Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДРОБЛЕНОГО АКТИВНОГО УГЛЯ

Изобретение относится к технологии получения активных углей на основе скорлупы орехов и косточек плодов, которые могут быть использованы для очистки питьевой воды, а также различных жидкостей и растворов.

Известен способ получения активного угля из скорлупы кокосового ореха и плодов масличной пальмы путем карбонизации в вакууме при остаточном давлении менее 1,0 мм рт.ст., последующей активации и рассеивания (см. заявку Великобритании №20868667, опубликованную 19.05.1982, кл. C01B 31/08).

Недостатками известного способа являются значительная сложность аппаратуры и технологического процесса, низкий выход готового продукта и узкий спектр пористой структуры получаемых активных углей.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения дробленого активного угля из скорлупы кокосового ореха, включающий термообработку, активацию и рассев, причем на термообработку подают карбонизованную скорлупу кокосового ореха и осуществляют ее путем подъема температуры до 700-750°C со скоростью 16-30°C/мин, а активацию проводят смесью водяного пара и углекислого газа при их объемном соотношении, равном (2,2-3,0):1 (патент РФ №2222493, опубликованный 27.01.2004, кл. C01B 31/08).

Недостатком прототипа является низкая адсорбционная способность получаемого активного угля при очистке питьевой воды от хлороформа и хлорфенолов.

Техническим результатом (целью) изобретения является повышение адсорбционной способности получаемого активного угля по хлороформу и хлорфенолам.

Поставленная цель достигается предложенным способом, включающим карбонизацию, дробление карбонизата, рассев его зерен, их активацию водяным паром и охлаждение, причем карбонизацию осуществляют при скорости подъема температуры 3-8°C/мин до конечной температуры 450-550°C, а активацию проводят при температуре 820-850°C до обгара 30-45% масс.

Отличие предлагаемого способа от известного состоит в том, что карбонизацию осуществляют при скорости подъема температуры 3-8°C/мин до конечной температуры 450-550°C, а активацию проводят при температуре 820-850°C до обгара 30-45% масс.

Из патентной и научно-технической литературы авторам не известен способ получения активного угля из скорлупы кокоса, в котором карбонизацию осуществляют при скорости подъема температуры 3-8°C/мин до конечной температуры 450-550°C, а активацию проводят при температуре 820-850°C до обгара 30-45% масс.

Суть предлагаемого способа состоит в следующем.

При очистке питьевой воды по технологии озоносорбции на финишной стадии необходимо удалять остаточные микропримеси органических соединений, наиболее токсичными из которых являются хлороформ (CHCl₃) и хлорфенолы (НОС₆Н_5-nCl_n, n=1-5).

Сравнительно крупные молекулы хлорорганических соединений хорошо поглощаются микропорами с размером 0,8-1,2 нм. С другой стороны, для обеспечения высокой адсорбционной активности необходимо развить достаточный объем тонких пор с такими размерами за счет регулирования обгара на стадии активации. Подбор режимов для получения углей с такой структурой для эффективного поглощения хлороформа и хлорфенолов может быть произведен только экспериментально.

Способ осуществляют следующим образом.

Фрагменты скорлупы кокосового ореха различных размеров подсушивают при температуре 100-120°C и загружают в ретортную печь карбонизации. Карбонизацию проводят без доступа воздуха при скорости подъема температуры 3-8°C/мин до температуры 450-550°C с выдержкой при конечной температуре 20-25 мин. Затем реторту охлаждают, выгружают карбонизат, подвергают его дроблению в валковой дробилке и рассеву с выделением фракции 1-3 мм. Полученную фракцию загружают в ретортную печь активации, куда подают водяной пар с расходом, равным 6-8 кг на 1 кг выгружаемого активного угля, и поднимают температуру в ретортной печи до 820-850°C. Процесс ведут до достижения обгара 30-40% масс. По завершении процесса реторту охлаждают до комнатной температуры, выгружают готовый продукт и производят измерение его адсорбционной активности, которую фиксируют по эффективности удаления из воды названных загрязняющих веществ (хлороформа и хлорфенолов).

Методика определения была следующей.

В колбу заливали 1 л воды с содержанием 5 мг/л хлороформа (или хлорфенолов) и вносили в нее 5 г полученного активного угля. Время контакта фаз при периодическом взбалтывании водно-угольной суспензии составляло 30 мин. По завершении процесса фазы разделяли на стеклянном фильтре Шотта и определяли остаточную концентрацию в фильтратах хлороформа (или хлорфенолов) методом газовой хроматографии с использованием модернизированного прибора «Цвет 100M». Аналогично контролировали и содержания хлороформа и хлорфенолов в их приготовленных модельных растворах в воде.

