Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВНОГО УГЛЯ

Изобретение относится к области сорбционной техники и может быть использовано для получения порошковых активных углей на основе древесного сырья или продуктов его переработки, применяемых в водоподготовке и водоочистке, очистке масел и жиров, пищевой промышленности, а также в других областях экономики.

Известен способ получения порошкового активного угля на основе древесного угля-сырца, включающий дробление угля-сырца до размера зерен 20-50 мм, их активацию водяным паром при температуре 850-900°C при расходе пара 15-20 кг/час на печь, охлаждение проактивированных зерен в промежуточном бункере, их размол до размера частиц менее 100 мкм и расфасовку /см. В.М. Мухин, А.В. Тарасов, В.Н. Клушин. Активные угли России. Изд-во "Металлургия", М., 2000, стр. 31-33/.

Недостатком известного способа является высокая энергоемкость и большая металлоемкость.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и количеству совпадающих признаков /прототипом/ является способ получения активного угля, включающий измельчение исходного сырья, введение в измельченное сырье химического активирующего агента в виде сульфида калия в соотношении 1:/0,2-0,3/, перемешивание ингредиентов до образования однородной пасты, ее гранулирование, сушку при температуре 130-150°C, карбонизацию и активацию при температуре 750-850°C в атмосфере продуктов сгорания природного газа в течение 4-5 часов со скоростью подъема температуры 10-25°C/мин; после охлаждения гранулы отмывают растворами сернистого калия, соляной кислоты и водой при температуре 20-50°C, после чего сушат и дополнительно активируют водяным паром при температуре 600-870°C в течение 1 часа. Для получения порошковых форм гранулы размером 1-5 мм подвергают размолу до размера частиц менее 100 мкм /см. Пат. РФ №2235063, кл. С01В 31/08, опубл. 27.08.2004/.

Недостатком известного способа является низкая адсорбционная активность получаемого активного угля при извлечении из воды йода и метиленового голубого.

Задачей изобретения является повышение адсорбционной активности получаемого порошкового активного угля по извлечению из воды йода и метиленового голубого.

Это достигается тем, что в способе, включающем измельчение и сушку исходного сырья, введение химического активирующего агента, активацию, отмывку агента и сушку готового продукта, в качестве исходного сырья используют древесину, технический лигнин и торф, сушку исходного сырья проводят при температуре 280-600°C, в качестве химического активирующего агента используют гидроксид калия или натрия, причем пропитку ведут при соотношении высушенного сырья и агента, равном 1:/2,5÷6,0/, активацию осуществляют в атмосфере парогазов при температуре 550-800°C со скоростью подъема температуры 26-35°C/мин, а отмывку осуществляют в три стадии при температуре 70-90°C: сначала водой, затем соляной кислотой с концентрацией 1,5-3,0% мас. и снова водой.

Отличие предлагаемого способа от прототипа состоит в том, что в качестве исходного сырья используют древесину, технический лигнин и торф. Сушку сырья проводят при температуре 280-600°C, а в качестве химического активирующего агента используют гидроксид калия или натрия, причем пропитку ведут при соотношении высушенного сырья и агента, равном 1:/2,5÷6,0/, активацию осуществляют в атмосфере парогазов при температуре 550-800°C со скоростью подъема температуры 26-35°C/мин, а отмывку проводят в три стадии при температуре 70-90°C: сначала водой, затем соляной кислотой с концентрацией 1,5-3,0% мас. и снова водой.

Из патентной и научно-технической литературы авторам неизвестен способ получения активного угля, в котором в качестве исходного сырья используют древесину, технический лигнин и торф, сушку проводят при температуре 280-600°C, в качестве химического активирующего агента используют гидроксид калия или натрия, причем пропитку ведут при соотношении высушенного сырья и агента, равном 1:/0,8÷2,0/, активацию осуществляют в атмосфере парогазов при температуре 550-800°C со скоростью подъема температуры 26-35°C/мин, а отмывку осуществляют в три стадии при температуре 70-90°C: сначала водой, затем соляной кислотой с концентрацией 1,5-3,С % мас. и снова водой.

