RU2096082C1 - Method of preparing sorbent - Google Patents

Abstract

FIELD: sorbents. SUBSTANCE: invention concerns sorbents for removing heavy and radioactive metal ions from drinking water. Hardwood is treated with solution containing 0.5-2.0 mol/l phosphoric acid and 2-6 mol/l urea at 60-90 C for 1-3 h at solids to liquid ratio 1:(5-20). Material is further pressed, dried, and thermally treated at 140-170 C for 1-3 h. Washed and finally dried sorbent has exchange capacity 3.1-4.6 mg-eq./g and coefficients of distribution of microamounts of plutonium, uranium, and americium within the range 5•10³-6•10⁴ cu.cm/g. EFFECT: increased capacity and selectivity in respect to transuranium elements. 3 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к химической технологии, конкретно, к способам получения целлюлозосодержащих сорбентов, которые могут быть использованы для очистки растворов и сточных вод от ионов токсичных тяжелых и радиоактивных металлов. The invention relates to chemical technology, in particular, to methods for producing cellulose-containing sorbents that can be used to purify toxic heavy and radioactive metal ions and wastewater from solutions.

Известны способы получения целлюлозосодержащих сорбентов путем обработки древесины различными органическими модификаторами (полиаминами, формальдегидами и др.) [1, 2] Указанные сорбенты используются для очистки сточных вод от органических веществ и ионов тяжелых металлов. Недостатками данных способов являются сложность синтеза и сравнительно низкие сорбционные характеристики полученных сорбентов. Known methods for producing cellulose-containing sorbents by treating wood with various organic modifiers (polyamines, formaldehydes, etc.) [1, 2] These sorbents are used to treat wastewater from organic substances and heavy metal ions. The disadvantages of these methods are the complexity of the synthesis and the relatively low sorption characteristics of the obtained sorbents.

Наиболее близким к заявленному является способ получения целлюлозосодержащего сорбента, включающий обработку целлюлозы смесью растворов фосфорной кислоты и мочевины при температуре 70 80^oC, сушку, термообработку при температуре 140 150^oC и промывку полученного материала водой [3, прототип] Полученный сорбент -фосфат целлюлозы обладает емкостью 2,6 мг-экв/г и используется, в основном, для удаления ионов кальция из биологических сред (крови, молока и т.д.). Недостатками данного сорбента являются его относительно высокая стоимость, а также недостаточно высокая селективность в солевых растворах к ионам трансурановых элементов.Closest to the claimed is a method of producing a cellulose-containing sorbent, including treating cellulose with a mixture of solutions of phosphoric acid and urea at a temperature of 70 80 ^o C, drying, heat treatment at a temperature of 140 150 ^o C and washing the resulting material with water [3, prototype] The obtained sorbent is cellulose phosphate It has a capacity of 2.6 mEq / g and is used mainly to remove calcium ions from biological media (blood, milk, etc.). The disadvantages of this sorbent are its relatively high cost, as well as insufficiently high selectivity in salt solutions to ions of transuranic elements.

Задачей изобретения является получение сорбента на основе природного сырья древесины, обладающего повышенной емкостью и селективностью к ионам тяжелых токсичных и трансурановых элементов. The objective of the invention is to obtain a sorbent based on natural wood raw materials with high capacity and selectivity to ions of heavy toxic and transuranic elements.

Поставленная задача решается путем синтеза сорбента, который включает в себя обработку древесных опилок лиственных пород раствором состава: фосфорная кислота 0,5 2 моль/л, мочевина 2 6 моль/л при температуре 60 90^oC, соотношение твердой и жидкой фаз 1 (5 20) в течение 1 3 ч и последующую термообработку при 140 170^oC проводят в течение 1 3 ч.The problem is solved by synthesis of the sorbent, which includes the processing of hardwood sawdust with a solution of the composition: phosphoric acid 0.5 2 mol / l, urea 2 6 mol / l at a temperature of 60 90 ^o C, the ratio of solid and liquid phases 1 (5 20) for 1 to 3 hours and subsequent heat treatment at 140,170 ^o C is carried out for 1 to 3 hours

Указанная совокупность отличительных признаков не описана в научно-технической и патентной литературе и является новой и не очевидной для специалиста в данной области. The specified set of distinctive features is not described in the scientific, technical and patent literature and is new and not obvious to a person skilled in the art.

