1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 29252
(51) C02F 1/28 (2006.01)
C02F 1/62 (2006.01)
B01J 20/16 (2006.01)
B01J 20/02 (2006.01)
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2013/1964.1
(22) 25.12.2013
(45) 15.12.2014, бюл. №12
(72) Мансуров Зулхаир Аймухаметович; Мофа
Нина Николаевна; Черноглазова Татьяна
Викторовна; Садыков Бахтияр Сейсембекович;
Сабаев Жандарбек Жанабилулы
(73) Республиканское государственное предприятие
на праве хозяйственного ведения "Институт
проблем горения" Комитета науки Министерства
образования и науки Республики Казахстан
(56) RU 2235687 C1, 10.09.2004
(54) СПОСОБ АДСОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ
ВОДЫ
(57) Изобретение относится к очистке воды от
ионов тяжелых металлов, фенола, взвешенных
веществ, и др. органических веществ.
Способ адсорбционной очистки воды, включает
фильтрование воды через сорбент, содержащий
кварцевый песок (20-45 маc. %) и либо золу-унос
ТЭС, либо отходы производства газобетона (45-
70маc. %), подвергнутые механической активации в
планетарно-центробежной мельнице совместно с
хлористым натрием (2-5 маc.%) и акриловой
кислотой (5-8 мас.%), гранулированный совместно с
водорастворимым акриловым полимером в
количестве 10-30 % от массы сорбента.
Способ позволяет повысить степень очистки
воды от Fe 68-97%, Мn 83-97%, Сr 62-78%, Рl 61-
68%, фенол 82-90% при использовании сорбента,
обладающего насыпной плотностью гранул 0,40-
0,55 г/куб. см, удельным объемом пор по бензолу
0,42-0,70 куб.м/кг, истираемостью 0,30-0,48%,
водостойкостью 98-100%, временем работы
сорбента по ПДК, час Fe 68-80, Мn 45-60, Сr 13-23,
Рl 63-80, фенол 106-140.
(19)KZ(13)A4(11)29252

2. 29252
2
Изобретение относится к очистке воды от ионов
тяжелых металлов, фенола, взвешенных веществ, и
др. органических веществ.
Известен способ адсорбционной очистки воды,
включающий фильтрование воды через
прокаленный природный сорбент, в качестве
которого используют кремнистую породу
смешанного минерального состава, содержащую,
масс. %: опал - кристобалит 30-50, цеолит 7-25,
глинистую составляющую 7-25, кальцит 10-28,
обломочно - песчано-алевритовый материал -
остальное, которую прокаливают перед активацией
при 300°С, а после активации обрабатывают 2 н
раствором хлористого натрия (Патент РФ
№2111172, МПК С02F 1/28, опубл. 20.05.98).
Наиболее близким техническим решением к
заявляемому способу, является способ
адсорбционной очистки воды посредством
фильтрования воды через природный сорбент,
подвергнутый механической активации на
вибростоле, представляющий собой кремнистую
породу смешанного минерального состава,
содержащую 70-80 маc. % опал-кристобалита,
3-11 маc. % цеолита, 6-17 маc. % глинистой
составляющей и 4-10 маc. % обломочного материала
(Патент РФ №2235687, МПК С02F 1/28, В01J 20/16,
В01J 20/02, опубл. 10.09.04).
Недостатками известных способов являются,
пониженные физико-механические характеристики
и сорбционная способность используемого
сорбента.
Задачей заявляемого технического решения
является разработка способа адсорбционной
очистки воды.
Техническим эффектом поставленной задачи
является повышение качества очистки
сильнозагрязненных сточных вод от ионов тяжелых
металлов и органических соединений, увеличение
срока работы используемого сорбента и улучшение
экологии за счет использования комплексных
сорбентов на природном и техногенном сырье.
Задача решается тем, что способ адсорбционной
очистки воды, включает фильтрование воды через
сорбент, содержащий кварцевый песок (20-45 маc.