При получении высококачественных активных углей на основе необуглероженного сырья (торф, опилки, измельченная древесина технические лигнины и т.п.) важно подобрать такой химический активирующий агент (ХАА), который при формировании кристаллитов углерода в процессе карбонизации и активации не только бы катализировал реакции окисления, но и эффективно внедрялся в межплоскостные расстояния кристаллитов. Причем правильно выполненная операция предварительной сушки исходного растительного сырья обеспечивает качественное импрегнирование древесного сырья ХАА, а подбор режимов карбонизации и активации в совмещенном процессе формирует нужную величину размеров пор. Стадия отмывки ХАА осуществляет вскрытие сформированной микропористой структуры при минимальном расходе отмывочных жидкостей. Однако определить заранее, какие технические приемы и их режимные параметры оптимальны, невозможно и только в процессе экспериментальных исследований их можно выявить.

Учитывая, что порошковые формы активных углей используются для очистки жидких сред, оценку качества получаемых углей проводили по эффективности извлечения из воды йода и красителя метиленового голубого, веществ, принятых в качестве тестовых в международной практике.

Способ осуществляют следующим образом.

Берут исходное древесное сырье (опилки, горбыль, технические лигнины и т.п.) и проводят его измельчение до размера частиц 1-8 мм. Измельченное сырье помещают в стальную реторту и осуществляют его сушку при температуре 280-600°C в атмосфере парогазов (выделяемые при нагреве пары воды и легкие летучие вещества) с выдержкой при конечной температуре 1-3 часа. После завершения процесса сушки продукт помещают в смеситель, оборудованный мешалкой и порционно добавляют насыщенный раствор химического активирующего агента (ХАА) с плотностью 1,3-1,5 г/см³ и соотношением высушенного сырья и агента, равным 1:/2,5÷6,0/, причем в качестве ХАА используют NaOH или КОН. Пропитку осуществляют при температуре 30-50°C в течение 20-40 мин при постоянном перемешивании сухого измельченного сырья и раствора ХАА. Затем пропитанный продукт направляют на совмещенный процесс карбонизации-активации, который ведут в печи камерного или барабанного типа, выполненной из специальной стали, в атмосфере парогазов при температуре 550-800°C со скоростью ее подъема 26-35°C/мин с выдержкой при конечной температуре 1-2 часа.

По завершении процесса активации науглероженный материал выгружают из печи, охлаждают и производят отмывку ХАА сначала водой, затем 1,5-5,0% HCl и повторно снова водой до рН=4-6, причем температуру процесса на всех трех стадиях отмывки поддерживают в интервале 70-90°C. Полученный порошковый активный уголь отделяют от влаги на фильтр-прессе и сушат при температуре 100-120°C до остаточной влажности 3-8% масс. Готовый продукт подвергают анализу на адсорбционную активность по йоду /по ГОСТ 6217-74/ и метиленовому голубому /по ГОСТ 4453-74/, причем при проведении этих анализов, полученный активный уголь измельчают до размеров частиц менее 100 мкм.

Полученный по данному способу порошковый активный уголь имеет адсорбционную способность по йоду 150-240%, а по метиленовому голубому 350-600 мг/г.

Примеры осуществления способа

Пример 1

Берут 1 кг опилок древесины сосны, имеющих размер 1,0-3,0 мм, и осуществляют их нагрев при температуре 280°C в атмосфере парогазов с выдержкой при конечной температуре 1-3 часа. После завершения процесса сушки продукт помещают в смеситель, оборудованный мешалкой, и порционно по 1/3 нормы добавляют насыщенный раствор NaOH с плотностью 1,3-1,5 г/см³, придерживаясь соотношения опилки - активатор 1:8, пропитку осуществляют при температуре 30-50°C в течение 20-40 мин при постоянном перемешивании сухого измельченного сырья и раствора ХАА. Затем пропитанный продукт вылеживают 2-4 часа и направляют на совмещенный процесс карбонизации-активации, который ведут в печи камерного или барабанного типа, выполненной из специальной стали в атмосфере парогазов при температуре 550°C со скоростью ее подъема 20°/мин с выдержкой при конечной температуре 1-2 часа.