Так, нами экспериментально было показано, что при использовании сорбента, полученного заявленным способом при извлечении микроколичеств радионуклидов Pu (IV), U(VI) и Am (III) из азотнокислых растворов, коэффициенты распределения указанных радионуклидов составляют 6500, 60000, 13500 см³/г соответственно, что выше значений Kd, получаемых при использовании сорбента, полученного по способу-прототипу (фосфат целлюлозы) [3] а также при использовании других фосфоросодержащих неорганических сорбентов (фосфат титана или циркония) и ионообменных смол (СФ-4, СФ-5, КРФ). Кроме того, материал, полученный заявляемым способом, по сравнению с прототипом обладает в 1,6 1,8 раз большей ионообменной емкостью и не теряет при этом механической прочности.So, we experimentally showed that when using a sorbent obtained by the claimed method for the extraction of trace amounts of radionuclides Pu (IV), U (VI) and Am (III) from nitric acid solutions, the distribution coefficients of these radionuclides are 6500, 60000, 13500 cm ³ / g, respectively, which is higher than the Kd values obtained using the sorbent obtained by the prototype method (cellulose phosphate) [3] as well as using other phosphorus-containing inorganic sorbents (titanium or zirconium phosphate) and ion-exchange resins (SF-4, SF-5 , K F). In addition, the material obtained by the claimed method, in comparison with the prototype has 1.6 1.8 times more ion-exchange capacity and does not lose mechanical strength.

Данный факт объясняется тем, что при обработке древесины смесью фосфорной кислоты и мочевины происходит фосфорилирование не только целлюлозы, но и других компонентов древесины (лигнина, гемицеллюлозы и др.), фосфатные производные которых обуславливают повышенную емкость и селективность к радионуклидам ТУЭ. Заявляемые диапазоны концентраций реагентов, температуры и времени обработки являются оптимальными с точки зрения получения сорбента с максимальными сорбционными характеристиками и расхода реагентов. This fact is explained by the fact that when wood is treated with a mixture of phosphoric acid and urea, not only cellulose is phosphorylated, but also other wood components (lignin, hemicellulose, etc.), the phosphate derivatives of which determine the increased capacity and selectivity for TUE radionuclides. The inventive ranges of concentrations of reagents, temperature and processing time are optimal from the point of view of obtaining a sorbent with maximum sorption characteristics and consumption of reagents.

Преимущественное использование опилок лиственных пород деревьев обусловлено тем, что при использовании хвойных опилок в процессе синтеза происходит взаимодействие реагентов со смолистыми веществами древесины с образованием спекшейся массы, с трудом поддающейся фосфорилованию. The predominant use of sawdust of deciduous trees is due to the fact that when using coniferous sawdust in the synthesis process, the reactants interact with the resinous substances of wood with the formation of a sintered mass, which is difficult to phosphorylate.

Заявляемый способ иллюстрируется следующим примером. The inventive method is illustrated by the following example.

Пример 1 (прототип). Example 1 (prototype).

1 кг целлюлозы в виде марли пропитывают в растворе состава: 3850 г мочевины, 1430 мл 85%-ной фосфорной кислоты и 8320 мл дистиллированной воды при температуре 80^oC в течение 30 мин. Затем материал извлекают из раствора, отжимают от избытка реагентов, сушат при температуре 60 80^oC и термообрабатывают в сушильном шкафу при температуре 150^oC в течение 690 мин. Далее материал промывают водой до отрицательной реакции по фосфат-ион и сушат на воздухе до постоянного веса.1 kg of cellulose in the form of gauze is impregnated in a solution of the composition: 3850 g of urea, 1430 ml of 85% phosphoric acid and 8320 ml of distilled water at a temperature of 80 ^o C for 30 minutes Then the material is removed from the solution, squeezed from the excess reagents, dried at a temperature of 60 80 ^o C and heat treated in an oven at a temperature of 150 ^o C for 690 minutes Next, the material is washed with water until a negative reaction with a phosphate ion and dried in air to constant weight.

