Патент на изобретение №2259957
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) КАТАЛИЗАТОР НА ОСНОВЕ СЕЛИКАГЕЛЯ, ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАННОГО ДИОКСИДОМ МАРГАНЦА
(57) Реферат:
Изобретение относится к области водоподготовки питьевой воды и, в частности, может быть использовано для каталитической очистки природных вод от растворенного железа. Предложен катализатор для окисления в природных водах растворенного двухвалентного железа на основе силикагеля, термомодифицированного диоксидом марганца – MnO2, причем модифицирование осуществляют путем прокаливания при 400°С пропитанного раствором нитрата марганца свежеосажденного геля кремниевой кислоты, а содержание MnO2 в гранулированном катализаторе составляет 6,5-13 мас.%. Изобретение обеспечивает увеличение активности катализатора, существенное сокращение выноса марганца с катализатора в обрабатываемую воду, а также обеспечение возможности обезжелезивания природных вод с высоким содержанием двухвалентного железа. 3 табл.
Изобретение относится к области водоподготовки питьевой воды, в частности может быть использовано для каталитической очистки природных вод от растворенного железа. Анализ современного уровня знаний в этой области показывает, что известны катализаторы для обезжелезивания воды, в частности на основе диоксида марганца MnO2: зернистая загрузка с нанесенным на нее реагентом – полиперманганитом меди формулы (Cu, Mn)O·mMnO2·nH2O – позволяет при высоте фильтрующего слоя 50 см и скорости фильтрования 5-7 м/ч полностью окислить Fe2+ в Fe3+ при исходном содержании растворенного железа до 6,75 мг/л [1]. Недостатком указанного катализатора является его низкая каталитическая активность, что ограничивает применение для обезжелезивания воды с высоким содержанием железа (до 30 мг/л и более). Наиболее близким аналогом к заявляемому катализатору для обезжелезивания воды является так называемый “черный песок” – кварцевый песок, покрытый пленкой MnO2, который образуется при последовательном смачивании песка 10% раствором MnCl2 и 1% KMnO4 [2]. Недостатком указанного катализатора является его невысокая каталитическая активность для обработки воды с высоким содержанием растворенного железа, а также повышенный вынос марганца в обрабатываемую воду, содержание которого в питьевой воде строго лимитируется санитарными нормами. Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в том, чтобы увеличить активность катализатора и существенно уменьшить вынос марганца с катализатора в обрабатываемую воду. Для решения поставленной задачи предложен термический способ нанесения MnO2 на силикагель и определен оптимальный диапазон содержания MnO2 в катализаторе, при котором каталитическая активность максимальна, а вынос марганца минимален. Приготовление катализатора заключается в следующем. Смешивают в равных объемах жидкое стекло Na2SiO3·9H2O (пл.1,15) и соляную кислоту HCl (пл.1,165), в течение 10-15 мин наступает коагуляция смеси. Образовавшийся гель оставляют на сутки, затем разрезают на крупные куски и промывают декантацией водой до полного удаления хлорид-ионов. В приготовленный гель силикагеля добавляют раствор нитрата марганца Mn(NO3)2 в концентрации, необходимой для получения определенного массового содержания MnO2 в катализаторе, и оставляют на сутки. Силикагель, пропитанный раствором нитрата марганца, сушат при комнатной температуре в течение 3 суток, затем в сушильном шкафу при температуре 110°С в течение 10-12 ч при периодическом перемешивании. После сушки силикагель прокаливают в муфельной печи при температуре 400°С в течение 4 ч при периодическом перемешивании. После охлаждения силикагель тщательно растирают и отсеивают через набор сит для получения необходимых фракций. Полученный катализатор несколько раз промывают 2 н. раствором азотной кислоты HNO3 до отсутствия в промывных водах мелких частиц, вновь заливают 2 н. HNO3 и нагревают на водяной бане в течение 1 ч. Кислоту сливают, катализатор промывают 2 н. HNO3 до тех пор, пока промывной раствор не станет бесцветным, и окончательно промывают дистиллированной водой до нейтральной реакции промывных вод. Катализатор отфильтровывают и сушат в сушильном шкафу при температуре 110°С в течение 3-4 ч до получения сухой рассыпающейся массы. Отличительной и существенной особенностью предлагаемого катализатора является то, что приготовленный таким образом катализатор при оптимальном содержании MnO2 (6,5-13 мас.