1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 29253
(51) C02F 1/28 (2006.01)
C02F 1/62 (2006.01)
B01J 20/02 (2006.01)
B01J 20/32 (2006.01)
B32B 3/00 (2006.01)
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2014/0093.1
(22) 27.01.2014
(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 249008 C1, 20.08.2013
(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОРБЕНТА ДЛЯ
ОЧИСТКИ ВОДЫ
(57) Изобретение относится к химической
технологии, в частности к способу получения
сорбентов, которые могут быть использованы в
экологии, очистке воды от ионов тяжелых металлов.
Способ получения сорбентов для очистки воды,
включает обработку (75-80)% пористого
кремнийсодержащего носителя в виде отходов
производства газобетона водной суспензией (10-
20)% акриловой кислоты в присутствии (5-10)%
хлористого натрия, проводимую в ультразвуковом
поле с частотой излучения от 20 до 40 кГц,
мощностью от 60 до 80 Вт при температуре 22-30°С
в течение 20-40 мин.
В результате реализации способа получают
сорбент для очистки воды, обладающий
повышенной степенью сорбции и коэффициентом
распределения по отношению к тяжелым металлам.
При этом, заявляемый способ является
энергосберегающим.
(19)KZ(13)A4(11)29253

2. 29253
2
Изобретение относится к химической
технологии, в частности к способу получения
сорбентов, которые могут быть использованы в
экологии, очистке воды от ионов тяжелых металлов.
Известен способ получения сорбента для
сорбционной очистки сточных вод, модельных
растворов от тяжелых металлов, в качестве которого
использовали цеолит Майнского месторождения
Ульяновской области. Фракции цеолита 1-2 и 3-5 мм
предварительно обрабатывают при 200°С в течение
1,5 ч и подвергают воздействию ультразвука в
водной среде при частоте 20 кГц в течение 1 ч.
Степень извлечения ионов цинка из растворов 96,0 -
99,2% (фракция 1-2 мм); 92,0 - 97,0% (фракция
3-5 мм). Извлечение ионов меди из воды 87,8 -
94,5% (фракция 1-2 мм); 85,6 - 93,0% (фракция 3-5
мм). (Милушкин В.М., Ильин А. П. Сорбционные
процессы извлечения примесей тяжелых металлов
из воды при действии ультразвука // Сорбционные и
хроматографические процессы.- 2009. - Т.9, Вып. 2.
- с.308-314).
Недостатком известного способа является его
повышенная энергоемкость.
Наиболее близким техническим решением к
заявляемому способу, является способ получения
неорганических сорбентов, включающий обработку
пористого носителя, выбранного из стеклянного
порошка, активного угля или силикагеля водной
суспензией сорбционно активного нерастворимого
соединения, выбранного из ряда: ферроцианид
никеля, гидроксид алюминия, сульфид меди, при
воздействии ультразвукового излучения мощностью
от 50 до 200 Вт и частотой от 22 до 60 кГц при
температуре 70-90°С в течение 2-6 ч. (РФ Патент
№2490058, МПК8
B01J 20/02, B01J 20/32, В82В 3/00,
опубл. 20.08.2013)
Недостатком способа являются его повышенная
энергоемкость и длительное время обработки
носителя для осаждения активных сорбционных
материалов в капиллярах пористого носителя и
пониженный коэффициент распределения.
Задачей заявляемого технического решения,
является разработка способа получения сорбента
для очистки воды от ионов тяжелых металлов.
Технический эффект поставленной задачи
состоит в энергосбережении заявляемого способа с
использованием техногенного сырья и сохранением
прочностных характеристик сорбента при
повышенных сорбционных свойствах.
Задача решается тем, что способ получения
сорбентов для очистки воды, включает обработку
(75-80)% пористого кремнийсодержащего носителя
в виде отходов производства газобетона водной
суспензией (10-20)% акриловой кислоты в
присутствии (5-10)% хлористого натрия,
проводимую в ультразвуковом поле с частотой
излучения от 20 до 40 кГц, мощностью от 60 до
80 Вт при температуре 22-30°С в течение 20-40 мин.