Пример 2. Example 2

0,9 кг осиновых опилок фракции 0,3 3,0 мм обрабатывают 18 л раствора состава, моль/л: фосфорная кислота 0,5, мочевина 2,0, т:ж 1 20 при температуре 60^oC в течение 3 ч. После этого опилки отжимают для удаления избытка раствора, сушат при температуре 60 70^oC и подвергают термообработке в сушильном шкафу при температуре 140^oC в течение 3 ч. После окончания термообработки опилки промывают водой до отрицательной реакции по фосфат-ион и сушат на воздухе до постоянного веса.0.9 kg of aspen sawdust fractions of 0.3 3.0 mm are treated with 18 l of a solution of the composition, mol / l: phosphoric acid 0.5, urea 2.0, t: W 1 20 at a temperature of 60 ^o C for 3 hours After that, the sawdust is squeezed to remove excess solution, dried at a temperature of 60 70 ^o C and subjected to heat treatment in an oven at a temperature of 140 ^o C for 3 hours. After the end of the heat treatment, the sawdust is washed with water until the phosphate ion is negative and dried in air until constant weight.

Пример 3. Example 3

1 кг березовых опилок фракции 0,5 5 мм обрабатывают 5 л раствора состава, моль/л: фосфорная кислота 2,0, мочевина 6,0, т:ж 1 5 при температуре 90^oC в течение 1 ч. После этого опилки отжимают для удаления избытка раствора, сушат при температуре 60 80^oC и подвергают термообработке в сушильном шкафу при температуре 170^oC в течение 1 ч. После окончания термообработки опилки промывают водой до отрицательной реакции по фосфат-ион и сушат на воздухе до постоянного веса.1 kg of birch sawdust fractions of 0.5-5 mm fraction are treated with 5 l of a solution of the composition, mol / l: phosphoric acid 2.0, urea 6.0, t: w 1 5 at a temperature of 90 ^o C for 1 h. After that, the sawdust is squeezed to remove excess solution, it is dried at a temperature of 60 80 ^o C and subjected to heat treatment in an oven at a temperature of 170 ^o C for 1 h. After the end of the heat treatment, the sawdust is washed with phosphate ion to a negative reaction and air dried to constant weight.

Для сорбентов, полученных по примерам 1 3, были определены значения статистической обменной емкости (СОЕ) по ионам кальция и меди, а также коэффициенты распределения микроколичеств Pu(IV), UO $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2+}}{\text{2}}$ и Am (III) в растворе и проведен их химический анализ на содержание фосфора в твердой фазе. Данные представлены в таблице.For the sorbents obtained according to examples 1 to 3, the values of the statistical exchange capacity (SOE) for calcium and copper ions were determined, as well as the distribution coefficients of trace amounts of Pu (IV), UO $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2+}}{\text{2}}$ and Am (III) in solution and their chemical analysis for the content of phosphorus in the solid phase was carried out. The data are presented in the table.

Представленные данные показывают, что сорбенты, полученные заявленным способом, обладают повышенной по сравнению с прототипом емкостью и селективностью к ионам трансурановых элементов. The presented data show that the sorbents obtained by the claimed method have a higher capacity and selectivity for transuranic elements ions compared to the prototype.

Claims (3)

1. Способ получения сорбента, включающий обработку целлюлозосодержащего материала раствором смеси фосфорной кислоты и мочевины при нагревании, термообработку, промывку и сушку полученного продукта, отличающийся тем, что в качестве целлюлозосодержащего материала используют древесные опилки лиственных пород, обработку ведут раствором состава: фосфорная кислота 0,5 2 моль/л, мочевина 2 6 моль/л при 60 90^oС, а термообработку осуществляют при 140 170^oС.1. A method of producing a sorbent, including treating a cellulose-containing material with a solution of a mixture of phosphoric acid and urea by heating, heat treatment, washing and drying the resulting product, characterized in that hardwood sawdust is used as a cellulose-containing material, the treatment is carried out with a solution of the composition: phosphoric acid 0, 5 2 mol / l, urea 2 6 mol / l at 60 90 ^o C, and heat treatment is carried out at 140 170 ^o C. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку опилок раствором смеси фосфорной кислоты и мочевины проводят при соотношении твердой и жидкой фаз 1 /5 20/ в течение 1 3 ч. 2. The method according to claim 1, characterized in that the processing of sawdust with a solution of a mixture of phosphoric acid and urea is carried out at a ratio of solid and liquid phases 1/5 20 / for 1 to 3 hours 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что термообработку при 140 - 170^oС проводят в течение 1 3 ч.3. The method according to PP.1 and 2, characterized in that the heat treatment at 140 - 170 ^o With is carried out for 1 to 3 hours

Images