СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОГО УГЛЕРОДНОГО СОРБЕНТА Российский патент 2025 года по МПК C02F1/28 B01J20/20 B01J20/30 

Изобретение относится к способам получения модифицированных углеродных сорбентов при наложении поляризации от внешнего источника тока, что позволяет увеличить их сорбционную способность в очистке сточных вод предприятий химической промышленности, содержащих ионы металлов.

Наиболее важным показателем углеродных сорбентов является их сорбционная способность, которая зависит от удельной поверхности, состояния поверхности и наличия функциональных групп на поверхности сорбента. Для повышения сорбционной способности углеродных сорбентов их подвергают модификации.

Известен способ получения модифицированного активного угля, который включает приготовление раствора модификатора, пропитку угля и его сушку. В качестве модификатора используют кверцетин, альгиновую кислоту или ее соли щелочных металлов, причем используют активный уголь с отношением объема микропор к суммарному объему пор 0,3÷0,4, а пропитку ведут водным раствором модификатора при соотношении объемов пропитки и угля 0,8÷1,0 [Патент № 2104927 C1, Российская Федерация, МПК C01B 31/16, B01J 20/20. Способ получения модифицированного активного угля : № 96124758/25 : заявл. 31.12.1996 : опубл. 20.02.1998].

Недостатком этого способа является низкая эффективность сорбции по катионам тяжелых металлов, использование специальных модификаторов для пропитки сорбентов, трудоемкость способа.

Известен способ электросорбции ионов цезия из водного раствора на активированном угле марки ДАК при одновременной катодной поляризации угля [Свешникова Д.А., Хамизов Р.Х., Атаев М.Б., Амиров А.М. и др. Исследование закономерностей электросорбции ионов цезия активированным углем ДАК // Сорбционные и хроматографические процессы. 2016. Т.16. №3. С.270-280].

Недостатком способа служит энергоемкость процесса электросорбции, что не позволяет извлекать ионы тяжелых металлов из сточных вод больших объемов.

Известен способ модифицирования углеродных сорбентов [Гимаева А.Р., Валинурова Э.Р., Игдавлетова Д.К., Петрова О.П., Кудашева Ф.Х. Исследование процессов сорбции ионов свинца и цинка из воды активированными углеродными адсорбентами // Сорбционные и хроматографические процессы. 2012. Т.12. №2. С.267 - 273], в котором в качестве окислителей широко применяются соляная и серная кислоты. Модифицированные таким образом углеродные сорбенты являются катионообменниками, обладают сорбционной активностью по отношению к ионам металлов благодаря тому, что содержат карбоксильные, лактонные, фенольные группы на поверхности.

Недостатки способа связаны с большим расходом высококонцентрированных реагентов, затратами электроэнергии на термообработку, а также характеризуется длительностью процесса модификации и токсичностью используемых реагентов, наличием вредных отходов.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности модификации углеродного сорбента является способ получения окисленного угля из растительного сырья для очистки сточных вод от ионов меди (прототип) [Патент № 2329948 C1 Российская Федерация, МПК C01B 31/08, B01J 20/20. Способ получения окисленного угля из растительного сырья для очистки сточных вод от ионов меди : № 2007103696/15 : заявл. 30.01.2007 : опубл. 27.07.2008], включающий обработку углеродного сорбента азотной кислотой в течение 3 ч при температуре 75-85 °C или перекисью водорода химическим способом с использованием 15% раствора или электрохимическим в ячейке с анодом из платиновой сетки, электролитом 5 М раствором серной кислоты при плотности тока 14±1 мА/см² в течение 20 мин. На эффективность модифицирования углеродного сорбента, т.е. на степень его окисления заметное влияние оказывают условия проведения реакции окисления, а именно: концентрация реагента, температура и время обработки. Этот способ выбран за прототип.

Недостатками указанного способа являются энергозатратность для нагрева раствора электролита, использование дорогостоящих платиновых электродов и агрессивных концентрированных кислот, необходимость в промывке угля после модифицирования, в результате которой образуются сточные воды.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа модифицирования углеродного сорбента, снижение энергозатрат на его реализацию, повышение экологичности способа при сохранении сорбционной способности сорбента без снижения эффективности очистки сточных вод от ионов металлов.

Поставленная задача достигается путем разработки способа получения модифицирования углеродного сорбента, который заключается в электрохимической обработке углеродного сорбента в ячейке с катионообменной мембраной, разделяющей анодное и катодное пространства, с использованием нерастворимых электродов ОРТА (оксидный рутениево-титановый электрод) при наложении катодной поляризации и плотности тока 1 А⋅г^-1 в течение 15 минут в растворе 5 % NaCl при объемном соотношении углеродный сорбент : раствор католита, равном 1:5.

Наложение катодной поляризации приводит к смещению электрокинетического потенциала углеродного сорбента в отрицательную область потенциалов, что приводит к росту сорбционной емкости угля в отношении катионов металлов.