%) и либо золу-унос ТЭС, либо отходы
производства газобетона (45-70 маc. %),
подвергнутые механической активации в
планетарно-центробежной мельнице совместно с
хлористым натрием (2-5 маc. %) и акриловой
кислотой (5-8 маc. %), гранулированный совместно
с водорастворимым акриловым полимером в
количестве 10-30% от массы сорбента.
Отличительным признаком заявляемого
технического решения является то, что
механическую активацию кремнийсодержащего
сорбента для реализации заявляемого способа
осуществляют в планетарно-центробежной
мельнице совместно с хлористым натрием (2-5 масс.
%) и акриловой кислотой (5-8 масс. %) с
последующей грануляцией совместно с
водорастворимым акриловым полимером в
количестве 10-30 % от массы сорбента, а в качестве
кремнийсодержащего сорбента используют
кварцевый песок (20-45 маc. %) и либо золу-унос
ТЭС, либо отходы производства газобетона
(45-70 масс. %).
Основу сорбентов составляют
кремнийсодержащие минералы - кварцевый песок и
кремний содержащее техногенное сырье - либо
зола-унос ТЭС, либо отходы производства
газобетона. Использование указанных компонентов
в сорбенте для фильтрации воды в заявляемом
техническом решении, позволяет достичь
технического результата - использование
природного и техногенного сырья либо отходов
производства газобетона, либо золы уноса ТЭС.
Введение золы-уноса ТЭС -
кремнийсодержащего сырья, в сорбент заявляемого
способа адсорбционной очистки воды определено ее
составом: (маc. %) SiO2 - 60-80; Al2O3 - 10-20; Fе2О3
- 2-9; СаО - 1-8. Диоксид кремния, входящий в
состав золы-уноса ТЭС имеет кристаллическую и
аморфную форму. Аморфная форма диоксида
кремния в виде микросфер отличается повышенной
реакционной химической и сорбционной
активностью. Эффективность очистки сточных вод
сложного состава путем ее фильтрования через
кремнийсодержащий сорбент, включающий золу-
унос ТЭС, определено наличием в ней широкого
спектра соединений, каждое из которых проявляет
сорбционные свойства различного типа,
обладающих высокой степенью сродства к
различному классу соединений. Кроме того, зола -
уноса ТЭС обладает синергетическим эффектом и
значительно превосходит как по емкостным, так и
по качественным показателям процесса сорбции
многих природных сорбентов (Шишелова Т.И.,
Самусева М.Н., Шенькман Б.М. Использование
золошлаковых отходов в качестве сорбентов для
очистки сточных вод // Фундаментальные
исследования. - 2008. - №5 c.20-22 ).
Отходы производства газобетона аналогично
золе-уноса ТЭС, являются кремнийсодержащим
сырьем. Его фазовый состав представлен:
тоберморитом Ca5(OH)2Si6O16·4H2O - 34%, кварцем
SiO2 - 36,6%, кальцитом СаСО3 - 25,9% и
микроклином KAlSi3O8 - 3,5%. Отходы
производства газобетона имеют высокопористую
структуру. Таким образом использование отходов
производства газобетона обеспечивает повышение
удельного объема пор сорбента и его сорбционную
способность, т. е. повышение степени очистки воды.
Известно применение сорбентов, включающих
искусственный тоберморит, синтезированный на
основе стекольных отходов, которые способны
извлекать из воды токсичные вещества (Coleman N.
Ground glass solution for cleaner water // Journal of
Environment and Waste Management (IJEWM). -
London, 2011, Sep. 15. Coleman N. A tobermorite ion
exchanger from recycled container glass // Int. J.
Environment and Waste Management. - 2011. - №8
(3/4). - p.366-382).
Кварцевый песок обладает хорошими
сорбционными свойствами по отношению к ионам
тяжелых металлов, фенолу, взвешенным веществам
и различным органическим соединениям. Это

3. 29252
3
связано с тем, что валентные углы Si - О - Si не
являются строго детерминированными, например,
как у С-О-С = 110° и обладают значительной
гибкостью, а SiO-элементы - соответственно
высокой приспособляемостью к морфологическим
требованиям, налагаемым другими элементами
структуры силикатов. Этот фактор играет
исключительно важное значение при изготовлении
комплексных сорбирующих и фильтрующих
кварцевых систем (Айлер Р. Химия кремнезема /
пер. с англ.; под ред. докт. техн. наук, проф.
