Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХЕМОСОРБЕНТА

Изобретение относится к области сорбционной техники и может быть использовано для получения хемосорбентов, применяемых в средствах защиты органов дыхания (противогазы и фильтры-поглотители), а также для санитарной очистки отходящих газов.

Основной характеристикой применяемых в промышленности медьсодержащих хемосорбентов на активном угле является высокая эффективность поглощения аммиака и других токсичных низкомолекулярных одарантов типа сероводорода и сернистого газа. Однако достаточно часто вместе с вышеуказанными низкомолекулярными неорганическими соединениями в отходящих газах или очищаемом воздухе присутствуют токсичные органические пары. Стандартным органическим паром, по которому можно оценивать эффективность поглощения органических загрязнителей, является бензол.

Известен способ получения сорбента-катализатора, включающий пропитку зерен угольной основы раствором каталитических добавок и триэтилендиамина, их вылеживания и термообработку, причем в качестве основы берут активный уголь с объемом микропор 0.30-0.35 см³/г, а в качестве каталитических добавок используют соединения меди, хрома и серебра в соотношении, масс.% (6,0-7,5):(2,0-2,5):(0,04-0,06), а термообработку проводят со скоростью подъема температуры 1-3°С/мин до 80-110°С (Патент РФ №2195365, кл. B01J 20/20; С01В 31/08, опубл. 27.12.2002 г.). Недостатком известного способа является сложный состав пропиточного раствора и длительность процесса термообработки.

Наиболее близким по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения хемосорбента, включающий пропитку гранул активного угля горячим раствором сульфата меди, причем пропитке подвергают активный уголь с добавками оксидов меди, хрома и серебра с суммарным объемом пор 0,7-0,9 см³/г и объемом микропор более 0,30 см³/г, пропитку осуществляют при соотношении объема пор угля к объему пропиточного раствора 1: (1,1-1,5), при концентрации сульфата меди в растворе 230-340 г/дм³ и температуре 52-80°С до обеспечения содержания сульфата меди в готовом хемосорбенте от 23 до 35 масс.%, при этом удаление влаги с поверхности пропитанного угля проводят путем обдувки воздухом, подаваемым со скоростью 3-5 м/с, а термообработку осуществляют при 120-160°С до массовой доли влаги в хемосорбенте не более 3,0 масс.% (Патент РФ №2323877, кл. С01В 31/08; B01J 20/20, опубл. 10.05.2008 г.). Недостатком прототипа является низкая адсорбционная способность получаемого сорбента по бензолу.

Целью изобретения является повышение адсорбционной способности получаемого хемосорбента по бензолу при сохранении высокой поглотительной способности по аммиаку.

Поставленная цель достигается предложенным способом, включающим пропитку гранул активного угля раствором, содержащим сернокислую медь, вылеживание гранул и их термообработку, причем пропитке подвергают активный уголь с объемом микропор 0,36-0,55 см³/г, пропиточный раствор содержит сернокислую медь, воду и серную кислоту в соотношении 1: (8-10):(0,3-0,5), причем коэффициент пропитки составляет 0,8-1,0, при этом содержание меди в хемосорбенте в пересчете на сернокислую медь составляет от 1.7-4,3 масс.%.

Отличие предлагаемого способа от прототипа состоит в том, что пропитке подвергают активный уголь с объемом микропор 0,36-0,55 см³/г, пропиточный раствор содержит сернокислую медь, воду и серную кислоту в соотношении 1:(8-10):(0,3-0,5), причем коэффициент пропитки составляет 0,8-1,0, при этом содержание меди в хемосорбенте в пересчете на сернокислую медь составляет от 1,7-4,3 масс.%.

