заявлено, что сорбент состоит из частиц сульфата кальция, иммобилизованных на фибриллированных целлюлозных волокнах, содержащих в мас.% не менее 95% волокон с длиной не более 1,2 мм и не менее 55% волокон с длиной не более 0,6 мм, в количестве 100-1200 мас.ч. сульфата кальция на 100 мас.ч. волокон, а в качестве твердых продуктов обработки получают композиционный материал, состоящий из указанных волокон и иммобилизованных на них частиц фтористого и/или фосфорнокислого кальция.

Недостаток заявляемого сорбента заключается в том, что материал имеет волокнистую основу и существуют сложности в применении во многих водоочистных технологиях и оборудовании, в практической водоочистке.

Известен СОРБЕНТ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ (RU 2328341 от 09.01.2007, опубл. 10.07.2008), состоящий из измельченного цеолита и нанофазного материала, который включает в себя гидроксид железа, а также дополнительно содержит нанофазный бемит при следующем соотношении компонентов, мас.%: нанофазный гидроксид железа 12-18; нанофазный бемит 5-13; цеолит остальное.

К недостаткам данного сорбента можно отнести малый размер сечения пор носителя, что препятствует проникновению в них соединений железа и алюминия и формированию на внутренней поверхности цеолита гидроксидов железа и алюминия. В результате этого активные компоненты оседают на внешней поверхности цеолита, что снижает площадь эффективной поверхности сорбента. Кроме того, наличие в сорбенте наночастиц в свободном состоянии хоть и увеличивает эффективную площадь поверхности, однако значительно ухудшает гидродинамические показатели процесса очистки.

Целью представленного изобретения является создание нового сорбента, который мог бы эффективно извлекать из водной среды фтор, с высокими начальными концентрациями.

Техническим результатом изобретения является увеличение ёмкости разработанного сорбента для очистки водных сред от фтора, при уменьшении его гидродинамического сопротивления, увеличении адсорбционной поверхности и механической прочности.

Технический результат заключается в том, что сорбент для очистки водных сред от фтора, состоящий из носителей минералов и активного компонента, где в качестве носителей минералов используют гроссит и арагонит, а в качестве активного компонента применяют оксигидроксид алюминия, при следующем соотношении компонентов, мас.%:оксигидроксид алюминия - 8; гроссит - 46; арагонит - 46.

Заявляемое изобретение дает возможность получить технический результат, который повышает эффективность очистки водных сред от ионов фтора, благодаря увеличению площади активной поверхности.

За счет использования носителя минерала гроссита измельченого, содержащего диалюминат кальция, сорбент для очистки водных сред от фтора способен более эффективно извлекать загрязнитель из воды. Гроссит также обладает хемосорбционными свойствами по извлечению фтора из воды. Оба этих фактора повышают его сорбционную способность.

В результате применения носителя минерала арагонита, имеющего в своём составе карбонат кальция, происходит повышение сорбционных и осадительных свойств сорбента, при извлечении ионов фтора из воды. Сочетание этих факторов придаёт арагониту повышенные водоочистные характеристики.

Выбранные минеральные носители имеют свойства к удалению ионов фтора из водной среды и обладая достаточной прочностью, располагают уменьшенным гидродинамическим сопротивлением, по сравнению с аналогами.

За счёт применения в качестве активного компонента нановолокон оксигидроксида алюминия, получаемому сорбенту придаются повышенные сорбционные свойства, при извлечении ионов фтора из водных сред. Это достигается селективным связыванием фторид-ионов в прочные алюмофторидные комплексы на поверхности минеральных носителей. А так как оксигидроксид алюминия представлен в нанофазном состоянии, то сорбционные свойства значительно возрастают. Сами по себе нановолокна оксигидроксида алюминия не представляется возможным применять в практической водоочистке, из-за их малого размера. Но иммобилизованные на поверхности минеральных носителей, имеющих свойство к извлечению из воды фторид-ионов, они многократно увеличивают активную поверхность минералов и, тем самым, водоочистные характеристики.

Данное сочетание представленных компонентов наилучшим образом обеспечивает результат извлечения ионов фтора из водной среды.

Результатом является сорбент, содержащий достаточное количество оксигидроксида алюминия на поверхности носителя, что значительно увеличивает площадь эффективной поверхности продукта и позволяет повысить количество активного компонента в виде нановолокон, в отличие от сорбентов аналогов.

Получение сорбента для очистки водных сред от фтора решается следующим образом. Берут носители минералов в виде гроссита и арагонита, и измельчают их в агатовой ступке. Далее отсеивают измельченные носители до необходимых по размеру гранул, на ситах в интервале от 0,7 до 1,4 мм. Затем навески носителей измельченного гроссита и арагонита, в количестве 2,5 г каждого, помещают в лабораторный стеклянный стакан объёмом 2 дм³, с последующим добавлением в него дистиллированной воды объемом 0,5 дм³. Нижнюю часть стеклянного стакана, с содержимым, оборачивают базальтовой тканью и устанавливают на электрическую плитку, с нагревом содержимого до 60°С. Затем добавляют водный раствор NaOH с концентрацией 20 граммов на литр, и доводят до pH = 10. Добавляют в общий объём заранее взвешенный алюминиевый порошок пищевой марки АД1, с размером фракции менее 0,1 мм, в количестве 0,42 грамма. При описанных условиях ведут процесс синтеза в течении 50 минут, при периодическом перемешивании. Температуру процесса контролируют с помощью термометра. После проведения процесса синтеза отключают электроплиту и остужают реакционную среду до комнатной температуры. Далее выгружают содержимое стакана на фильтр из вискозной ткани и отмывают (фильтруют) продукт при использовании воронки Бюхнера и колбы Бунзена. Фильтрация проводится дистиллированной водой до нейтрального pH продукта при использовании разряжения создаваемого вакуумным насосом. После промывки, отфильтрованный материал сушат в сушильном шкафу, при 110°С, до полного удаления влаги.

