Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения активного угля

Изобретение относится к способу получения активного угля на основе полимерных композиционных материалов и может быть использовано в жидкофазных и газофазных сорбционных технологиях.

Известен способ получения дробленого активного угля на основе сополимеров фурфурола и эпоксидной смолы, включающий смешение фурфурола с эпоксидной смолой и серной кислотой, отверждение смеси, карбонизацию и активацию, причем отверждение проводят путем выдерживания смеси при 150-170°С в течение 12-15 часов, после чего осуществляют дробление брикета с получением зерен размером 0,2-3,5 мм, которые подвергают карбонизации при 450-500°С в потоке углекислого газа и активируют до достижения обгара 55-62% (см. Пат. РФ №2404919, кл. С01В 31/08, опубл. 27.11.2010).

Недостатком известного способа является опасность токсичных газовыделений продуктов термической деструкции серной кислоты.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения активного угля, включающий нагревание материала на основе волокна из ароматического полиамида в инертной среде с последующей выдержкой и охлаждением, причем перед нагреванием материал измельчают, пропитывают 25-50%-ным раствором гидроксида калия и сушат при температуре не выше 40°С, нагревание ведут до 500-600°С со скоростью подъема температуры 4-7°С/мин с выдержкой при конечной температуре 30-60 мин и после охлаждения осуществляют отмывку водой до нейтрального рН и сушку (АС СССР №1791377 Кл. С01В 31/08, опубл. 30.01.1989).

Целью изобретения является повышение адсорбционной активности получаемого активного угля по извлечению бензола и толуола из воды.

Поставленная цель достигается предлагаемым способом, включающим измельчение исходного сырья, его пропитку раствором гидроксида калия, сушку при температуре не выше 40°С, термическую обработку в токе азота с выдержкой при конечной температуре, охлаждение, отмывку дистиллированной водой до нейтрального рН и окончательную сушку, при этом в качестве исходного сырья используют твердый композит полиамида со связующим, коэффициент пропитки композита гидроксидом калия составляет 1:(1,4-1,6), термообработку ведут со скоростью нагрева 10-15°С/мин до конечной температуры 650-720°С, а в качестве исходного сырья используют твердый композит, содержащий 75-80 масс. % волокон полиамидбензимидазола и 20-25 масс. % эпоксидной смолы ЭД-20 (по ГОСТ 10587-84) в качестве связующего, и исходный твердый композит измельчают до размера зерен 0,5-3,0 мм.

Отличие предлагаемого способа от прототипа состоит в том, что в качестве исходного сырья используют твердый композит полиамида со связующим, коэффициент пропитки композита гидроксидом калия составляет 1:(1,4-1,6), термообработку ведут со скоростью нагрева 10-15°С/мин до конечной температуры 650-720°С, а в качестве исходного сырья используют твердый композит, содержащий 75-80 масс. % волокон полиамидбензимидазола и 20-25 масс. % эпоксидной смолы ЭД-20 в качестве связующего, и исходный твердый композит измельчают до размера зерен 0,5-3,0 мм.

Авторам из научно-технической и патентной литературы не известен способ получения дробленого активного угля, в котором в качестве исходного сырья используют твердый композит полиамида со связующим, коэффициент пропитки композита гидроксидом калия составляет 1:(1,4-1,6), термообработку ведут со скоростью нагрева 10-15°С/мин до конечной температуры 650-720°С, а в качестве исходного сырья используют твердый композит, содержащий 75-80 масс. % волокон полиамидбензимидазола и 20-25 масс. % эпоксидной смолы ЭД-20 в качестве связующего, и исходный твердый композит измельчают до размера зерен 0,5-3,0 мм.

Анализ сточных вод нефтехимических производств показывает, что характерными примесями в них являются бензол и толуол. Для поглощения из водных растворов ароматических углеводородов такого типа активными углями в них необходимо развивать достаточный объем сорбирующих микро- и мезопор с энергетически высоким адсорбционным потенциалом. При получении активных углей на основе полиамидных материалов модифицирование исходного материала перед термической обработкой гидроксидом калия в виде раствора приводит к его взаимодействию с функциональными группами полиамида, обусловливающему эффективное проникновение ионов калия в структуру композита. При этом на стадии термической обработки калий внедряется в межплоскостную структуру образующихся кристаллитов, что должно обеспечивать образование тонких микропор, благоприятных для сорбции бензола и толуола. Однако конкретные эффективные режимы операций модифицирования, термической обработки и отмывки могут быть установлены только экспериментально.

Способ осуществляют следующим образом.