В.П. Прянишникова. - М.: Мир, 1982. - Т. 1. c.416.
Быков В.Т. Структура и адсорбционные свойства
природных сорбентов // Сб. тр. «Природные
сорбенты». - М.: Наука, 1967. c.77-89).
Помол кварцевого песка и либо золы-уноса ТЭС,
либо отходов производства газобетона в планетарно
центробежной мельнице (ПЦМ) - активаторе
динамического действия, в отличие от известной
механической активации на вибростоле,
обеспечивает их механохимическую активацию
(МХА), следовательно, повышенную химическую
активность по отношению к вводимым
дополнительно акриловой кислоте и хлористому
натрию, которая связана с аморфизацией
поверхностного слоя и образованием, накоплением
и перераспределением как в объеме, так и на
поверхности частиц различного рода дефектов:
разрыв связей, образование реакционных центров,
вакансии, дислокации и пр. Повышенная
химическая активность способствует более
активному взаимодействию минеральных
компонентов с вводимыми дополнительно
акриловой кислотой и хлоридом натрия, увеличивая
скорость развития реакции между составляющими
компонентами сорбента (Аввакумов Е.Г.
Механические методы активации химических
процессов. - Новосибирск: Наука, 1980., c.190, 206).
МХА кремнийсодержащего сорбента,
используемого в заявляемом способе очистки воды
совместно с акриловой кислотой и хлористым
натрием, являющимися химическими
модификаторами неорганических составляющих
сорбента, повышает его сорбционные свойства по
отношению к тяжелым металлам (Берлин А.А.,
Королев Г.В., Кефели Т.Я., Сивергин Ю.М.
Акриловые олигомеры и материалы на их основе. -
М.: Химия, 1983. с.232 ; Батталова А.К., Шаймардан
Е., Кабдрахманова С.К. Синтез полимерных
сорбентов состава акриламид-акриловая
кислота/диметилглиоксим для извлечения ионов
тяжелых металлов из сточных вод // Региональный
вестник Востока. 2011. - №3. c.34-39). Акриловая
кислота -СН2=СН-СООН - простейший
представитель одноосновных непредельных
карбоновых кислот, которая легко полимеризуется
при участии хлористого натрия. В процессе МХА
при раскалывании кристаллов хлорида натрия имеет
место экзоэлектронная эмиссия, которая
инициирует полимеризацию акриловой кислоты.
Проведение МХА совместно с химическими
модификаторами позволяет получить адсорбент
более высокого качества по физико-механическим и
структурным свойствам (Мансуров З.А., Мофа Н.Н.,
Акназаров С.Х. Наноструктурированные
композиционные сорбенты на основе
модифицированных силикатных материалов //
Материалы Международной научно-практической
конференция «Чистая вода - 2009» («CW - 2009»),
20-21 октября 2009г. - Кемерово, 2009. c.160-166).
В результате МХА в планетарной мельнице
происходит существенное измельчение сорбента с
образованием большого количества пылевидной
фракции дисперсностью менее 50 мкм.
В способе адсорбционной очистки воды для
увеличения ее пропускной способности и скорости
фильтрации используют сорбционные колонны,
заполненные гранулированными сорбентами
фракции более 2 мм. Для эффективной грануляции
пылевидной фракции сорбента в качестве
связующего используют водорастворимые
акриловые полимеры, обладающие высокой
проникающей способностью в поры сорбента, с
образованием наноразмерных пленок на
поверхности частиц сорбента и эффективно
скрепляющих мелкие частицы сорбента в крупные
агломераты. Использование водорастворимых
полимеров является экологически обоснованным,
т.к. они не содержат вредных органических летучих
компонентов, и после испарения воды и завершения
процесса полимеризации образуется водо-
нерастворимая композиция с высокой механической
прочностью гранул на истираемость (Кабакова М.М.
