Способ извлечения перхлорат-иона из водного раствора

Способ извлечения перхлорат-иона из водного раствора

Реферат

Изобретение относится к химической промышленности, а более конкретно для извлечения перхлорат-иона из высококонцентрированного технологического раствора, имеющего сложный нитратно-хлоридно-сульфатно-иодатный состав.

В настоящее время известно использование промышленно выпускаемых сильноосновных анионообменных смол на полистирольной и полиакриловой основе в технологиях очистки природных подземных и наземных (ground water and surface water) вод от примесей перхлорат-ионов.

Так, известен способ извлечения перхлорат-иона из водного раствора (см. Batista J.R. et al. - The removal of perchlorate from waters using ion-exchange resins. - "Perchlorate in the Environment". - N.Y., 2000, p.p. 135-145) путем пропускания его через стандартный промышленный высокоосновный анионит в хлоридной форме производства фирм Sybron Chemicals и Purolite и последующей регенерации смолы в водном растворе хлористого натрия.

Недостатком известного способа является низкая селективность извлечения перхлорат-иона из высококонцентрированного раствора сложного солевого состава.

Известен способ извлечения перхлорат-иона из водного раствора (см. патент США №6407143, МПК C 08 J 005/20, опубликован 18.06.2002), включающий пропускание раствора через высокоосновный анионит в хлоридной форме и его последующую регенерацию в составе, включающем жидкий сверхкритический диоксид углерода и поверхностно-активный компонент, содержащий хлориды четвертичных аммонийных оснований (quaternary ammonium chloride surfactants).

Известный способ сложен в осуществлении и к тому же имеет недостаточную эффективность извлечения перхлорат-иона из высоко концентрированного раствора сложного солевого состава.

Известен способ извлечения перхлорат-иона из водного раствора (см. патент США №6448299, МПК B 01 J 49/00, опубликован 10.09.2002), включающий пропускание раствора через специально изготовленный высокоосновный анионит в хлоридной форме и его последующую регенерацию смесью FeCl₃ и HCl в водно-спиртовом растворе.

Известный способ требует применения сложной и затратной технологии для регенерации смолы, что ограничивает область его использования.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является способ извлечения перхлорат-иона из водного раствора (см. патент США №6066257, МПК C 02 F 1/58, опубликован 23.05.2000), включающий пропускание раствора через высокоосновный анионит в хлоридной (Cl^-) форме и его последующую регенерацию солями щелочных металлов, главным образом, хлористым натрием (NaCl).

Известный способ-прототип показал недостаточную эффективность при извлечении перхлорат-иона из высококонцентрированного раствора сложного солевого состава.

Задачей изобретения являлась создание такого способа извлечения перхлорат-иона из водного раствора, который бы позволял с высокой степенью эффективности извлекать перхлорат-ион из высококонцентрированного раствора сложного солевого состава.

Поставленная задача решается тем, что в способе извлечения перхлорат-иона из водного раствора, включающем пропускание раствора через высокоосновный анионит и последующую регенерацию упомянутого анионита в водном растворе соли металла, в качестве анионита используют анионит в нитратной форме, а его регенерацию осуществляют в водном растворе нитрата щелочного или щелочноземельного металла при температуре 0-60°С.

Прошедший регенерацию анионит может быть промыт водой и вновь использован для извлечения перхлорат-иона.

При отсутствии промышленно выпускаемого анионита в нитратной форме он может быть получен выдержкой в водном растворе нитрата щелочного металла высокоосновного анионита в хлоридной форме или высокоосновного анионита в основной (ОН^-) форме.

В качестве нитрата щелочного металла преимущественно используется нитрат калия или нитрат натрия.

В качестве нитрата щелочноземельного металла целесообразно использовать нитрат магния.

Регенерацию анионита в нитратной форме преимущественно осуществляют при температуре 0-45°С.

Регенерацию анионита в нитратной форме осуществляют в упомянутом водном растворе нитрата щелочного или щелочноземельного металла с концентрацией от 1 масс.% до концентрации насыщения при температуре регенерации.