По завершении процесса активации науглероженный материал выгружают из печи, охлаждают и производят отмывку ХАА сначала водой, затем 1,5-3,0% HCl и повторно снова водой до рН=4-6, причем температуру процесса на всех трех стадиях отмывки поддерживают 70°C. Полученный порошковый активный уголь (ПАУ) отделяют от влаги на фильтр-прессе и сушат при температуре 100-120°C до остаточной влажности 3-8% мас.

Полученный по данному способу ПАУ имел адсорбционную активность по йоду 150%, а по метиленовому голубому 350 мг/г.

Пример 2

Берут горбыль (обрезки древесины) березы и измельчают его на зубчатой дробилке до размера частиц 1-8 мм. Дальнейшее проведение процесса, как в примере 1, за исключением того, что сушку ведут при температуре 600°C, в качестве химического активирующего агента используют КОН с плотностью раствора 1,3-1,5 г/см³, а пропитку ведут при соотношении высушенного сырья и агента, равном 1:6,0, активацию осуществляют в атмосфере парогазов при температуре 800°C со скоростью ее подъема 35°C/мин.

Отмывку ПАУ осуществляют также в три стадии, поддерживая температуру 90°C.

Полученный по данному способу ПАУ имел адсорбционную способность по йоду 200%, а по метиленовому голубому 400 мг/г.

Пример 3

Берут технический лигнин и высушивают его при температуре 450°C. Дальнейшее осуществление процесса, как в примере 1, за исключением того, что пропитку ведут при соотношении высушенного сырья и агента, равном 1:1,4, а активацию осуществляют в атмосфере парогазов при температуре 720°C со скоростью подъема температуры 30°C/мин, отмывку ПАУ осуществляют также в три стадии, поддерживая температуру 80°C. Полученный по данному способу ПАУ имел адсорбционную способность по йоду 240%, а по метиленовому голубому 600 мг/г.

Активный уголь, полученный по способу изложенному в прототипе /Пат. РФ № 2235063/, имел адсорбционную активность по йоду 80%, а по метиленовому голубому 102 мг/г.

Проведенные исследования по обоснованию защищаемых параметров показали, что при снижении температуры сушки ниже 280°C в исходном сырье остается много легких летучих веществ, которые на стадии активации разрыхляют частицу, создавая балластные поры, а при температуре сушки выше 600°C уже начинается графитизация, что ухудшает пропитку.

При соотношении высушенного сырья и ХАА менее 1:2,4 образуется недостаточно микропор, отвечающих за адсорбционную активность, а при соотношении высушенного сырья и ХАА более 1:6,0 образуемые микропоры блокируются избытком атомов калия или натрия.

Сушка и карбонизация-активация в атмосфере парогазов обеспечивает создание на внешней поверхности ПАУ дополнительных адсорбционно-активных поверхностных кислородсодержащих окислов, в то время как проведение этих процессов в атмосфере продуктов сгорания природного газа таких центров не образует. При этом если температура активации ниже 550°C процесс значительно растягивается во времени, а при температуре активации выше 800°C начинает усиливаться поверхностный обгар, разрушающий сформированную микропористую структуру, причем скорость подъема температуры на этой стадии должна быть 26-35°C/мин, т.к. снижение этой скорости сильно уплотняет макромолекулы в составе кристаллита и трудно проводить отмывку ХАА, а при повышении скорости нагрева более 35°C/мин возрастает в пористой структуре ПАУ доля балластных микропор, что в итоге снижает адсорбционную способность ПАУ.

Анализ экспериментальных данных по процессу отмывки ХАА показал, что такая последовательность вода - разбавленная HCl - вода дает наилучший результат для вскрытия сформированной микроструктуры угля за счет удаления ХАА, причем оптимальная концентрация HCl на второй стадии 1,5-3,0% мас., что же касается температуры проведения процесса, то если она ниже 70°C, не происходит полного удаления ХАА (он удаляется лишь на 60-70%), а при температуре выше 90°C возрастают энергозатраты.

Предложенное техническое решение позволяет повысить адсорбционную способность получаемого порошкового активного угля по тестовым веществам йоду и метиленовому голубому по сравнению с ПАУ, полученному по известному способу, в 1,5-3,3 раза.

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