Берут фрагменты твердого композита полиамида и измельчают их до размеров зерен 0,5-3,0 мм. Затем зерна подвергают пропитке раствором гидроксида калия концентрацией 40 масс. %, обеспечивая массовое соотношение композита и гидроксида калия в пределах 1:(1,4-1,6). Продукт пропитки сушат при 35-40°С в течение 30-35 часов, после чего продукт нагревают в токе азота со скоростью нагрева 10-15°С/мин до конечной температуры 650-720°С и выдерживают при ней 40-60 мин. Затем материал промывают дистиллированной водой до нейтрального рН и сушат в сушильном шкафу при 110-115°С в течение 2 часов. Готовый активный уголь выгружают, охлаждают и оценивают его адсорбционную активность при извлечении бензола и толуола из их водных растворов концентрацией 1 ммоль/л. Полученный активный уголь имел адсорбционную способность по бензолу 3-4 ммоль/г и по толуолу 4-6 ммоль/г.

Пример 1.

Берут 1 кг фрагментов отвержденного композита, содержащего 75 г волокон полиамидбензимидазола и 25 г эпоксидной смолы ЭД-20, и измельчают их до размера зерен 0,5-3,0 мм. Затем зерна подвергают пропитке раствором гидроксида калия концентрацией 40%, обеспечивая соотношение композита и гидроксида калия 1:1,4. Продукт пропитки сушат при 40°С в течение 30 часов, после чего нагревают в токе азота со скоростью 10°С/мин. до конечной температуры 650°С и выдерживают при ней 40 мин. После этого обуглероженный материал промывают дистиллированной водой до нейтрального рН и сушат в сушильном шкафу при 110°С в течение двух часов. Готовый активный уголь выгружают, охлаждают и оценивают его адсорбционную способность по бензолу и толуолу при их извлечении из растворов концентрацией 1 ммоль/л. Его адсорбционная способность составила 3 ммоль/г по бензолу и 4 ммоль/г по толуолу.

Пример 2.

Осуществление процесса как в примере 1, за исключением того, что при пропитке обеспечивают соотношение композита, содержащего 80 г волокон полиамидбензимидазола и 20 г эпоксидной смолы ЭД-20, и гидроксида калия 1:1,6, нагрев высушенного продукта осуществляют со скоростью 15°С/мин до конечной температуры 720°С и выдерживают при ней 60 мин. Готовый активный уголь имел адсорбционную активность по бензолу и толуолу при извлечении из растворов концентрацией 1 ммоль/л 3,8 и 5,2 ммоль/г соответственно.

Пример 3.

Осуществление процесса как в примере 1, за исключением того, что при пропитке обеспечивают соотношение композита, содержащего 80 г волокон полиамидбензимидазола и 20 г эпоксидной смолы ЭД-20, и гидроксида калия 1:1,5, нагрев высушенного продукта осуществляют со скоростью 12°С/мин до конечной температуры 700°С и выдерживают при ней 60 мин. Готовый активный уголь имел адсорбционную активность по бензолу и толуолу 3,8 и 5,2 ммоль/г соответственно при их извлечении из растворов концентрацией 1 ммоль/л.

Экспериментально было установлено, что если соотношение композита и гидроксида калия меньше, чем 1:1,4, адсорбционная активность получаемого активного угля снижается вследствие недостаточного развития микропор. А если это соотношение выше, чем 1:1,6, существенно увеличивается время отмывки.

Активный уголь, полученный по прототипу (АС №1791377), имел адсорбционную активность по бензолу и толуолу 1,8 и 2,4 ммоль/г соответственно при их извлечении из растворов концентрацией 1 ммоль/л.

Относительно скорости нагрева импрегнированного высушенного материала установлено, что, если она превышает 15°С/мин, идет его вспучивание и увеличение объема макропор. В случае сокращения скорости нагревания ниже 10°С/мин происходит сильное уплотнение кристаллитов вследствие уменьшения расстояния между их макромолекулярными плоскостями, приводящее к формированию тонких микропор, недоступных молекулам бензола и толуола, что в обоих случаях снижает адсорбционную активность по этим молекулам.

Изучение влияния конечной температуры на адсорбционную активность показало, что ее увеличение выше 720°С ведет к графитизации обрабатываемого материала, а сокращение ниже 650°С повышает в нем содержание летучих веществ, не образующих кристаллитов, что в обоих случаях снижает адсорбционную активность по бензолу и толуолу.

Использование отвержденного композита на основе полиамидбензимидазола и эпоксидной смолы ЭД-20 позволяет получать зерненные формы активного угля, имеющие повышенную адсорбционную способность по сравнению с порошковой формой.

Выделение фракции зерен 0,5-3,0 мм наиболее благоприятно для гидродинамики процесса их термической обработки.

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 характеристики заявленного технического решения.