Из патентной и научно-технической литературы авторам неизвестен способ получения хемосорбента, в котором пропитке подвергают активный уголь с объемом микропор 0,36-0,55 см³/г, пропиточный раствор содержит сернокислую медь, воду и серную кислоту в соотношении 1:(8-10):(0,3-0,5), причем коэффициент пропитки составляет 0,8-1,0, при этом содержание меди в хемосорбенте в пересчете на сернокислую медь составляет 1,7-4,3 масс.%.

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что для эффективной очистки воздуха и отходящих газов, когда в них присутствуют низкомолекулярные неорганические соединения совместно с парами органических веществ, необходимо как формирование на поверхности угля хемосорбционных компонентов (меди), так и сохранение достаточно микропористой структуры.

Поэтому необходимо до минимума снижать коэффициент пропитки. Однако только экспериментально можно определить как соотношение суммарного объема пор и объема пропиточного раствора, так и необходимый объем микропор, который согласно теории Дубинина - Радушкевича имеет размер 0,6-1,6 нанометра.

Коэффициент пропитки представляет собой отношение суммарного объема пор к объему пропиточного раствора V_∑:V_p.

Известно, что медь является очень эффективным комплексообразователем при поглощении аммиака из газовой среды, однако конкретное содержание меди в хемосорбенте подбирается также в процессе экспериментальных исследований.

Проведенные исследования показали, что основные центры поверхности активных углей ухудшают процесс закрепления меди, поэтому необходимо найти пути подавления основных центров и повышение кислотных центров на поверхности.

Способ осуществляется следующим образом. Готовят пропиточный раствор, для чего в реактор с паровой рубашкой заливают необходимое количество дистиллированной воды и добавляют расчетное количество серной кислоты и затем небольшими порциями засыпают расчетное количество сернокислой меди. Процесс ведут при 50-70°С до полного растворения сернокислой меди. Затем берут активный уголь с суммарным объемом пор 0,7-1,0 см³/г и загружают в пропиточный аппарат, куда порционно заливают приготовленный пропиточный раствор при непрерывном вращении пропиточного аппарата. Перемешивание ведут в течение 15-20 мин, после чего пропитанный продукт выгружают на противни из нержавеющей стали для вылеживания. Вылеживание осуществляют в течение 4-8 часов с периодическим перемешиванием. После вылеживания продукт подвергают термообработке во вращающейся печи или в печи «кипящего слоя». Процесс ведут при температуре 145-155°С в течение 1-2 часов. После термообработки продукт охлаждают до комнатной температуры и подвергают анализу, при этом содержание меди в хемосорбенте в пересчете на сернокислую медь составляет от 1,7 до 4,3 масс.%.

В связи с тем, что технологический процесс получаемого сорбента содержит достаточно сложные технологические операции пропитки и термообработки, имеет место потеря меди в процессе его изготовления. Поэтому даже при одинаковой норме внесения меди количество ее в пересчете на сернокислую медь может колебаться.

Условия испытания по бензолу

Полученный хемосорбент имел время защитного действия по бензолу 65-70 минут, а динамическая активность (АД) по аммиаку равнялась 4,5-5,0 г/дм³.

Пример 1

Берут 1 кг активного угля ВСК 400 по ТУ 2568-341-04838763-2008 с объемом микропор 0,36 см³/г. Затем готовят пропиточный раствор, для чего в реактор с паровой рубашкой заливают 0,56 дм³ воды и 12 см³ серной кислоты по ГОСТ 4204-77 с содержанием серной кислоты 95 масс.% и добавляют 70 г сернокислой меди. Далее ведут перемешивание до полного растворения сернокислой меди, при этом соотношение сернокислой меди, воды и серной кислоты составляет 1:8: 0,3.

В пропиточный аппарат загружают активный уголь с приведенными выше характеристиками и порционно заливают приготовленный пропиточный раствор при непрерывном вращении пропиточного аппарата. Соотношение суммарного объема пор активного угля и объема пропиточного раствора, т.е. коэффициент пропитки составляет 0,8.