%) обладает максимальной реакционной поверхностью и, соответственно, каталитической активностью – сохраняется разветвленная микропористая структура термомодифицированного силикагеля, при этом значительно увеличивается прочность сцепления MnO2 с сорбентом, что уменьшает истираемость катализатора и существенно снижает вынос марганца в обрабатываемую воду. Нижеприведенные примеры иллюстрируют преимущества заявляемого катализатора. Экспериментальные исследования проводились на модельных растворах, приготовленных на дистиллированной воде, с исходным содержанием Fe2+ до 36 мг/л. Процесс окисления Fe2+ в Fe3+ заключался в следующем. В барботажную камеру диаметром 5 см и объемом 330 мл заливается раствор Fe2+, в камеру помещался катализатор, в расчете 1,5 г на 1 л реакционного объема, фракции 0,15-0,25 мм с заданным массовым содержанием MnO2 и при фиксированной скорости подавался диспергированный воздух. Через определенные интервалы времени проводился отбор проб и анализ остаточной концентрации Fe2+. Так как кинетика окисления Fe2+ в Fe3+ удовлетворительно описывается уравнением кинетики первого порядка, то в качестве критерия каталитической активности было выбрано сопоставление констант скорости реакции окисления k для различных исследуемых случаев. В табл.1 в зависимости от скорости барботажа воздуха приведено сравнение каталитической активности термомодифицированного силикагеля – нанесение MnO2 осуществлялось термическим разложением Mn(NO3)2, и химически модифицированного – осаждение MnO2 на силикагель осуществлялось в результате окислительно-восстановительного процесса между соединениями марганца в низших (MnCl2) и в высших (KMnO4) степенях окисления. Начальное содержание Fe2+ во всех экспериментах составляло 36 мг/л, массовая доля MnO2 в катализаторах – 13%. Для обоих видов катализаторов в аналогичных условиях исследовался вынос марганца в очищаемую воду. Массовая доля MnO2 во всех экспериментах составляла 20%, исходная концентрация Fe2+ в воде – 12 мг/л. Накопление марганца (в пересчете на Mn2+) в обработанном растворе за 60 мин барботажа воздуха приведено в табл.2, данные которой наглядно отражают существенное снижение выноса марганца в случае использования термомодифицированного катализатора. В аналогичных условиях исследовалась активность термомодифицированного катализатора в зависимости от массовой доли Таким образом, заявляемый катализатор позволяет: – увеличить скорость окисления Fe2+ в Fe3+ и, соответственно, производительность технологии обезжелезивания в 1,7-2,4 раза; – уменьшить вынос марганца в обрабатываемую воду в 20-40 раз; – обеспечить возможность обезжелезивания природных вод с высоким содержанием двухвалентного железа (до 30 мг/л и более).
Источники информации. 1. А.с. СССР №1198016, кл. С 02 F 1/64, В 01 D 37/02, Б.И. №46, 1985. 2. Л.А.Кульский, П.П.Строкач. Технология очистки природных вод. Киев: Вища школа, 1986, с.219-220.
Формула изобретения
Катализатор для окисления в природных водах растворенного двухвалентного железа на основе силикагеля, термомодифицированного диоксидом марганца – MnO2, отличающийся тем, что модифицирование осуществляют путем прокаливания при 400°С пропитанного раствором нитрата марганца свежеосажденного геля кремниевой кислоты, а содержание MnO2 в гранулированном катализаторе составляет 6,5-13 мас.%.
MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 06.05.2006
Извещение опубликовано: 27.04.2007 БИ: 12/2007
MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 06.05.2006
Извещение опубликовано: 20.06.2007 БИ: 17/2007
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(MnO2) на силикагеле. Скорость барботажа воздуха во всех экспериментах составляла 21 м/ч, начальное содержание Fe2+ в воде – 35 мг/л. Рассчитанные по результатам экспериментов константы скорости окисления Fe2+ в Fe3+ приведены в табл.3, из данных которой следует, что максимальная скорость окисления соответствует содержанию MnO2 в катализаторе в диапазоне 6,5-13 мас.%.
воздуха, м/ч