Отличительным признаком заявляемого
технического решения является то, что в качестве
пористого кремнийсодержащего носителя
используют отходы производства газобетона в
количестве (75-80)%, на который воздействуют
ультразвуковым излучением при температуре 22-
30°С в течение 20-40 мин в водной суспензии (10-
20)% акриловой кислоты в присутствии (5-10)%
хлористого натрия.
Использование отходов производства газобетона
в качестве пористого сорбента обусловлено его
высокоразвитой пористой структурой,
способствующей повышению степени сорбции
ионов тяжелых металлов. Фазовый состав отходов
производства газобетона представлен: кварцем SiO2
- 36,6%, тоберморитом Ca5(OH)2Si6O16·4H2O - 34%,
кальцитом СаСО3- 25,9% и микроклином KAlSi3O8 -
3,5%. Кроме того, принятое решение позволяет
достичь технического эффекта поставленной задачи
- использование техногенного сырья.
Кварц, входящий в состав отходов производства
газобетона, обладает хорошими сорбционными
свойствами и его традиционно используют для
очистки воды. (Айлер Р. Химия кремнезема. Т. 1. /
Пер. с англ. Под ред. докт. техн. наук, проф.
Прянишникова В.П. - М.: «Мир». - 1982. - c.416.
Кальцит, входящий в состав отходов
производства газобетона, является активной
составляющей сорбента для очистки сточных вод от
ионов тяжелых металлов. (Годымчук А.Ю.
Технология изготовления силикатно-карбонатных
сорбентов для очистки воды от катионов тяжелых
металлов //Дисс. на соискание уч.степ. к.т.н. Томск.
2003. с.141 Елизаров Ю.Г., Устиновская Э.Л.,
Кудрявцев А.Х., Паушкин Я.М. и др. Влияние
ультразвука на скорость ионного обмена на
цеолитах // Вестник АН БССР. Сер. хим. наук. -
1975,- № 1. c.10-12.)
Известно применение сорбентов, включающих
искусственный тоберморит, синтезированный на
основе стекольных отходов, которые способны
извлекать из воды токсичные вещества (особенно
свинец и кадмиевые ионы). (Nichola Coleman.
Ground glass solution for cleaner water //Journal of
Environment and Waste Management (IJEWM),
London Sep. 15. - 2011. Nichola Coleman. A
tobermorite ion exchanger from recycled container glass
// Int. J. Environment and Waste Management. - 2011. -
№8 (3/4).- p.366- 382.)
Количественное соотношение компонентов в
заявляемом способе подобрано экспериментально
для достижения технического эффекта
поставленной задачи.
Известно, что материалы на основе акриловых
сополимеров являются высокоэффективными
сорбентами по отношению к ионам тяжелых
металлов в воде. (Кабакова М.М., Успенская М.В.,
Сиротинкин Н.В., Санатин Е.В. Поведение сшитых
сополимеров акриловой кислоты и 5-винилтетразола
в водных средах // Журнал прикладной химии. -
2003. -Т.76, вып. 7. c.1210-1212. Успенская М.В.
Адсорбирующие композиции на основе тетразолил-
акрилатных сополимеров и стеклянных
наполнителей // Научно-технический вестник
СПбГУИТМО - 2005. - Вып.20. c.37 - 40.)
В заявляемом способе активные сорбционные
материалы - акриловые сополимеры, формируются
на поверхности пористого носителя из водной

3. 29253
3
суспензии акриловой кислоты в присутствии
хлористого натрия под воздействием
ультразвукового излучения.
Радикальная полимеризация акриловой кислоты
происходит в водных растворах и существенно
усиливается в присутствии ионов Na, образуя
комплексы со всеми щелочными металлами.
(Chavanne М., Julien A., Beaudoin G.J., Flamand Е.
Chimie Organique Expèrimental, 2 edition. - Edition
Modulo,- 2005, chapter 18, p.217-325).
Выбранные активные сорбционные материалы
позволяют в заявляемом способе минимизировать
параметры ультразвукового излучения.