В предлагаемом способе исключается использование агрессивных реагентов - концентрированных кислот, что приводит к повышению экологичности способа. Затраты процесса снижаются за счет использования менее дорогих нерастворимых электродов ОРТА.

Способ подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Углеродный сорбент смачивают в растворе 5 % NaCl (католит) в объемном соотношении 1:5 и помещают в ячейку с катионообменной мембраной и катодом ОРТА. Ячейку и катод опускают в раствор 5 % NaCl. Модифицирование углеродного сорбента проводят в ячейке при наложении катодной поляризации при плотности тока 1 А⋅г^-1 в течение 15, 20 и 40 минут. После модифицирования углеродный сорбент высушивают при 100 °С. Далее проводили сорбцию ионов Cu²⁺ на модифицированном сорбенте в статическом режиме в течение 60 мин при соотношении углеродный сорбент : раствор 50 мг/л Cu²⁺, равном 1:125 . Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Влияние продолжительности процесса модифицирования углеродного сорбента на эффективность сорбционной очистки раствора от ионов Cu²⁺

Продолжительность модификации, мин Электрокинетический потенциал углеродного сорбента после модифицирования, мВ Степень очистки раствора от Cu²⁺, % Электрокинетический потенциал углеродного сорбента после сорбции, мВ 0 -5 10 +5,7 15 -19 … -20 66 +5 … +5,5 20 66 40 67

Из результатов видно, что катодная обработка позволяет увеличить сорбционную способность угля в шесть раз. Увеличение продолжительности катодной обработки практически не приводит к увеличению эффективности очистки раствора, обработка в течение 15 минут является оптимальной.

Пример 2. Модифицирование углеродного сорбента проводят в последовательности и условиях, описанных в примере 1, с тем отличием, что процесс модифицирования осуществляют при плотности тока 1-3 А⋅г^-1 в течение 15 мин.

Далее проводилась сорбция ионов Cu²⁺ из раствора как описано в примере 1. Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Влияние плотности тока процесса модифицирования углеродного сорбента на эффективность сорбционной очистки

Плотность тока, А⋅г^-1 Степень очистки раствора от Cu²⁺, % 0 10 1 66 2 69 3 73

Из результатов видно, что увеличение плотности тока при катодной обработке от 1 до 3 А⋅г^-1 не приводит к существенному увеличению эффективности очистки раствора, обработка при плотности тока 1 А⋅г^-1 является оптимальной.

В таблице 3 представлены сравнительные условия процесса модифицирования углеродного сорбента по заявляемому способу и прототипа, а также последующей очистки сточных вод на примере сорбции ионов Cu²⁺.

Таблица 3 - Сравнительные данные модифицированию углеродного сорбента и последующей сорбции на нем ионов Cu²⁺ заявляемого способа и прототипа

Параметр Прототип Заявляемый Модифицирование: Установка Без разделения, электрохимическое модифицирование в объеме раствора С разделением катионообменной мембраной катодного пространства Способ модифицирования Электрохимический Электрохимический, наложение катодной поляризации Материал электрода Платина Оксидный рутениево-титановый электрод Раствор для модификации 5 М H₂SO₄ 5 % NaCl Продолжительность модификации, мин 20 15 Сорбция Т:Ж 1:20 1:125 Начальная концентрация ионов Cu²⁺, мг/л 0,041 50 Эффективность очистки, % 51 66 (рН = 4)
89 (рН = 6 - 7)

Таким образом, заявляемый способ позволяет сократить продолжительность модифицирования углеродного сорбента с 20 до 15 минут, отказаться от агрессивных реагентов (серной кислоты), тем самым повысить экологичность процесса, при повышении сорбционной способности углеродного сорбента (эффективности очистки сточных вод от катионов металлов).

Изобретение относится к способам получения модифицированных углеродных сорбентов. В способе модифицирования углеродного сорбента осуществляют электрохимическую обработку углеродного сорбента в ячейке с катионообменной мембраной, разделяющей анодное и катодное пространства. Используют нерастворимые оксидные рутениево-титановые электроды. Способ осуществляют при наложении катодной поляризации и плотности тока 1 А⋅г^-1 в течение 15 минут в растворе 5 % NaCl. Объемное соотношениие углеродный сорбент : раствор католита равно 1:5. Обеспечивается снижение энергозатрат на реализацию способа, повышение экологичности способа при сохранении сорбционной способности сорбента без снижения эффективности очистки сточных вод от ионов металлов. 3 табл., 2 пр.

Способ модифицирования углеродного сорбента, заключающийся в том, что осуществляют электрохимическую обработку углеродного сорбента в ячейке с катионообменной мембраной, разделяющей анодное и катодное пространства, с использованием нерастворимых оксидных рутениево-титановых электродов при наложении катодной поляризации и плотности тока 1 А⋅г^-1 в течение 15 минут в растворе 5 % NaCl при объемном соотношении углеродный сорбент : раствор католита, равном 1:5.