Поведение сшитых сополимеров акриловой кислоты
и 5-винилтетразола в водных средах // Журнал
прикладной химии. - 2003. - Т.76, вып. 7. - c.1210-
1212; Абрамчук С.С. Хохлов А.Р. Молекулярная
теория высокоэластичности полимерных сеток с
учетом ориентационного упорядочения звеньев //
ДАН СССР. - 1987. - Т.297. c.385).
Соотношение компонентов подобрано
экспериментально с целью обеспечения требуемого
качества очистки воды. При содержании кварца
менее 20% образуется недостаточно
активированных центров, а при содержании более
50% не обеспечивается достаточная пористость
сорбента. При содержании золо-уноса ТЭС менее
46% снижается синергетический эффект сорбции
ионов тяжелых металлов и сорбент работает на
ограниченной число ионов, а при содержании более
70% снижается механическая прочность гранул.
При содержании отходов производства газобетона
менее 46% не обеспечивается необходимая
пористость сорбента, а при содержании более 70%
значительно повышается расход связующего для
гранулирования сорбента.
Содержание химических модификаторов
подобрано экспериментально для обеспечения
необходимых сорбционных характеристик: при
содержании акриловой кислоты менее 5% и
хлористого натрия менее 2% не достигается
сорбционная емкость по комплексному извлечению
ионов, а при суммарном содержании более 10%
снижается открытая пористость.
При гранулировании сорбента при содержании
водорастворимого акрилового полимера ниже 10%

4. 29252
4
снижается прочность гранул, а при содержании
свыше 30% снижается пористость и сорбционная
емкость и степень очистки.
Заявляемый способ адсорбционной очистки воды
позволяет повысить степень очистки воды от Fe 68-
97%, Мn 83-97%, Сr 62-78%, Рl 61-68%, фенол 82-
90% при использовании сорбента, обладающего
насыпной плотностью гранул 0,40-0,55 г/куб. см,
удельным объемом пор по бензолу 0,42-0,70
куб.м/кг, истираемостью 0,30-0,48%,
водостойкостью 98-100%, временем работы
сорбента по ПДК, час Fe 68-80, Мn 45-60, Сr 13-23,
Рl 63-80, фенол 106-140.
В таблице 1 приведены показатели очистки воды
и прочностные характеристики используемого
сорбента для реализации заявляемого способа.
Технологические, физико-химические
характеристики сорбентов определяют по ГОСТ
16187-70 -16190-70 Сорбенты.
Показатели, характеризующие потребительские
свойства:
- насыпная плотность, которую определяют по
ГОСТ 16190-70 Сорбенты. Метод определения
насыпной плотности;
- удельный объем пор по парам бензола - по ТУ
3810119-97;
-механическая прочность гранулированного
сорбента оценивают по способности гранул
противостоять механическим воздействиям.
Гранулы сорбента проверяют на истираемость в
специальных мельницах по относительному весу
разрушенных гранул (Мамонов О. В., Пащенко В.Н.,
Козлова Г.А. Об измерении механической
прочности гранулированных дисперсий //
Неорганические ионообменники: Межвуз. сб. науч.
тр. Перм. политех, ин-т.- Пермь, 1977, с.76 - 81.)
Степень очистки воды определяют по изменению
концентрации удаляемых примесей до и после ее
пропускания через сорбционную колонку на
атомно-абсорбционном спектрофотометре по
катионам металлов Рb2+
, Мn3+
, Fe2+
, Сr3+
и фенола.
Способ адсорбционной очистки воды
осуществляют следующим образом.
Воду, требующую очистки от тяжелых металлов
и фенола, фильтруют через сорбент, содержащий
кварцевый песок (20-45 маc. %) и, либо золу-унос
ТЭС, либо отходы производства газобетона
(45-70 маc. %), подвергнутые механической
активации в планетарно-центробежной мельнице
совместно с хлористым натрием (2-5 маc. %) и
акриловой кислотой (5-8 маc. %), гранулированный
совместно с водорастворимым акриловым
полимером в количестве 10-30% от массы сорбента.