Инициирование эффективной полимеризации под
воздействием ультразвукового излучения позволяет
снизить его мощность до 60-80 Вт, в отличие от
известного способа, требующего мощность
ультразвукового излучения до 200 Вт. Кроме того,
формирование на поверхности пористого носителя
активных сорбционных материалов в виде
акриловых сополимеров из водной суспензии
акриловой кислоты в присутствии хлористого
натрия в заявляемом способе позволяет снизить
температуру обработки до температуры 22-30°С и
время обработки до 20-40 мин, в отличие от
известного способа, требующего воздействия
ультразвукового излучения при температуре 70-
90°С в течение 2-6 часов.
Таким образом, использование в заявляемом
способе акриловой кислоты в присутствии
хлористого натрия в качестве активных
сорбционных материалов позволяет достичь
заявляемого технического эффекта поставленной
задачи.
Обработка пористого кремнийсодержащего
носителя водной суспензией сорбционно-активного
материала, проводимая в ультразвуковом поле
позволяет сократить продолжительность насыщения
сорбента и увеличить его емкость. При
акустическом воздействии на сорбент изменяется не
только поверхностный слой зерен, но и капиллярная
структура. Кроме того, использование
ультразвуковой обработки сорбента в водной
суспензии позволяет эффективно проводить
обеззараживание сорбента. Во время этого процесса
возникает ультразвуковая кавитация. Резкая смена
физического состояния жидкости, происходящая с
частотой ультразвука, разрушает микроорганизмы,
находящиеся на поверхности сорбента (Мейсон Т.,
Линдли Дж., Дэвидсон Р., Лоример Дж. и др. Химия
и ультразвук. - М.: Мир. - 1993. c.7-63).
Обработка пористого кремнийсодержащего
носителя водной суспензией сорбционно-активного
материала, проводимая в ультразвуковом поле
способствует снижению вязкости образующегося
полимера, что обеспечивает его проникновение в
поры носителя, изменяя физические свойства
получаемого сорбента в сторону повышения его
сорбционных свойств. Кавитационные потоки,
возникающие при воздействии ультразвука на
пористый кремнийсодержащий носитель в водной
суспензии акриловой кислоты в присутствии
хлористого натрия, обеспечивают активное
проникновение в поры носителя образующегося
полимера, сопровождающееся интенсивной
дегазацией, которая в свою очередь, ведет к
значительному уменьшению количества воздушных
газовых включении в получаемый сорбент, что
ведёт к повышению его качества и прочности.(
Прохоренко П.П., Дежкунов Н.В., Коновалов Г.Е.
Ультразвуковой капиллярный эффект. - Минск:
Наука и техника. -1981.-Ч.1. с.135).
При выборе режимов ультразвуковой обработки
большую роль играет ее частота и мощность. Одним
из существенных недостатков использования
ультразвуковых колебаний большой мощности
является создание большой интенсивности
ультразвуковых колебаний во всем объеме. При
воздействии на раствор ультразвуковыми
колебаниями с интенсивностью, превышающей
порог кавитации, излучатель ультразвука
подвергается разрушительным воздействиям. Тогда
как низкие частоты и малые мощности не
обеспечивают достаточной кинетики химических
реакций. (Ханукаев Б.Б., Ханукаева И.С.
Закономерности протекания некоторых химических
реакций в твердой фазе под влиянием ультразвука //
Журнал физической химии. - 1998.- V.72, №9. -
c.1607-1611. Коныдина П.С. Влияние ультразвука и
микроволнового излучения на некоторые реакции
органического синтеза. / Диссертация на соискание
ученой степени ктн Уфа, 2006 г, с.150).
Параметры ультразвукового излучения -
частотой от 20 до 40 кГц и мощностью от 60 до
80 Вт и время его воздействия 20-40 мин подобраны
экспериментально для эффективного осаждения
сорбционно-активного материала в порах пористого
сорбента.
Таким образом, воздействие на отходы
производства газобетона в количестве (75-80)%,
ультразвуковым излучением частотой от 20 до
40 кГц и мощностью от 60 до 80 Вт при температуре
22-30°С в течение 20-40 мин в водной суспензии
(10-20)% акриловой кислоты в присутствии (5-10)%
хлористого натрия позволяет достичь технического
результата заявляемого способа, который состоит в
энергосбережении заявляемого способа с
использованием техногенного сырья и сохранением
прочностных характеристик сорбента при
повышенных сорбционных свойствах.
