Спосіб очищення вод, забруднених важкими металами, радіонуклідами, у присутності органічних речовин різної природи

Реферат: Винахід належить до способу очищення техногенно забруднених вод з використанням наносорбенту на основі кремнієвої кислоти, термічної обробки та активації, де наносорбент синтезують в об'ємі техногенно забрудненої рідини. UA 77123 U (12) UA 77123 U UA 77123 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі хімії/фізики, зокрема до способів очищення техногенно забруднених розчинів, що містять важкі метали, радіонукліди, у присутності органічних речовин різної природи, а саме до способів очищення вод, забруднених важкими металами, радіонуклідами, у присутності органічних речовин різної природи, і може бути використане в технологіях очищення радіоактивно забруднених вод ABC, на підприємствах ядерно-паливного циклу, а так само стічних вод підприємств, які містять важкі метали. 1+ 2+ 2+ 2+ Для очищення техногенно забруднених вод від Cs , Sr , Co , Сu і інших полютантів широке поширення одержали методи сорбції, при яких рідина, що підлягає очищенню, контактує з речовиною (сорбент). В результаті такої взаємодії полютанти з дисперсійного середовища мігрують у тверду фазу. На сьогоднішній час створений цілий клас сорбентів, що мають високу сорбційну активність та селективність. Істотним недоліком таких сорбентів є необхідність присутності розвиненої поверхні, за допомогою якої відбувається взаємодія твердої та рідкої фази. Слід зазначити, що при створенні сорбентів з великою питомою поверхнею, одержують частинки з підвищеною кількістю нанокапілярів, процеси сорбції в яких значно уповільнюються. Значне поширення також одержали нанокомпозиційні сорбенти, що мають високу сорбційиу активність та селективність до ряду катіонів [1]. Відомий спосіб очищення забруднених вод, що включає завантаження залізовмісного сорбенту на основі високодисперсного гематиту, модифікованого поліалюмоетилсиліконатом натрію з наступною його термообробкою при температурі 150-160 °C протягом 60-70 хвилин, при цьому сорбцію ведуть при температурі стічних вод 20-60 °C, незалежних значеннях рН середовища та швидкості фільтрації 2-5 м/год. [2]. До недоліків відомого способу належить те, що спосіб не забезпечує підвищення ступеня очищення стічних вод і радіаційної безпеки відпрацьованих сорбентів на основі залізооксидних систем. Відомий спосіб очистки стічних вод від радіоактивного Cs-137, що включає завантаження залізовмісного сорбенту на основі магнетиту у воду, що очищується, сорбцію до встановлення сорбційної рівноваги з наступною термообробкою при температурі 150-160 °C протягом 60-70 хв, при цьому сорбцію ведуть у статичних умовах при незалежних значеннях рН середовища, а завантаження сорбенту проводять при температурі стічних вод 20-60 °C, причому час досягнення сорбційної рівноваги становить 5-10 хвилин [3]. До недоліків відомого способу належить те, що спосіб не забезпечує високий ступінь очищення стічних вод від одновалентних радіоактивних ізотопів і радіаційної безпеки відпрацьованих сорбентів на основі залізооксидних систем. До того ж до недоліків способу належить складність технологічного процесу очищення стічних вод. Найбільш близьким технічним рішенням, як за суттю, так і за задачею, що вирішується, яке вибрано за найближчий аналог (прототип), є спосіб очищення вод, забруднених важкими металами, радіонуклідами, у присутності органічних речовин різної природи, що включає завантаження техногенно забрудненої рідини з наступною її термообробкою та активацією [4]. До недоліків відомого способу, який вибрано за найближчий аналог (прототип), належить те, що спосіб не забезпечує високий ступінь очищення