Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения активного угля из соломы

Изобретение относится к области сорбционной техники и может быть использовано для получения активных углей (АУ), применяемых в очистке питьевой и сточной воды, а также для извлечения ценных компонентов из технологических растворов.

Известен способ получения АУ из растительного сырья путем его измельчения, просеивания, сушки и пропитки раствором хлорида цинка в массовом соотношении сырья к хлориду цинка 1:(1-4) с последующей сушкой и химической активацией в условиях вакуума со скоростью подъема температуры 5-15°С/мин до 400-450°С с выдержкой при конечной температуре 1 час, после чего проводят отмывку химического активатора (ZnCl₂) последовательно кислотой и водой и осуществляют окончательную сушку продукта (см. патент Univ Central South №101497493, опубликованный 05.08.2009 г., кл. С01В 31/00; С01В 31/12).

Недостатком известного способа является сложность проведения технологического процесса и образование большого объема сточных вод.

Наиболее близким к предложенному способу по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения активного угля из соломы крестоцветных масличных культур, включающий дробление исходной соломы, ее карбонизацию, активацию водяным паром и измельчение, отличающийся тем, что перед карбонизацией измельченные куски опрессовывают в брикеты при давлении 500-1200 кг/см², карбонизацию ведут со скоростью подъема температуры 1-4°С/мин до конечной температуры 700-750°С, а активацию осуществляют при температуре 820-840°С, причем используют солому крестоцветных масличных культур с содержанием углерода в сухом веществе 38-40 масс. % (см. патент РФ №2562984 кл. С01В 31/08, опубликованный 10.09.2015 г.).

Недостатком прототипа является низкая адсорбционная активность получаемого активного угля при извлечении из водных растворов редкоземельного элемента церия (Се).

Техническим результатом (целью изобретения) является повышение адсорбционной активности получаемого активного угля по извлечению церия из водных растворов.

Поставленная цель достигается предлагаемым способом, включающим дробление исходной соломы, ее карбонизацию при 700-750°С, активацию и измельчение, отличающимся тем, что в качестве соломы используют солому льна, а активацию осуществляют при температуре 860-890°С углекислым газом, подаваемым с расходом 2-4 кг на 1 кг карбонизованного продукта.

Отличие предлагаемого способа от известного заключается в том, что в качестве соломы используют солому льна, а активацию осуществляют при температуре 860-890°С углекислым газом, подаваемым с расходом 2-4 кг на 1 кг карбонизованного продукта.

Из научно-технической и патентной литературы авторам не известен способ получения АУ, в котором в качестве соломы используют солому льна, а активацию осуществляют при температуре 860-890°С углекислым газом, подаваемым с расходом 2-4 кг на 1 кг карбонизованного продукта.

Для понимания цели заявленного технического решения следует сказать, что редкоземельные элементы (лантаноиды) находятся в перерабатываемом гидрометаллургическими методами минеральном сырье в малых концентрациях и, как правило, совместно с другими металлами. Поэтому важно получить такой АУ, который бы эффективно извлекал тот или иной редкоземельный элемент.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем: солома льна, в отличие от других видов соломы, имеет плотную и прочную структуру, что предполагает развитие в таком углеродосодержащем материале большого количества кристаллитов - зародышей микропор. Использование для их вскрытия при активации более «мягкого» окислителя - углекислого газа (СО₂) по реакции

С_тв+CO₂=2СО↑

позволяет увеличить долю микропор в общем суммарном объеме пор, а с другой стороны, обеспечивает их одинаковую эквивалентную ширину, что в конечном итоге способствует эффективному поглощению именно ионов церия из раствора.

