Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВНОГО УГЛЯ НА ОСНОВЕ АНТРАЦИТА

Изобретение относится к области адсорбционной техники, в частности способам получения активных углей на основе каменноугольного сырья.

В тоже время становятся чрезвычайно актуальными вопросы применения активных углей на каменноугольной основе (как наиболее дешевых адсорбентов) в процессах очистки промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов, в процессах обезжелезивания стоков, гидрометаллургии золота и т.д.

Известен способ получения активного угля на основе полукокса длиннопламенного каменного угля марки Д, включающий дробление кусков, высев фракции 0,5-2,8 мм, сушку зерен при 140-180°С в течение 40-60 мин и активацию их при температуре 900-1000°С смесью водяного пара и дымовых газов до соотношения объемов микро- и мезопор, равного 1:(1,0-1,1) (см. патент РФ №2164217, кл. С01В 31/08, 31/10, опубл. 10.03.2001 г.).

Недостатком известного способа является невысокая прочность получаемого активного угля 60-65% и его низкий выход.

Наиболее близким к предложенному способу по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения дробленого активного угля на основе каменноугольного сырья высокой степени метаморфизма (каменные угли марок СС и Т, антрацит), включающий дробление кусков, высев фракции 1,0-7,0 мм, карбонизацию зерен при 550-650°С со скоростью нагрева 5-15°С/мин в потоке топочных газов, охлаждение полупродукта на воздухе со скоростью 10-40°С/мин до 50-80°С, последующую термообработку без доступа воздуха при 700-750°С со скоростью нагрева 2,0-2,5°С/мин и активацию водяным паром при температуре 850-900°С (см. патент РФ №2171778, кл. С01В 31/08, опубл. 10.08.2001 г.)

Недостатком прототипа является низкая емкость по поглощению из водных растворов ионов тяжелых металлов, а также сложность осуществления способа.

Техническим результатом (целью изобретения) является повышение емкости по поглощению из водных растворов ионов тяжелых металлов.

Поставленная цель достигается поставленным способом, включающим дробление кусков антрацита, рассев зерен, их термообработку в инертной среде и активацию при 850-900°С. Причем термообработку ведут при температуре 760-820°С со скоростью нагрева 12-20°С/мин, а активацию осуществляют смесью водяного пара и диоксида углерода, подаваемой со скоростью 0,7-1,2 л/мин, а соотношение в смеси водяного пара и диоксида углерода составляет (3-5):1.

Отличие предложенного способа от известного заключается в том, что термообработку ведут при температуре 760-820°С со скоростью ее подъема 12-20°С/мин, а активацию осуществляют смесью водяного пара и диоксида углерода, подаваемой со скоростью 0,7-1,2 см/с при соотношении в смеси водяного пара и углекислого газа (3-5):1.

Из научно-технической литературы авторам неизвестен способ получения активного угля, при котором термообработку ведут при температуре 760-820°С со скоростью ее подъема 12-20°С/мин, а активацию осуществляют смесью водяного пара и диоксида углерода, подаваемой со скоростью 0,7-1,2 см/с при соотношении в смеси водяного пара и углекислого газа (3-5):1.

В случае использования сырья высокой степени метаморфизма, к которому относится антрацит, параметры термообработки играют важную роль в формировании оптимальной пористой структуры. Именно на этой стадии в неупорядоченной массе антрацита формируются кристаллиты - структурные элементы микропор. От скорости разложения органической массы антрацита зависит концентрация их образования в массе зерна, а конечная температура термообработки характеризует степень уплотнения макромолекул и, соответственно, характер микропористой структуры.

Для эффективного поглощения ионов тяжелых металлов из водных растворов необходимо такое соотношение сорбирующих (микро-) и транспортных (мезо- и макропор), чтобы обеспечить как высокое значение адсорбционной способности, так и хорошую кинетику.

Конкретные технологические режимы термообработки, обеспечивающие оптимальное развитие пористой структуры, могут быть установлены только экспериментально.

Важность параметров технологического режима активации (температура, тип и соотношение активирующих агентов, а также скорость их подачи в зону активации печи) состоит в том, что они определяют условия выгорания макромолекул и аморфного углерода, заполняющего промежутки между кристаллитами, то есть процесса формирования транспортных пор, обеспечивающих кинетику поглощения ионов тяжелых металлов из водных растворов.

Способ осуществляется следующим образом: берут антрацит с размером кусков 20-50 мм и дробят их с высевом целевой фракции 0,5-2,8 мм. Затем зерна антрацита подвергают термообработке во вращающейся или шахтной печи при скорости подъема температуры 12-20°С/мин и изотермической выдержке при температуре 760-820°С в течение 15-25 мин. Затем термообработанный продукт направляют в печь активации и ведут процесс при температуре 850-900°С c использованием активирующего агента - смеси водяного пара и диоксида углерода в соотношении (3-5):1, подаваемой в зону реакции со скоростью 0,7-1,2 см/с.