стічних вод від радіоактивних ізотопів (важких металів, радіонуклідів тощо) і радіаційну безпеку відпрацьованих сорбентів. До того ж до недоліків способу належить складність технологічного процесу очищення стічних вод, забруднених важкими металами, радіонуклідами тощо. В основу корисної моделі поставлено задачу шляхом введення до технологічного процесу очищення вод технологічної операції щодо осадженням/коагуляцією синтезованих наночастинок полікремнієвих кислот в умовах впливу імпульсного магнітного поля, забезпечити підвищення ступеня очищення стічних вод, забруднених важкими металами, радіонуклідами тощо. Суть технічного рішення в способі очищення вод, забруднених важкими металами, радіонуклідами, у присутності органічних речовин різної природи, який включає завантаження техногенно забрудненої рідини з наступною її термообробкою та активацією, полягає в тому, що синтез наносорбента проводять в об'ємітехногенно забрудненої рідини з наступними осадженням/коагуляцією синтезованих наночастинок в умовах впливу імпульсного магнітного поля та відділенням твердої фази від рідкої. Суть корисної моделі полягає і в тому, що термообробку техногенно забрудненої рідини, що містить полютанти, проводять при температурі +60-95 °C, а активацію проводять шляхом внесення у нагріту рідину, при інтенсивному перемішуванні, розчину кремнієвої кислоти, кількість якої визначається вмістом натрію при варіюванні співвідношення SiO2/Na2O від 0,1 до 7 в залежності від складу розчину. Суть корисної моделі полягає також і в тому, що для осадження/коагуляції синтезованих наночастинок полікремнієвих кислот використовують колоїдні наночастинки магнетиту, які 1 UA 77123 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 одержують у тому ж самому розчині з суміші солей дво- і тривалентного заліза у співвідношенні 1:2 і рН більше 8. Рішення технічної задачі в способі очищення вод, забруднених важкими металами, радіонуклідами, у присутності органічних речовин різної природи, що заявляється, дійсно можливе тому, що: - шляхом внесення у нагріту рідину розчину кремнієвої кислоти, кількість якої визначається вмістом натрію при варіюванні співвідношення SiО 2/Na2O від 0,1 до 7, в залежності від складу розчину, забезпечують синтез наночастинок; - шляхом проведення етапу осадження/коагуляції синтезованих наночастинок в умовах впливу імпульсного магнітного поля забезпечують нанорозміри композиту; - шляхом використання для осадження/коагуляції попередньо синтезованих наночастинок наночастинок магнетиту (які одержують у тому ж розчині з суміші солей дво- і тривалентного заліза у співвідношенні 1:2 і рН більше 8) забезпечують утворення осаду, що містить інкорпоровані полютанти. Таким чином спосіб очищення вод, забруднених важкими металами, радіонуклідами, у присутності органічних речовин різної природи, що заявляється, відповідає критерію корисної моделі "новизна". Спосіб очищення вод, забруднених важкими металами, радіонуклідами, у присутності органічних речовин різної природи (що заявляється) [5, 6, 7], пояснюється за допомогою ілюстрацій, де на Фіг. 1 показано блок-схему поетапного виконання технологічних операцій, що у сукупності складають суть зазначеного способу, на Фіг. 2-3 показано технологічний процес, за допомогою якої здійснюється очищення вод, забруднених важкими металами, радіонуклідами, у присутності органічних речовин різної природи (як варіант технології з послідовністю виконання технологічних операцій). Спосіб очищення вод, забруднених важкими металами, радіонуклідами, у присутності органічних речовин різної природи здійснюється таким чином (див. блок-схему на Фіг. 1 та схеми на Фіг. 2-4). Починають технологічний