Способ осуществляют следующим образом. Берут солому льна, измельчают ее на куски длиной 1-3 см, загружают их в ретортную (или вращающуюся) печь и карбонизуют в атмосфере СО₂ со скоростью подъема температуры 3-8°С/мин до конечной температуры 700-750°С. Затем, после выдержки в течение 10-15 мин, поднимают температуру до 860-890°С и переводят печь в режим активации. Активацию осуществляют углекислым газом, подавая его с расходом 2-4 кг на 1 кг карбонизованного продукта. Активацию ведут до обгара 30-50% масс., что обеспечивает развитие суммарного объема пор до 1,8-2,1 см³/г и объема тонких микропор до объема 0,15 см³/г.

По завершении процесса реторту охлаждают, выгружают из нее полученный АУ, проводят его измельчение на шаровой или дисковой мельнице до размера частиц <100 мкм. Полученный АУ отправляют на определение адсорбционной активности по церию.

Готовят модельный раствор хлорида церия объемом 100 мл с концентрацией 0,05 г/л. Затем в раствор вводят дозу АУ, равную 2 г, и осуществляют контакт угля с раствором в течение 30 мин. при постоянном перемешивании. Адсорбционную активность АУ по церию определяют по формуле

где а - адсорбционная способность АУ, мг/г;

С_исх - исходная концентрация церия, мг/л;

С_ост - остаточная концентрация церия, мг/л;

m - масса навески АУ, г.

Саму концентрацию церия в растворе определяют методом индукционно-связанной плазмы.

Полученный АУ имел адсорбирующую активность по церию 52-75 мг/г.

Пример 1. Берут 100 г соломы льна, режут на куски длиной 1-3 см, загружают их в стальную реторту, которую закрывают крышкой с отводами, и помещают в электрическую печь типа СШОЛ-116. Подают в реторту углекислый газ для создания инертной атмосферы и начинают нагрев реторты со скоростью подъема температуры 5°С/мин до конечной температуры 700-750°С. Затем, после выдержки в течение 10-15 мин, поднимают температуру до 860°С и переводят реторту в режим активации, увеличивая подачу СO₂ до расхода 2 кг на 1 кг карбонизованного продукта. Активацию ведут до обгара 40% масс. (время активации обычно 30-40 мин).

Затем реторту охлаждают до комнатной температуры, выгружают из нее полученный АУ, измельчают его на шаровой мельнице в течение 1 часа до размера частиц <100 мкм. Полученный порошковый АУ направляют на определение его адсорбционной активности по церию.

Адсорбционная активность полученного в примере 1 активного угля по церию составила 52 мг/г.

Пример 2. Осуществление процесса, как в примере 1, за исключением того, что активацию осуществляют при температуре 890°С при расходе CO₂, равном 4 кг на 1 кг карбонизованного продукта.

Адсорбционная активность полученного активного угля по церию составила 67 мг/г.

Пример 3. Осуществление процесса, как в примере 1, за исключением того, что активацию осуществляют при температуре 875°С при расходе CO₂, равном 3 кг на 1 кг карбонизованного продукта.

Адсорбционная активность полученного активного угля по церию составила 75 мг/г.

Адсорбционная активность АУ, полученного по способу, изложенному в прототипе (патент РФ №2562984), составила 27 мг/г.

В результате экспериментов было установлено влияние режимных параметров активации на достижение цели изобретения. Так, если температура активации снижается ниже 860°С, значительно увеличивается время активации, т.к. углекислый газ является менее реакционно-способным активатором по сравнению с водяным паром, а при повышении температуры активации выше 890°С начинается развитие в АУ мезо- и макропор, слабо поглощающих ионы церия из раствора.

Расход активатора - углекислого газа - в случае его снижения менее 2 кг на 1 кг карбонизованного продукта приводит к развитию очень тонких микропор (<0,6 нм), что вследствие «ситового» эффекта ухудшает адсорбцию церия. С другой стороны, увеличение расхода углекислого газа свыше 4 кг на 1 кг карбонизованного продукта повышает поверхностный обгар и снижает резко долю микропор в активном угле.

Таким образом из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение поставленной цели, а вся совокупность является достаточной для характеристик заявленного технического решения.