За счёт проведённого синтеза, осуществляется образование и иммобилизация нановолокон оксигидроксида алюминия на поверхности минеральных носителей, что придаёт им дополнительную активную удельную поверхность и тем самым увеличивает сорбционные свойства. Приготовленный в процессе синтеза сорбент, на основе гроссита и арагонита, используют для дальнейших исследований.

Пример практической реализации получения сорбента и его адсорбционной активности приведён ниже.

Пример 1.

Для получения заявленного сорбента, на одну загрузку берут измельченные минералы гроссит и арагонит, при соотношении компонентов, мас.%: оксигидроксид алюминия 8; гроссит 46; арагонит 46.

Минералы гроссит и арагонитит измельчают в агатовой ступке, далее на ситах (размер ячеи 0,7 мм и 1,4 мм) отсеивают до нужной фракции гранул 0,7-1,4 мм. Затем берут навеску измельченного гроссита, массой 2,5 г, а также арагонита, массой 2,5 г и проводят процесс иммобилизации нановолокон оксигидроксида алюминия на их поверхности. Для этого, измельченные минеральные носители с общей массой 5 г, помещают в лабораторный стеклянный стакан (2 дм³), заливают в него дистиллированную воду, в количестве 0,5 дм³. Добавляют водный раствор NaOH с концентрацией 20 граммов на литр, до доведения pH = 10. Затем, нижнюю часть стакана оборачивают в базальтовую ткань и ставят его на электрическую плитку, с нагреванием содержимого. Процесс нагрева реакционной среды ведут до 60°С, с дальнейшим добавлением в неё алюминиевого порошка пищевой марки АД1, с размером фракции менее 0,1 мм, в количестве 0,42 грамма.

Синтез сорбента проводят при периодическом перемешивании, в течении 50 минут, придерживаясь температуры 60°С. Затем полученный сорбент подвергают многократной промывке дистиллированной водой, до достижения нейтральной рН среды промывных вод. Далее осадок отфильтровывают на воронке Бюхнера с помощью вакуумного насоса. Отфильтрованный осадок подвергают сушке при температуре от 110°С, до полного удаления влаги.

Величину удельной поверхности и удельный объём пор, у представленного сорбционного материала, определяют с помощью метода тепловой десорбции азота, на приборе «СОРБТОМЕТР М». Удельная поверхность - 71,85 м²/г; удельный объём пор - 0,031 см³/г.

Исследования полученного сорбента и материалов аналогов, на определение их статической сорбционной ёмкости по отношению к ионам фтора, проводят следующим образом.

Навеску изучаемого сорбента весом 0,7 г погружают в стеклянный стакан (100 см³), куда затем заливают модельный раствор в количестве 70 см³. Затем стакан ставят на магнитную мешалку и производят перемешивание в течение 150 минут. Модельные растворы, содержащие ионы фтора готовят на дистиллированной воде с использованием фторида натрия (NaF), при концентрации 250,2 мг/дм³. После проведения процесса перемешивания, раствор на воронке отфильтровывают через бумажный фильтр «синяя лента». Анализ на содержание ионов фтора, в определяемых модельных и отфильтрованных растворах, осуществлялся с помощью прибора pH-метр-иономер «Эксперт-001».

За результат испытания принимают среднее арифметическое значение результатов трех параллельных определений, допускаемое расхождение между которыми не должно превышать 5%.

В таблице 1 приведен сравнительный анализ статической сорбционной ёмкости заявляемого сорбента с аналогами.

Таблица 1.

Наименование материала Концентрация ионов фтора в модельном растворе, мг/дм³ Статическая сорбционная ёмкость, мг/г Заявляемый сорбент 250,2 21,8 Аналог 1 12,6 Аналог 2 15,1

Как видно по результатам табличных данных, разработанный сорбент для очистки водных сред от фтора имеет значения по статической сорбционной ёмкости значительно выше, чем у материалов аналога 1 по патенту RU 2424053 и аналога 2 по патенту RU 2328341.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к сорбентам для извлечения фтора из грунтовых вод, поверхностных водных систем и сточных вод различных предприятий. Сорбент для очистки водных сред от фтора состоит из носителей минералов и активного компонента. В качестве носителей минералов используют гроссит и арагонит, а в качестве активного компонента применяют нановолокна оксигидроксида алюминия, при следующем соотношении компонентов, мас.%: нановолокна оксигидроксида алюминия – 8; гроссит – 46; арагонит – 46. Обеспечивается увеличение сорбционной ёмкости  сорбента, при уменьшении его гидродинамического сопротивления, увеличении адсорбционной поверхности и механической прочности. 1 табл., 1 пр.

Сорбент для очистки водных сред от фтора, состоящий из носителей минералов и активного компонента, отличающийся тем, что в качестве носителей минералов используют гроссит и арагонит, а в качестве активного компонента применяют нановолокна оксигидроксида алюминия, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

нановолокна оксигидроксида алюминия – 8;

гроссит – 46;

арагонит – 46.