процес очищення вод, забруднених важкими металами, радіонуклідами, у присутності органічних речовин різної природи (поверхнево активні речовини, комплексоутворювачі, органічні кислоти та інше) тим, що завантажують техногенно забруднену рідину (1) (що містить полютанти) у ємність (2) (див. схему на Фіг. 2). Далі проводять термообробку техногенно забрудненої рідини (1), при цьому термообробку техногенно забрудненої рідини, що містить полютанти, проводять при температурі +60-95 °C (див. схему на Фіг. 2). Продовжують технологічний процес тим, що активують техногенно забруднену рідину, при цьому активацію проводять шляхом внесення у нагріту рідину (при інтенсивному перемішуванні) розчину кремнієвої кислоти (3), кількість якої визначається вмістом натрію при варіюванні співвідношення SiO2/Na2O від 0,1 до 7 в залежності від складу розчину (див. схему на Фіг. 3). Далі здійснюють синтез наносорбента (див. схему на Фіг. 3), при цьому синтез наносорбента проводять в об'ємі техногенно забрудненої рідини з наступними осадженням/коагуляцією синтезованих наночастинок полікремнієвих кислот (див., відповідно, схему на Фіг. 4). Продовжують технологічний процес тим, що осаджують/коагулюють синтезовані наночастинки, при цьому осадження/коагуляцію синтезованих наночастинок полікремнієвих кислот проводять в умовах впливу імпульсного магнітного поля (позиція "ІМП") (див. схему на Фіг. 4). Технологічно для осадження/коагуляції синтезованих наночастинок (4) полікремнієвих кислот використовують наночастинки (5) магнетиту, які одержують у тому ж самому розчині з суміші солей дво- і тривалентного заліза у співвідношенні 1:2 і рН більше 8. Завершують технологічний процес відділенням твердої фази від рідкої, наприклад, шляхом фільтрування за допомогою фільтра/фільтрів (позиція 6) (див. схему на Фіг. 4). Спосіб очищення вод, забруднених важкими металами, радіонуклідами, у присутності органічних речовин різної природи підтверджується прикладами конкретного виконання (три варіанти). Приклад виконання 1. У робочу зону (з об'ємом V=1000 мл) спеціально сконструйованого реактора, оснащеного пристроєм для термостатування, мішалкою, скляним і хлорсрібним електродами для контролю значення рН, а також оснащеного набором індукційних котушок, вносилося 500 мл розчину, що 1+ 2+ 2+ 2+ містить Cs , Sr , Со і Сu у кількості 45-63 мг/л, і доливалося 50 мл 4 % розчину силікату натрію. При цьому рН системи становить 10-11. Затим у реакційну ємність при температурі та інтенсивному перемішуванні (1500-2000 об/хв) вносилося 70 мл 4 % розчину кремнієвої кислоти 2 UA 77123 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 протягом 1 години. Після внесення реагентів суміш витримувалася при температурі +70±5 °C протягом 2 годин для дозрівання полікремнієвих кислот. Після дозрівання колоїду в реакційну 2+ 3+ суміш повільно, протягом 1 години, вносилося 50 мл розчину солей Fe /Fe у співвідношенні 1:2 із загальною концентрацією заліза 5 г/л. Необхідну величину рН середовища коректувалося шляхом додавання в реакційну суміш необхідної кількості 8 % розчину NaOH таким чином, щоб рН суміші не знижувалося нижче 9. Протягом усього часу внесення в робочу зону розчину солей заліза на індукційні котушки подавався імпульсний струм, що забезпечує, несучу частоту модуляції імпульсу 4,5 кГц (тривалість імпульсу і=500±10 мкс, із частотою повторення імпульсів 1±0,1 Гц). Отриману систему охолоджували протягом трьох годин, після чого рідку й тверду фази розділяли методом фільтрування на фільтрі "синя стрічка" для тонких осадів. Отриманий фільтрат повинен бути прозорий і не містити зважених частинок. Після фільтрування отриманий осад висушували. Приклад виконання 2. У