Способ получения сорбента для очистки воды
выполняют следующим образом.
Отходы производства газобетона в количестве
75-80 кг дробят и обрабатывают водной суспензией
10-20 кг акриловой кислоты в присутствии 5-10 кг
хлористого натрия при воздействии ультразвука с
частотой излучения от 20 до 40 кГц, мощностью от
60 до 80 Вт при температуре 22-30°С в течение 20-
40 мин.
В результате реализации способа получают
сорбент для очистки воды, обладающий насыпной
плотностью гранул, 0,44 -0,45 г/см3
, механической
устойчивостью 99,0-100%, водостойкостью 99,0-
100% и повышенной степенью сорбции и
коэффициентом распределения по отношению к
тяжелым металлам, которые отражены в таблице 1.

4. 29253
4
При этом, заявляемый способ является
энергосберегающим, относительно известного, за
счет режима ультразвукового воздействия на
водную суспензию акриловой кислоты в
присутствии хлористого натрия: частота излучения
от 20 до 40 кГц и мощность от 60 до 80 Вт при
температуре 22-30°С в течение 20-40 мин, в отличие
от известного способа, в котором обработку
пористого кремнийсодержащего носителя водной
суспензией сорбционно-активного материала
проводят при воздействии ультразвукового
излучения мощностью до 200 Вт и частотой до 60
кГц при температуре 70-90°С в течение 2-6 ч.
Пример 1
75 кг отходов производства газобетона дробят с
отсевом фракции 2-5 мм, которую используют в
качестве пористого кремнийсодержащий носителя.
Из 20 кг акриловой кислоты и 5 кг хлористого
натрия готовят 10-ти процентную водную
суспензию, в которую помещают носитель и
воздействуют ультразвуком с частотой излучения
20 кГц, мощностью 80 Вт при температуре 22°С в
течение 20 минут. Затем, насыщенный полимерами
сорбент, подвергают сушке в сушильном шкафу до
влажности не более 5%. Примеры выполнения 2, 3
таблицы 1 выполняют аналогично примеру 1.
Таблица 1
Состав Прототип 1 2 3
1 2 3
Отходы газобетона 75 78 80
Акриловая кислота 20 15 10
Хлористый натрий 5 7 10
Параметры обработки
Температура обработки, °С 70-90 22 25 30
Время обработки, мин 2-6 час 20 30 40
Частота ультразвука, кГц 22-60 20 30 40
Мощность излучателя, Вт 50-200 80 70 60
Свойства сорбентов
Насыпная плотность, г/куб.см 0,45 0,45 0,44
Механическая устойчивость, % 90-99 98 99 99
Водостойкость, % 98-99 100 99 99
Коэффициент распределения, куб.см/г
Fe 2820 3185 1 200
Мn 9830 17177 24 820
Сu 6629 32721 81 331
Рb 21810 16617 12511
Zn 7097 24891 14 571
Cd 7300-11800 14673 19860 9304
Степень сорбции, % по:
Fe 96.1 97.9 89.8
Мn 81.7 88.2 99.8
Сu 88.2 93,9 99.9
Рb 93.5 91.9 90.8
Zn 89,6 96.7 91.7
Cd 91.5 95.2 85.7
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ получения сорбента для очистки воды,
включающий обработку пористого
кремнийсодержащий носителя водной суспензией
сорбциоино-активного материала, проводимую в
ультразвуковом поле с частотой излучения от 20 до
40 кГц, мощностью от 60 до 80 Вт, отличающийся
тем, что воздействие ультразвукового излучения
осуществляют в водной суспензии акриловой
кислоты в присутствии хлористого натрия при
температуре 22-30°С в течение 20-40 мин, а в
качестве пористого кремнийсодержащего носителя
используют отходы производства газобетона, при
следующем соотношении компонентов, масс. %:
отходы производства газобетона 75-80
акриловая кислота 10-20
хлористый натрий 5-10.
Верстка Ж. Жомартбек
Корректор К. Нгметжанова