способ получения сорбента для очистки воды от ионов железа и марганца

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к неорганическим материалам, предназначенным для очистки питьевой воды от растворимых примесей тяжелых металлов, может найти применение для удаления из воды растворимых примесей железа и марганца.

Известен способ очистки жидких радиоактивных отходов от растворимых примесей Eu-152, Eu-154, Eu-155, Cs-137, Co-60 (патент РФ 2345430 «Способ очистки жидких радиоактивных отходов», МПК G21F 9/06, опубл. 27.01.2009), согласно которому жидкие радиоактивные отходы обрабатывают в электрохимическом аппарате с растворимыми электродами из титанового сплава и, радионуклиды отделяют путем сорбции, которую осуществляют фильтрованием раствора через слой углеродного сорбента. Согласно этому способу обработку жидких радиоактивных отходов осуществляют путем анодного растворения электродов при плотности тока 5-20 А/м², межэлектродном расстоянии 3-50 мм и напряжении 7-40 В при pH раствора 7,4-11,0.

Недостатками способа являются его высокая энергоемкость, а также необходимость транспортировки жидких радиоактивных отходов из накопительной емкости в электролизер.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по использованию, технической сущности и достигаемому техническому результату является гранулированный неорганический сорбент и способ его получения (патент РФ 2032460 «Гранулированный неорганический сорбент и способ его получения», МПК B01J 20/06, опубл. 10.04.1995), который представляет собой двухфазный твердый раствор с кристаллическими структурами типа анатаза и рутила с содержанием анатаза в нем от 1 до 99%, модифицированный добавками SnO₂, ZrO₂ и представляющий собой гранулы близкие к сферическим, диаметром 0,001-3,000 мм. Он и принят за прототип изобретения.

Недостаток изобретения «Гранулированный неорганический сорбент и способ его получения» заключается в следующем низкая сорбционная способность предлагаемого неорганического сорбента, связанная с его гранулированием и модифицированием диоксидом олова и другими добавками, в результате чего площадь удельной поверхности сорбента снижается.

Задачей изобретения является повышение сорбционной способности сорбента для очистки воды от ионов железа и марганца за счет его обработки ультразвуком (0,15 Вт/м², 22 кГц) в водных растворах щелочей и кислот.

Поставленная задача достигается тем, что способ получения сорбента включает обработку диоксида титана, состоящего из кристаллических фаз анатаза и рутила, ультразвуком в 0,2 н. растворе NaOH или HCl в течение 10 мин, затем сорбент промывают декантацией не менее 3 раз и сушат при температуре 110°C.

При этом достигается снижение концентрации примесей ионов железа (II) с 3 до 0,51 мг/л, примесей ионов марганца с 1 до 0,24 мг/л при обработке сорбента в щелочном растворе (0,2 н.). В то же время получено снижение концентрации примесей ионов железа (II) с 3 до 1,12 мг/л, примесей ионов марганца с 1 до 0,31 мг/л при обработке сорбента в кислом растворе (0,2 н.).

Согласно полученным экспериментальным данным (таблица) при введении в очищаемый раствор сорбента, активированного обработкой ультразвуком, достигается снижение концентрации примесей железа в 6 раз, примесей марганца в 4 раза (сорбент активирован в щелочной среде).

Таблица Остаточное содержание примесей Fe⁺² и Mn⁺² после их сорбции образцами TiO₂ Образцы сорбента TiO₂ в NaOH TiO₂ в HCl Введено - найдено Введено 3 мг/л Fe⁺² Введено 1 мг/л Mn⁺² Введено 3 мг/л Fe⁺² Введено 1 мг/л Mn⁺² Найдено через 20 мин, мг/л 0,53 0,24 1,12 0,31

В присутствии сорбента, активированного в кислой среде, получено снижение концентрации ионов железа и марганца в 3 раза.

Пример: Образец диоксида титана, состоящий из кристаллических фаз анатаза и рутила, помещают в 0,2 н. растворы NaOH или HCl (процесс проводят отдельно), обрабатывают ультразвуком (0,15 Вт/м², 22 кГц) в течение 10 мин. После этого образцы TiO₂ промывают от остатков NaOH или HCl декантацией не менее 3 раз и сушат при температуре 110°C. Навеску полученного сорбента (0,2 г) смешивают с модельными растворами (100 мл), содержащими примеси ионов железа и марганца, 3 и 1 мг/л, соответственно, выдерживают 20 мин. Полученную суспензию, для равномерного распределения сорбента, обрабатывают в течение 5 мин ультразвуком. Сорбент, содержащий примеси, отделяют методом седиментации или центрифугированием (10000 мин^-1). Очищенную воду подвергают фотометрическому анализу на остаточное содержание примесей, согласно принятым на территории Российской Федерации ГОСТам (ГОСТ 4011 - 72. Вода питьевая. Методы измерения массовой концентрации общего железа, ГОСТ 4974 - 72. Вода питьевая. Методы определения содержания марганца). Полученные результаты обрабатывают с использованием калибровочных графиков. В таблице приведены результаты расчетов остаточного содержания примесей Fe⁺² и Mn⁺² после их сорбции образцами TiO₂. При обработке TiO₂ ультразвуком происходит его взаимодействие с молекулами воды в условиях кавитации с образованием оксогидроксидных функциональных групп, которые способны удерживать примеси на своей поверхности за счет образования водородных связей и ван-дер-ваальсова взаимодействия.

Путем активирования сорбента ультразвуком в щелочной и кислой средах достигнуто снижение концентрации растворимых примесей железа и марганца в 6 и 4 раза, соответственно, за счет активирования сорбента в щелочной среде и в 3 раза - в кислой.

Способ получения сорбента для очистки воды от ионов железа и марганца, включающий обработку диоксида титана, состоящего из кристаллических фаз анатаза и рутила ультразвуком в 0,2 н растворе NaOH или НСl в течение 10 мин, затем сорбент промывают декантацией не менее 3 раз и сушат при температуре 110°C.