Проведение регенерации анионита при температуре ниже 0°С приводит к снижению скорости процессов сорбции и регенерации и последующему замерзанию водного раствора нитрата щелочного или щелочноземельного металла. Проведение регенерации анионита при температуре выше 60°С отрицательно отражается на его сорбционных свойствах.

Заявитель не обнаружил в патентной и другой научно-технической литературе описания способа извлечения перхлорат-иона из водного раствора, содержащего совокупность существенных признаков заявляемого способа. По мнению заявителя, это свидетельствует о новизне заявляемого изобретения.

В просмотренных источниках информации не рассматривался вопрос о влиянии формы высокоосновной анионобменной смолы (хлоридной, основной или какой-либо другой) на величину сорбции перхлорат-ионов и степень регенерации смолы. Во всех известных заявителю способах используются промышленно изготовляемые или специально разработанные марки смол в Cl^- или ОН^- форме.

Авторами впервые получены данные о значительно большей эффективности использования высокоосновной смолы в нитратной (NO₃ ^-) форме для сорбции перхлорат-ионов по сравнению с традиционной хлоридной формой. Этот эффект достигается сочетанием применения смолы в NO₃ ^- форме и использования водных растворов нитратов щелочных и щелочноземельных металлов в качестве регенерирующих растворов.

Проведенное авторами сравнение заявляемого способа с известными, использующими сильноосновные аниониты в Cl^- форме и регенерацию раствором хлористого натрия (NaCl), в одинаковых условиях, показало, что при близких значениях величины сорбции перхлорат-иона степень десорбции, определяющая эффективность всей технологии, по заявляемому способу в несколько раз выше. При использовании известного способа-прототипа степень регенерации не превышает 20% даже при повышенной температуре (40°С) и регенерации концентрированным (30%) раствором NaCl, в то время как уже при температуре 20°С регенерация сильноосновного анионита в NO₃ ^- форме раствором NaNO₃ достигает 50%, Mg(NO₃)₂ - около 60%, а регенерация растворами КНО₃ в интервале температур от 0 до 40°С достигает 100%.

Таким образом, использование в заявляемом способе сильноосновного анионита в нитратной форме и осуществление его регенерации в водном растворе нитрата щелочного или щелочноземельного металла при температуре 0-60°С обеспечивает повышение эффективности сорбционного извлечения перхлорат-иона из высококонцентрированного раствора сложного солевого состава, что, по мнению заявителя, позволяет считать заявляемое техническое решение удовлетворяющим критерию "изобретательский уровень".

Заявляемый способ извлечения перхлорат-иона из водного раствора поясняется чертежами, где

на фиг.1 в таблице 1 показаны сравнительные результаты измерений динамической обменной емкости сильноосновных анионитов в Cl^-и NO₃ ^- формах;

на фиг.2 в таблице 2 приведены сравнительные результаты измерений степени десорбции перхлорат-иона известным способом-прототипом и заявляемым способом (использовалось количество анионита, эквивалентное 5 г сухой смолы);

на фиг.3 в таблице 3 показаны сравнительные результаты измерений степени десорбции перхлорат-иона известным способом по патенту США (№6448299, МПК B 01 J 49/00, опубликован 10.09.2002) и заявляемым способом (использовалось количество анионита, эквивалентное 5 г сухой смолы);

на фиг.4 в таблице 4 приведены результаты исследования нескольких циклов сорбции-десорбции перхлорат-иона заявляемым способом.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. Высококонцентрированный раствор сложного солевого состава, содержащего перхлорат-ион, пропускают через колонку, наполненную высокоосновным анионитом в нитратной форме. Высокоосновный анионит в нитратной форме может быть получен из промышленных гелевых анионитов (АВ-17, Purolite А-400 и т.п.), переведенных из исходной хлоридной формы в нитратную форму. После извлечения перхлорат-иона из раствора проводят регенерацию анионита от перхлорат-иона раствором нитрата щелочного или щелочноземельного металла при температуре от 0 до 60°С. Далее циклы сорбции-десорбции повторяют.