Процесс ведут до снижения насыпного веса исходного термообработанного угля на 20-25%, что соответствует обгару угля на эту величину. Затем продукт выгружают в герметичный приемный бункер и охлаждают без доступа воздуха до комнатной температуры.

Полученный активный уголь проверяется на адсорбционную способность по ионам тяжелых металлов.

Адсорбционная способность полученных активных углей из антрацита составила при исходной концентрации в растворе 10 мг/л и температуре раствора 20-25°С по меди 20-25 мг/г, по свинцу 15-18 мг/г и по золоту 18-22 мг/г.

Пример 1.

Берут 5 кг антрацита по ГОСТ 21489-86 (стадия VII-VIII) и после дробления высевают целевую фракцию 0,5-2,8 мм. Полученные зерна подвергают термообработке во вращающейся электропечи при температуре 760°С со скоростью подъема температуры 12°С/мин и осуществляют изотермическую выдержку в течение 15-20 минут. Насыпной вес полученного продукта составляет 880 г/см³. Затем термообработанный продукт направляют в ретортную электропечь активации и ведут процесс при 850-900°С c использованием активирующего агента - смеси водяного пара и диоксида углерода в соотношении (3-5)/1, подаваемой в зону реакции со скоростью 0,7 см/с. Процесс ведут до снижения насыпного веса на 12% и достижения его величины 775 г/см³. Продукт выгружают в герметичный приемный бункер и охлаждают без доступа воздуха до комнатной температуры.

Полученный активный уголь имел адсорбционную способность по меди 20 мг/г, по свинцу 15 мг/г, по золоту 18 мг/г, при их исходной концентрации в растворе 10 мг/л.

Пример 2.

Проведение процесса как в примере 1, за исключением того, что термообработку ведут со скоростью подъема температуры 20°С/мин до конечной температуры 820°С и осуществляют изотермическую выдержку в течение 15-20 минут. Активирующий агент подается в зону реакции со скоростью 1,2 см/с.

Полученный активный уголь имел адсорбционную способность по меди 22 мг/г, по свинцу 16 мг/г и по золоту 20 мг/г, при их исходной концентрации в растворе 10 мг/л.

Пример 3.

Проведение процесса как в примере 1, за исключением того, что термообработку ведут со скоростью подъема температуры 16°С/мин до конечной температуры 800°С и осуществляют изотермическую выдержку в течение 15-20 мин. Активирующий агент подается в зону реакции со скоростью 1,0 см/с.

Полученный активный уголь имел адсорбционную способность по меди 25 мг/г, по свинцу 18 мг/г и по золоту 22 мг/г, при их исходной концентрации в растворе 10 мг/л.

Исследование адсорбционной способности прототипа по ионам тяжелых металлов (Пат. РФ 2171778) показало, что он имел адсорбционную способность по меди 14 мг/г, по свинцу 12 мг/г и по золоту 14 мг/г, при их исходной концентрации в растворе 10 мг/г.

Разработка предлагаемого способа позволила выявить следующие технологические особенности: если скорость подъема температуры была ниже 12°С/мин, имело место преимущественно развитие тонких микропор (менее 0,6 нм), что снижало адсорбционную способность по ионам исследуемых металлов за счет ситового эффекта. С другой стороны, если скорость нагрева превышала 20°С/мин, то шло преимущественно развитие транспортных макро- и мезопор, что также снижало адсорбционную способность.

При температуре термообработки выше 820°С наблюдался поверхностный обгар, а не развитие пористой структуры, что снижало адсорбцию исследуемых ионов металлов. А при температуре термообработки ниже 760°С в зернах угля оставалось значительное количество аморфного углерода, который при выгорании не давал развития микропор.

Исследование относительно скорости подаваемой смеси водяного пара и диоксида углерода на стадии активации показало, что при скорости ниже 0,7 см/с имеет место недостаточный подвод активирующих агентов к зернам угля, что влечет за собой недостаточное развитие объема микропор. С другой стороны, увеличение скорости подачи активирующей смеси выше 1,2 см/с приводит к более глубокой степени активирования за счет выгорания стенок соседних микропор и перехода их в разряд транспортных, несорбирующих пор. В обоих случаях снижается величина сорбционной способности по ионам тяжелых металлов.

Соотношение в активирующей смеси водяного пара и диоксида углерода, хотя и является косвенной величиной, тем не менее оптимизирует процесс активации. Если соотношение выше 5:1, то в результате интенсивной реакции взаимодействия углеродсодержащего материала с водяным паром снижается прочность готового продукта. В то же время, при уменьшении этого соотношения ниже чем 3:1 за счет высокой концентрации диоксида углерода преимущественно развитие получают тонкие микропоры (менее 0,6 нм), недоступные для ионов тяжелых металлов.

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 характеристики заявленного технического решения.