робочу зону (з об'ємом V=1000 мл) спеціально сконструйованого реактора, оснащеного пристроєм для термостатування, мішалкою, скляним і хлорсрібним електродами для контролю значення рН, а також оснащеного набором індукційних котушок, вносилося 500 мл розчину з 3 90 активністю 5-10 Бк/л по -фону, що містить нітрат Sr, і доливалося 50 мл 4 % розчину силікату натрію. При цьому рН системи становить 10-11. Після цього у реакційну ємність при температурі та інтенсивному перемішуванні (обертання мішалки зі швидкістю 1500-2000 об/хв) вносилося 70 мл 4 % розчину кремнієвої кислоти протягом 1 години. Після внесення реагентів суміш витримувалася при температурі +70±5 °C протягом 2 годин для дозрівання полікремнієвих кислот. Після дозрівання колоїду в реакційну суміш повільно, протягом 1 години, вносилося 50 2+ 3+ мл розчину солей Fe /Fe у співвідношенні 1:2 із загальною концентрацією заліза 5 г/л. Необхідна величина рН середовища коректувалася шляхом додавання в реакційну суміш необхідної кількості 8 % розчину NaOH таким чином, щоб рН суміші не знижувалося нижче 9. Протягом усього часу внесення в робочу зону розчину солей заліза на індукційні котушки подавався імпульсний струм, що забезпечує несучу частоту модуляції імпульсу 4,5 кГц (тривалість імпульсу і=500±10 мкс, із частотою повторення імпульсів 1±0,1 Гц). Отриману систему охолоджували протягом трьох годин, після чого рідку й тверду фази розділяли методом фільтрування на фільтрі "синя стрічка" для тонких опадів. Отриманий фільтрат повинен бути прозорий і не містити зважених часток. Після фільтрування отриманий осад висушували. Приклад виконання 3. У робочу зону (з об'ємом V=1000 мл) спеціально сконструйованого реактора, оснащеного пристроєм для термостатування, мішалкою, скляним і хлорсрібним електродами для контролю значення рН, а також оснащеного набором індукційних котушок, вносилося 500 мл розчину з 3 137 активністю 510 Бк/л по -фону, що містить нітрат Cs, і доливалося 50 мл 4 % розчину силікату натрію. При цьому рН системи становить 10-11. Потім у реакційну ємність при температурі та інтенсивному перемішуванні (при обертанні валу мішалки зі швидкістю 15002000 об/хв) вносилося 70 мл 4 % розчину кремнієвої кислоти протягом 1 години. Після внесення реагентів суміш витримувалася при температурі +70±5 °C протягом 2 годин для дозрівання полікремнієвих кислот. Після дозрівання колоїду в реакційну суміш повільно (протягом 1 години) 2+ 3+ вносилося 50 мл розчину солей Fe /Fe у співвідношенні 1:2 із загальною концентрацією заліза 5 г/л. Необхідну величину рН середовища коректували шляхом додавання в реакційну суміш необхідної кількості 8 % розчину NaOH таким чином, щоб рН суміші не знижувалося нижче 9. Протягом усього часу внесення в робочу зону розчину солей заліза на індукційні котушки подавався імпульсний електричний струм, що забезпечує несучу частоту модуляції імпульсу 4,5 кГц (тривалість імпульсу і=500±10 мкс, із частотою повторення імпульсів 1±0,1 Гц). Отриману систему охолоджували протягом трьох годин, після чого рідку й тверду фази розділяли методом фільтрування на фільтрі "синя стрічка" для тонких опадів. Отриманий фільтрат повинен бути прозорий і не містити зважених часток. Після фільтрування отриманий осад висушували. Підвищення ефективності застосування способу очищення вод, забруднених важкими металами, радіонуклідами, у присутності органічних речовин різної природи, у порівнянні з прототипом, досягається внесенням у нагріту рідину розчину кремнієвої кислоти (кількість якої визначається вмістом натрію при варіюванні співвідношення SiO 2/Na2O від 0,1 до 7, в залежності від складу розчину), що забезпечує синтез наночастинок. Підвищення