Ниже приводятся примеры осуществления заявляемого способа извлечения перхлорат-иона из водных растворов. Заявляемый способ был апробирован на высококонцентрированных водных солевых растворах, состав которых приведен ниже:

Ионы,	Содержание, г/л
SO4 2-	40
NO3 -	290
Cl-	120
JO3 -	1
ClO4 -	4
Na+	146
K+	25
Mg2+	25

В связи с отсутствием промышленно выпускаемых высокоосновных анионитов в нитратной (NO₃ ^-) форме выпускаемые промышленностью аниониты АВ-17 и Purolite A-400, находящиеся в хлоридной форме, были переведены в нитратную форму. С этой целью 110 г исходного анионита А-400 и 100 г исходного анионита АВ-17 залили 400 мл воды, в которой предварительно растворили 50 г чистого нитрата натрия. После выдерживания в растворе в течение суток растворы слили, аниониты отфильтровали, промыли водой и высушили на воздухе. Полученные таким образом аниониты использовали в последующих экспериментах в качестве анионитов в нитратной форме.

Содержание перхлорат-иона в растворах определяли двумя независимыми аналитическими методами: ЯМР-спектроскопией и с помощью перхлорат-селективного электрода.

Пример 1. Порцию анионита АВ-17 в нитратной форме в количестве 5 г поместили в экспериментальную колонку и пропустили через нее технологический раствор указанного выше состава в количестве 400 мл при температуре 20°С. В собранных в процессе извлечения пробах определяли содержание перхлорат-иона, которое (в пересчете на KCiO₄) составило 1,003 г, а емкость воздушно-сухого анионита АВ-17 в нитратной форме составила 1,40 ммоль/г. Результаты эксперимента приведены в таблице 1 на фиг.1 (строка 2). Далее через 5 г анионита АВ-17, насыщенного перхлорат-ионом, пропускали свободный от перхлорат-иона 18%-ный раствор нитрата калия в количестве 200 мл при скорости потока 0,7 мл/мин. В собранных в процессе регенерации пробах определяли содержание перхлорат-иона и степень его извлечения, которая составила 95% (см. таблицу 2, строка 3 на фиг.2).

Пример 2. Определяли сорбцию перхлорат-иона, как в примере 1, но десорбцию проводили 10%-ным раствором нитрата калия в количестве 300 мл при скорости потока 1,0 мл/мин. Результаты эксперимента приведены в таблице 2 на фиг.2 (строка 4).

Пример 3. Определяли сорбцию перхлорат-иона, как в примере 1, но десорбцию проводили 24%-ным раствором нитрата калия в количестве 200 мл при скорости потока 1,0 мл/мин. Результаты эксперимента приведены в таблице 2, строка 5 на фиг.2.

Пример 4. Порцию анионита Purolite A-400 в нитратной форме в количестве 5 г поместили в экспериментальную колонну и пропустили через нее технологический раствор указанного выше состава в количестве 400 мл при температуре 20°С. В собранных в процессе извлечения пробах определяли содержание перхлорат-иона. Результаты эксперимента приведены в таблице 1, строка 4 на фиг.1. Далее через 5 г анионита Purolite A-400, насыщенного перхлорат-ионом, пропускали свободный от перхлорат-иона 10%-ный раствор нитрата калия в количестве 300 мл. В собранных в процессе регенерации пробах определяли содержание перхлорат-иона и степень его извлечения, которая составила 79% (см. таблицу 2, строка 6 на фиг.2).

Пример 5. Определяли сорбцию и десорбцию перхлорат-иона, как в примере 4, но при температуре 40°С. Результаты приведены в таблице 1, строка 5 (фиг.1) и в таблице 2, строка 6 (фиг.2).

