Неуглеродные сорбенты в процессах водоочистки

Для очистки воды все большее применение находят неуглеродные сорбенты естественного и искусственного происхождения (глинистые породы, цеолиты и некоторые другие материалы).

Использование таких сорбентов обусловлено достаточно высокой ёмкостью их, избирательностью, катионообменными свойствами некоторых из них, сравнительно низкой стоимостью и доступностью (иногда как местного материала).

Глинистые породы – наиболее распространённые неорганические сорбенты для очистки воды. Они обладают развитой структурой с микропорами, имеющими различные размеры в зависимости от вида минерала. Большая часть из них обладает слоистой жёсткой или расширяющейся структурой.

Механизм сорбции загрязнений на глинистых материалах достаточно сложен и включает Ван-дер-ваальсовые взаимодействия углеводородных цепочек с развитой поверхностью микрокристаллов силикатов и кулоновское взаимодействие заряженных и поляризованных молекул загрязнений с положительно заряженными участками поверхности сорбента, содержащими ионы Н⁺ и Аl⁺.

Наибольшее распространение глинистые материалы получили для обесцвечивания воды, удаления неорганических примесей и особо токсичных хлорорганических соединений и гербицидов, а также различных ПАВ.

Природные сорбенты добывают в непосредственной близости от места потребления, что постоянно расширяет масштаб их применения для очистки воды.

Цеолиты – разновидности алюмосиликатных каркасных материалов. Эти материалы имеют отрицательный трехмерный алюмосиликатный каркас со строго регулярной тетраэдрической структурой. В промежутках каркаса находятся гидратированные положительные ионы щелочных и щелочно-земельных металлов, компенсирующих заряд каркаса и молекулы воды. В адсорбционные полости цеолитов сорбируются лишь молекулы веществ, критический размер которых меньше эффективного размера входного окна, от этого и их второе название – молекулярные сита.

Известно более 30 видов природных цеолитов, но лишь часть из них образует крупные месторождения (80 % концентратов), удобные для промышленной переработки. Наиболее распространённые природные цеолиты: шабазит (Na₂Ca)О • А1₂О₃ • 4SiО₂ • 6Н₂О с размером окон 0,37-0,50 нм; морденит (Na₂K₂Ca)О • А1₂О₃ • 10SiО₂ • 6,7Н₂О с размером окон 0,67-0,70 нм; клинопптиломит (Na₂K₂Ca)О • А1₂О₃ • 10SiО₂ • 8Н₂О.

Для получения прочных и водостойких фильтрующих материалов из природных цеолитов их, так же как и глины, нагревают в печах с хлоридом, карбонатом натрия при 1000 °С.

Обработка поверхности цеолитов кремнийорганическими соединениями делает ее гидрофобной, что улучшает сорбцию нефти из воды.

Природные цеолиты используются в виде порошков и фильтрующих материалов для очистки воды от ПАВ, ароматических и канцерогенных органических соединений, красителей, пестицидов, коллоидных и бактериальных загрязнений.

Кроме цеолитов и природных глин перспективными являются неорга­нические иониты. Среди них можно выделить следующие:

1. Гранулированные методом замораживания труднорастворимые фос­фаты металлов (циркония, титана, хрома, железа, тория, сурьмы и др.), прежде всего, цирконилфосфат (Zr₂О)_m(Н₂РO₄)_n с различным отношением m:n, отли­чающийся высокой ёмкостью обмена, термической и радиационной устойчи­востью и высокой селективностью к ионам цезия, рубидия, калия и аммония, а также таллия. Цирконилфосфат устойчив в концентрированных кислотных и солевых растворах, сохраняя в них высокую ионообменную ёмкость и избира­тельность к вышеуказанным катионам.

Цирконилфосфат может быть использован для извлечения из сильно­кислых и сильноминерализованных радиоактивных растворов долгоживущего изотопа ¹³⁷Сs; для разделения продуктов радиоактивного распада урана в атомных реакторах: ⁸⁹Sr- ³⁷Сs, ⁸⁹Sr-¹⁴⁴Сs, ⁹⁰Sr-⁹⁰U; для отделения ⁹⁵Nb и ⁹⁵Zr от ¹⁰⁶Ru; для извлечения ионов таллия из растворов в производстве и при исполь­зовании солей таллия.

2. Синтетические титано- и цирканосиликаты, обладающие молекулярноситовыми свойствами цеолитового уровня, высокой обменной емкостью и селективностью к ряду катионов.

3. Труднорастворимый кристаллический оксалат циркония, селектив­ный по отношению к катионам свинца и калия.

4. Труднорастворимые соли поли- и гетерополикислот: фосформолибдаты, фосфорвольфраматы, вольфраматы, фосфорарсенаты, производные фосфорносурьмяной кислоты, кремнесурьмяной кислоты и другие, обладаю­щие селективностью к редким, щелочным, щелочно-земельным и тяжелым ме­таллам.

5. Ферроцианиды щелочных и тяжелых металлов (железа, меди, цинка, молибдена, никеля, титана, олова, ванадия, урана, вольфрама и т.п.), способ­ные к избирательной сорбции ионов Рb⁺, используются также для поглоще­ния Rb, Сs из растворов и Т1⁺ из водных растворов. Например, с помощью ферроцианида щелочного металла и никеля эффективно извлекается рубидий из отработанного раствора при переработке карналлитовых руд.

6. Нерастворимые сульфиды и гидроксиды металлов. Например, извест­но о возможности успешной очистки никелевых электролитов от примесей ионов меди, свинца, кадмия, мышьяка, сурьмы, олова, висмута с помощью не­растворимого сульфида никеля, от примесей железа (II) и кобальта (II) с помощью гидроксидов никеля в сочетании с органическим сильноосновным анионитом АВ-17 на конечной стадии очистки.

Многие катиониты могут работать только в солевых формах (натриевой, кальциевой и т.д.) и не могут применяться в технологии обессоливания и опреснения сточных и природных вод. Кроме того, обессоливание воды невозможно без одновременного использования анионитов, которые среди неорганических минералов и соединений встречаются весьма редко.

Эти обстоятельства в немалой степени способствовали бурному развитию синтеза органических катионитов и анионитов на основе синтетических органических соединений, получивших широкое применение в технологии обессоливания воды, в гидрометаллургии драгоценных и цветных металлов, в технологии очистки сточных вод и в других отраслях.