ефективності застосування способу очищення вод, забруднених важкими металами, радіонуклідами, у присутності органічних речовин різної природи, у порівнянні з прототипом, досягається й проведенням етапу осадження/коагуляції синтезованих 3 UA 77123 U 5 10 15 20 25 наночастинок в умовах впливу імпульсного магнітного поля, що забезпечує нанорозміри композиту. Підвищення ефективності застосування способу очищення вод, забруднених важкими металами, радіонуклідами, у присутності органічних речовин різної природи, у порівнянні з прототипом, досягається також використанням для осадження/коагуляції синтезованих наночастинок наночастинок магнетиту (які одержують у чому ж розчині з суміші солей двох і трьох валентного заліза у співвідношенні 1:2 і рН більше 8), що забезпечує утворення осаду, який містить інкорпоровані полютанти. Джерела інформації: 1. Забулонов Ю.Л., Литвиненко Ю.В., Кадошников В.М., Кузенко С.В. Нанокомпозиционные системы как сорбенты техногенно загрязненных вод / Техногенно-екологічна безпека та цивільний захист. Вип. 3 - Київ - Кременчук, 2011. 2. Патент Російської Федерації № 2172297 від 20.08.2001 р. "Способ очистки сточных вод", МПК 8 С 02 F 1/28, В 01 J 20/32 - аналог. 3. Патент Російської Федерації № 2156224 від 20.09.2000 р. "Способ очистки сточных вод от радиоактивного Cs-137", МПК 8 С 02 F 1/28, С 02 F 9/12-аналог. 4. Патент Російської Федерації № 1836299 від 23.08.1993 р. "Способ очистки сточных вод", опубліковано в бюлетені № 31 (1993), МПК 6 С 02 F 1/48, С 02 F 1/48 прототип. 5. Литвиненко Ю.В., Кадошников В.М., Забулонов Ю.Л. Физико-химическая модель фиксации катионов с применением нанотехнологий / Збірник наукових праць / Інститут проблем моделювання в енергетиці НАНУ. К.: - 2010. 6. Забулонов Ю.Л., Литвиненко Ю.В., Кадошников В.М. Применение наноматериалов как эффективных сорбентов для удаления основных дозоопределяющих элементов из жидких радиоактивных отходов / Матеріали IV міжнародної науково-технічної конференції "Проблеми хіммотології", 7-11 червня 2010, м. Київ. 7. Забулонов Ю.Л., Литвиненко Ю.В., Кадошников В.М., Писанская И.Р. Физико-химическое моделлирование условий образования дисперсий магнетитов как агента удаления катионов из техногенно загрязненных вод / Збірник наукових праць / Інститут проблем моделювання в енергетиці НАНУ. К.: - 2011. 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 1. Спосіб очищення вод, забруднених важкими металами, радіонуклідами, у присутності органічних речовин різної природи, який включає завантаження техногенно забрудненої рідини з наступною її термообробкою та активацією, який відрізняється тим, що очищення здійснюють за допомогою наносорбента, синтез якого проводять в об'ємі техногенно забрудненої рідини з наступними осадженням/коагуляцією синтезованих наночастинок в умовах впливу імпульсного магнітного поля та відділенням твердої фази від рідкої, при цьому термообробку техногенно забрудненої рідини, що містить полютанти, проводять при температурі +60-95 °C. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що активацію проводять шляхом внесення у нагріту рідину, при інтенсивному перемішуванні, розчину кремнієвої кислоти, кількість якої визначається вмістом натрію при варіюванні співвідношення SiO2/Na2O від 0,1 до 7 в залежності від складу розчину. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що для осадження/коагуляції синтезованих наночастинок полікремнієвих кислот використовують колоїдні наночастинки магнетиту, які одержують у тому ж самому розчині з суміші солей дво- і тривалентного заліза у співвідношенні 1:2 і рН більше 8. 4 UA 77123 U 5 UA 77123 U 6 UA 77123 U Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7