Пример 6. Определяли сорбцию и десорбцию перхлорат-иона, как в примере 4, но сорбцию проводили при температуре 60°С, а десорбцию при температуре 3°С. Результаты приведены в таблице 1, строка 6 (фиг.1) и в таблице 2, строка 6 (фиг.2).

Пример 7. Определяли сорбцию перхлорат-иона при температуре 1°С, а десорбцию осуществляли 14%-ным раствором KNO₃ при температуре 3°С. Результаты приведены в таблице 1, строка 7 (фиг.1) и в таблице 2, строка 7 (фиг.2).

Примеры 8 и 9. Определяли сорбцию перхлорат-иона при температуре 20°С, а десорбцию осуществляли 24%-ным раствором KNO₃ при температуре 20 и 40°С. Результаты приведены в таблице 1, строка 4 (фиг.1) и в таблице 2, строка 8 (фиг.2).

Пример 10. Определяли сорбцию перхлорат-иона, как в примере 1, но десорбцию проводили 16%-ным раствором нитрата натрия в количестве 100 мл при скорости потока 2,5 мл/мин. Результаты эксперимента приведены в таблице 2, строка 9 на фиг.2.

Пример 11. Определяли сорбцию перхлорат-иона, как в примере 1, но десорбцию проводили раствором нитрата магния молярностью 3.3 в количестве 200 мл при скорости потока 0,8 мл/мин. Результаты эксперимента приведены в таблице 2, строка 10 на фиг.2.

Примеры 12 и 13. Для сравнения провели по способу-прототипу сорбцию перхлорат-иона на анионитах АВ-17 и Purolite A-400 в хлоридной форме и десорбцию раствором хлористого натрия. Результаты приведены в таблице 1, строки 1 и 3 (фиг.1) и в таблице 2, строки 1 и 2 (фиг.2). Как видно из приведенных данных, заявляемый способ имеет более высокую эффективность сорбционного извлечения перхлорат-иона из высококонцентрированного раствора сложного солевого состава и несравнимо большую глубину извлечения перхлорат-иона из анионита.

Было проведено также сравнение эффективности десорбции по заявляемому способу и известному способу, описанному в патенте США №6448299, в котором осуществляют десорбцию перхлорат-иона хлорным железом в вводно-спиртовом солянокислом растворе из смолы в хлоридной форме. Результаты сравнительных испытаний, приведенные в таблице 3 на фиг.3, показывают значительно более высокую степень десорбции по заявляемому способу.

Для оценки возможности многократного использования высокоосновного анионита в нитратной форме были проведены исследования нескольких циклов сорбции-десорбции перхлорат-иона на анионите АВ-17 в нитратной форме 15%-ными растворами KNO₃ при 20°С и на анионите Purolite A-400 в нитратной форме 25%-ными растворами KNO₃ при температуре 40°С. Результаты исследований приведены в таблице 4 на фиг.4. Полученные данные свидетельствуют о целесообразности многократного использования анионита без заметного ухудшения эффективности заявляемого способа.

Таблица 1
Марка анионита	Условия определения динамической обменной емкости (ДОЕ) анионита	ДОЕ, ммоль KCLO4/r сухого анионита
Скорость потока раствора, мл/мин	Температура, °С
АВ-17 в Cl- форме	2,5	20	1,26
АВ-17 в NO3 - форме	2,5	20	1,40
Purolite А-400 в Cl- форме	2,0	20	1,24
Purolite А-400 в NO3 - форме	2,0	20	1,40
Purolite А-400 в NO3 - форме	2,0	40	1,31
Purolite А-400 в NO3 - форме	2,0	60	1,29
Purolite А-400 в NO3 - форме	2,0	1	1,37