Перемешивание ведут в течение 20 минут, после чего пропитанный продукт выгружают на противни из нержавеющей стали для вылеживания. Вылеживание осуществляют в течение 3-4 часов с периодическим перемешиванием. После вылеживания продукт подвергают термообработке во вращающейся печи или печи «кипящего слоя». Процесс ведут при температуре 145-155°С в течение 1-2 часов. После термической обработки продукт охлаждают до комнатной температуры и подвергают анализу.

Полученный хемосорбент содержал 1,7 масс.% меди в пересчете на сернокислую медь и имел время защитного действия по бензолу 65 минут, а динамическая активность по аммиаку составила 4,5 г/дм³.

Пример 2

Осуществление процесса ведут, как в примере 1, за исключением того, что берут активный уголь с объемом микропор 0,55 см³/г. При приготовлении пропиточного раствора в пропиточный аппарат заливают 0,75 дм³ воды и 20 см³ серной кислоты, добавляют 75 г сернокислой меди. Ведут перемешивание до полного растворения сернокислой меди. При этом соотношение сернокислой меди, воды и кислоты составляет 1:10:0,5, коэффициент пропитки при этом составил 1,0.

Полученный хемосорбент содержал 4,3 масс.% меди в пересчете на сернокислую медь и имел время защитного действия по бензолу 68 минут, а динамическая активность по аммиаку составила 4,7 г/дм³.

Пример 3

Осуществление процесса ведут, как в примере 1, за исключением того, что берут активный уголь с объемом микропор 0,4 см³/г. При приготовлении пропиточного раствора в пропиточный аппарат заливают 0,63 дм³ воды и 15 см³ серной кислоты и ведут перемешивание до полного растворения сернокислой меди, при этом соотношение сернокислой меди, воды и кислоты составило 1:9:0,4, коэффициент пропитки равнялся 0,9.

Полученный хемосорбент содержал 3,0 масс.% меди в пересчете на сернокислую медь и имел время защитного действия по бензолу 70 минут, а динамическая активность по аммиаку составила 5,0 г/дм³.

Хемосорбент, полученный по способу, изложенному в прототипе (Патент РФ №2323877, кл. С01В 31/08; B01J 20/20, опубл. 10.05.2008 г.), имел время защитного действия по бензолу 35-40 минут, а динамическая активность по аммиаку составляла 2,2-2,4 г/дм³.

Проведенные исследования по обоснованию защищаемых параметров показали, что при снижении объема микропор менее 0,36 см³/г недостаточен объем активных центров и время защитного действия по бензолу снижается, а при объеме микропор более 0,55 см³/г в активном угле снижается доля транспортных пор, что ухудшает кинетику поглощения и также приводит к снижению времени защитного действия по бензолу.

При отношении сернокислой меди, воды и серной кислоты менее чем 1:8:0,3 в пропиточном растворе недостаточно количество ионов водорода для замены основных центров на внутренней поверхности высокомикропористого активного угля, что значительно снижает адсорбционную способность по аммиаку, при вышеуказанном соотношении более чем 1:10:0,5 серная кислота сама начинает сорбироваться в микропорах активного угля, что снижает время защитного действия по бензолу.

Относительно коэффициента пропитки необходимо сообщить следующее, что если он составляет величину меньше 0,8, то не достигается равномерность распределения меди на поверхности активного угля, что снижает адсорбционную активность по аммиаку. С другой стороны, при коэффициенте пропитки больше 1 существенно увеличивается время термообработки для удаления избытка влаги.

Содержание сернокислой меди является оптимальным для данной цели изобретения в количестве 1,7-4,3 масс.%. При ее меньшем содержании падает хемосорбционная способность по аммиаку, а при увеличении содержания идет излишняя блокировка микропор, ухудшающая время защитного действия по бензолу.

Предложенное техническое решение позволяет повысить время защитного действия по бензолу в 1,8-2,2 раза при сохранении на высоком уровне адсорбционной активности.

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