Пример 1
Воду, содержащую соли тяжелых металлов и
фенол, при концентрации тяжелых металлов
превышающей десятикратные значения их ПДК в
воде пропускают через адсорбционную колонку со
скоростью 0,5 л/ч, заполненную гранулированным
кремнийсодержащим сорбентом в количестве 1 кг.
Используемый в способе сорбент - смесь 20 кг
кварцевого песка и 70 кг золы - уноса ТЭС,
подвергают механической активации в планетарно
центробежной мельнице в течение 15 мин совместно
с 5 кг акриловой кислотой и 5 кг хлористого натрия.
Полученную смесь перемешивают с 20 кг
водорастворимого акрилового полимера,
гранулируют путем продавливания через экструдер
с размером отверстий 5 мм и сушат в естественных
условиях в течении суток до полной полимеризации
акрилового полимера и набора необходимой
механической прочности сорбента.
Заявляемый способ адсорбционной очистки
воды, выполненный по примеру 1 таблицы 1
позволяет повысить степень очистки воды от
Fe 95%, Мn 83%, Сr 72%, Рl 68%, фенол 86% при
использовании сорбента, обладающего насыпной
плотностью гранул 0,40 г/куб. см, удельным
объемом пор по бензолу 0,42 куб.м/кг,
истираемостью 0,30%, водостойкостью 100%,
временем работы сорбента по ПДК, час Fe 80,
Мn 55, Сr 21, Рl 70, фенол 120.
Примеры 2-8 таблицы 1 заявляемого способа
адсорбционной очистки воды выполняют
аналогично примеру 1.
Таблица
Значения для составовСостав сорбента, % Прототип
1 2 3 4 5 6 7 8
Кварцевый песок 20 30 40 50 20 30 40 50
Золо - унос ТЭС 70 62 54 46
Отходы производства
газобетона
70 62 54 46
Акриловая кислота 5 4 3 2 5 4 3 2
Хлористый натрий 5 4 3 2 5 4 3 2
водорастворимый акриловый
полимер от массы сорбента%
20 18 16 15 20 18 16 15
Показатели сорбента
Насыпная плотность гранул,
г/куб.см
0,40 0,45 0,50 0,55 0,35 0,40 0,42 0,45
Удельный объем пор по
бензолу, куб.м / кг
0,136 0,42 0,47 0,53 0,59 0,62 0,70 0,73 0,64
Истираемость, % 0,55-0,86 0,30 0,36 0,38 0,41 0,42 0,43 0,45 0,48
Водостойкость, % 98-99 100 99 99 98 100 99 99 98

5. 29252
5
Значения для составовСостав сорбента, % Прототип
1 2 3 4 5 6 7 8
Время работы сорбента по
ПДК, час
Fe 66 80 75 70 68 85 84 82 80
Мn 44 55 50 48 45 60 54 53 50
Сr 7 21 23 18 15 16 19 18 13
Рb 70 65 63 60 80 76 70 65
Фенол 100 120 110 106 100 140 135 138 130
Степень очистки воды, %
Fe 95 91 86 68 97 96 95 94
Мn 83 88 91 87 94 97 95,8 92
Сr 72 78 70 66 65 68 66,5 62
Рb 68 67 66 65 63 62 61 60
Фенол 86 85 83 82 90 88 87 86
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ адсорбционной очистки воды,
включающий фильтрование воды через
кремнийсодержащий сорбент, подвергнутый
механической активации, отличающийся тем, что
механическую активацию осуществляют в
планетарно-центробежной мельнице совместно с
хлористым натрием и акриловой кислотой с
последующей грануляцией совместно с
водорастворимым акриловым полимером в
количестве 10-30% от массы сорбента, а в качестве
кремнийсодержащего сорбента используют
кварцевый песок и либо золу-унос ТЭС, либо
отходы производства газобетона, при следующем
соотношении компонентов, масс. %:
кварцевый песок 20 - 45
либо зола унос ТЭС
либо отходы производства
газобетона 45 - 70
акриловая кислота 5 - 8
хлористый натрий 2 - 5.
Верстка Ж. Жомартбек
Корректор К. Нгметжанова