Таблица 2
Условия десорбции	Степень десорбции, %	Скорость потока при десорбции, мл/мин
АВ-17 в Cl- форме, раствор NaCl 12%, объем элюата 150 мл	20°С	10	1,5
40°С	13	1,0
Purolite А-400 в Cl- форме, раствор NaCl 30%, объем элюата 150 мл	40°С	18	1,5
АВ-17 в NO3 - форме, объем элюата 200 мл, раствор 18% KNO3	20°С	95	0,7
АВ-17 в NO3 - форме, объем элюата 300 мл, раствор 10% KNO3	20°С	85	1,0
АВ-17 в NO3 - форме, объем элюата 200 мл, раствор 24% KNO3	20°С	95	1,0
Purolite A400 в NO3 - форме, объем элюата 300 мл, раствор 10% KNO3	20°С	79	1,0
40°С	100	1,0
3°С	70	2,0
Purolite А-400 в NO3 - форме, объем элюата 300 мл, раствор 14% KNO3	3°С	84	1,0
Purolite А-400 в NO3 - форме, объем элюата 300 мл, раствор 24% KNO3	20°С	88	1,0
40°С	98	1,0
АВ-17 в NO3 - форме, объем элюата 100 мл, раствор 16% MaNO3	20	46	2,5
АВ-17 в NO3 - форме, объем элюата 200 мл, раствор 3,3 М Mg(NO3)2	20	57	0,8

Таблица 3
Анионит и элюат	Температура, °С	Степень десорбции, %	Скорость потока при десорбции, мл/мин
Раствор FeCl3+HCl+этанол 35%, объем элюата 200 мл, 10 г сухой смолы АВ-17 в Cl- форме	20	28	2,5
24	0,8
40	22	2,0
АВ-17 в NO3 - форме, объем элюата 200 мл, раствор 18% KNO3	20	95	0,7
АВ-17 в NO3 - форме, объем элюата 300 мл, раствор 10% KNO3	20	85	1,0
АВ-17 в NO3 - форме, объем элюата 200 мл, раствор 24% KNO3	20	95	1,0
Purolite A-400 в NO3 - форме,объем элюата 300 мл, раствор 10% KNO3	20	79	1,0
40	100	1,0
Purolite A-400 в NO3 - форме, объем элюата 300 мл, раствор 24% KNO3	20	88	1,0
40	98	1,2

Таблица 4
Параметры процесса	Номер цикла
1	2	3
Анионит АВ-17, 20 °С:
Емкость анионита (ммоль KCiO4/г) при сорбции (скорость 2 мл/мин)	0,97	0,97	1,07
Степень десорбции (%) при скорости 1 мл/мин, объем элюата - 300 мл, сухой смолы - 5 г	100	75	60
Анионит Purolite А-400, 40С:
Емкость анионита (ммоль KCiO4/г) при сорбции (скорость 2 мл/мин)	1,33	1,31	1,32
Степень десорбции (%) при скорости 1 мл/мин, объем элюата 150 мл, сухой смолы - 5 г	100	100	95

1. Способ извлечения перхлорат-иона из водного раствора, включающий пропускание раствора через высокоосновный анионит и последующую регенерацию упомянутого анионита в водном растворе соли металла, отличающийся тем, что в качестве упомянутого анионита используют анионит в нитратной форме, а его регенерацию осуществляют в водном растворе нитрата щелочного или щелочноземельного металла при температуре 0-60°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после регенерации анионит в нитратной форме промывают водой для повторного использования.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутый анионит в нитратной форме получают выдержкой в водном растворе нитрата щелочного металла высокоосновного анионита в хлоридной форме.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутый анионит в нитратной форме получают выдержкой в водном растворе нитрата щелочного металла высокоосновного анионита в основной (ОН-) форме.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нитрата щелочного металла используют нитрат калия.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нитрата щелочного металла используют нитрат натрия.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нитрата щелочноземельного металла используют нитрат магния.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутую регенерацию анионита в нитратной форме осуществляют при температуре 0-45°С.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутую регенерацию анионита в нитратной форме осуществляют в упомянутом водном растворе нитрата щелочного или щелочноземельного металла с концентрацией от 1 мас.% до концентрации насыщения при температуре регенерации.