Адсорбционную активность A полученных активных углей, выраженную в процентах через степень извлечения загрязняющих веществ (ЗВ) из их водных растворов, вычисляли по формуле

A=[(С_исх-С_ост):С_исх]⋅100,

где С_исх и С_ост - соответственно исходная и остаточная концентрации ЗВ.

Полученные по предлагаемому способу активные угли в названных выше условиях контакта фаз снижали содержание в воде хлороформа с 5 до 0,02-0,04 мг/л, а хлорфенолов - с 5 до 0,08-0,12 мг/л, то есть обеспечивали эффективность очистки 99,2-99,6% по хлороформу и 97,6-98,4% по хлорфенолам.

Следующие примеры поясняют суть изобретения.

Пример 1.

Берут 1 кг фрагментов скорлупы кокосового ореха и подсушивают их при температуре 100-120°C в течение двух часов. Подсушенную скорлупу загружают в ретортную печь карбонизации, которую осуществляют при скорости подъема температуры 3°C/мин до конечной температуры 450°C, при которой материал выдерживают 20-25 мин. После этого нагрев печи прекращают, остывший карбонизат выгружают, дробят в валковой дробилке и высевают фракцию зерен 1-3 мм. Выделенную фракцию загружают в ретортную печь активации, которую проводят водяным паром с расходом 6-8 кг на 1 кг получаемого активного угля, нагревая печь до 820°C, до обгара 30% масс.

Испытания полученного активного угля показали, что остаточная концентрация хлороформа в колбе с его водным раствором составила 0,04 мг/л, а хлорфенолов в другой колбе - 0,12 мг/л. Таким образом, эффективность очистки по хлороформу составила 99,2%, а по хлорфенолам - 97,6%.

Пример 2.

Осуществление процесса как в примере 1, за исключением того, что карбонизацию осуществляют при скорости подъема температуры 8°C/мин до конечной температуры 550°C, а активацию проводят, нагревая печь до 850°C, с обеспечением обгара 45% масс.

Испытания полученного активного угля показали, что остаточная концентрация хлороформа в колбе с его водным раствором составила 0,03 мг/л, а хлорфенолов в другой колбе - 0,10 мг/л. Таким образом, эффективность очистки по хлороформу составила 99,4%, а по хлорфенолам - 98,0%.

Пример 3.

Осуществление процесса как в примере 1, за исключением того, что карбонизацию осуществляют при скорости подъема температуры 5°C/мин до конечной температуры 500°C, а активацию проводят, нагревая печь до 835°C, до обгара 38% масс.

Испытания полученного активного угля показали, что остаточная концентрация хлороформа в колбе с его водным раствором составила 0,02 мг/л, а хлорфенолов в другой колбе - 0,08 мг/л. Таким образом, эффективность очистки по хлороформу составила 99,6%, а по хлорфенолам - 98,4%.

Исследования показали, что активный уголь из скорлупы кокосового ореха, полученный по прототипу (патент РФ №2222496), в аналогичных условиях контакта фаз обеспечивает остаточное содержание хлороформа 0,10 мг/л, а хлорфенолов - 0,22 мг/л, то есть его эффективность при очистке воды от этих загрязняющих веществ составляет 98,0 и 95,6% для хлороформа и хлорфенолов соответственно, что в среднем в 3,3 раза в случае хлороформа и в 2,2 раза в случае хлорфенолов хуже согласно величинам их остаточных концентраций, чем при использовании активного угля, полученного по предлагаемому способу.

Эксперименты показали, что, если скорость подъема температуры на стадии карбонизации меньше 3°C/мин, происходит сильное уплотнение карбонизата, что резко увеличивает время активации, а при скорости подъема температуры выше 8°C/мин возрастает доля макропор, которые являются балластными, что снижает эффективность очистки.

Если конечная температура карбонизации ниже 450°C, в карбонизате остается много (до 15% масс.) летучих веществ, что также приводит к преимущественному развитию транспортных пор при активации. Если же конечная температура карбонизации превосходит 550°C, имеет место графитизация кристаллитов, что не позволяет развиваться микропорам. В обоих случаях понижается адсорбционная способность получаемого активного угля.

Эксперименты показали, что при температуре активации ниже 820°C формируется структура тонких (менее 0,8 нм) микропор, неблагоприятная для адсорбции хлороформа и хлорфенолов, а при температуре активации выше 850°C происходит преимущественное развитие мезопор, имеющих низкий адсорбционный потенциал. Таким образом, в обоих случаях адсорбционная способность получаемого активного угля падает.

Обгар ниже 30% масс. приводит к формированию малого объема эффективных микропор (0,8-1,2 нм) в единице объема активного угля, что снижает массовую долю поглощаемых хлороформа и хлорфенолов, а при обгаре свыше 45% резко падает прочность получаемого активного угля.

Таким образом, из изложенного выше 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 технологического решения.