Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДРОБЛЕНОГО АКТИВНОГО УГЛЯ

Изобретение относится к технологии получения активного угля (АУ) на основе косточек плодов фруктовых деревьев и скорлупы орехов и может быть использовано для процессов санитарной очистки воздуха и питьевой воды.

Известен способ получения дробленого АУ из скорлупы орехов, включающий сушку, карбонизацию, активирование смесью водяного пара, диоксида углерода и кислорода, отмывку угля кислотой, сушку и повторную активацию (см. патент Японии 56-28846, кл. С01В, 31/10, B01J 20/20, 1981).

Недостатком известного способа является значительная стоимость технологического процесса, многостадийность, образование кислотных отходов, низкий выход углеродного остатка, узкий спектр пористой структуры получаемых углей.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения дробленого АУ из скорлупы орехов и косточек плодов фруктовых деревьев, включающий карбонизацию при температуре 20-750°С, со скоростью подъема 30-50°С/мин и активацию смесью водяного пара и диоксида углерода при температуре 820-870°С, причем карбонизованный продукт подвергают дроблению с выделением фракции частиц размером 0,5-3,5 мм, который передают на активацию, а после активации отмывают водой (см. патент РФ №2105714, кл. С01В 37/10, B01J 20/20, опубл. 27.02.1998 г.).

Недостатком известного способа является низкая активность полученного АУ по извлечению из воздуха паров декана.

Целью изобретения является получение АУ с высокой адсорбционной способностью по декану, так как декан, имея молекулярную массу 142,29 г/моль, является хорошим тестовым для процессов веществом санитарной очистки газов.

Поставленная цель достигается предлагаемым способом, включающим карбонизацию, дробление, рассев, активацию водяным паром, отличающимся тем, что карбонизацию проводят в атмосфере азота при подъеме температуры со скоростью 15-25°С/мин до 450-550°С с выдержкой при конечной температуре в атмосфере азота в течение 30-40 минут, после охлаждения карбонизата до комнатной температуры его дробят, рассеивают и активируют при 875-920°С и расходе водяного пара 2,0-3,5 кг на кг полученного продукта.

Отличие предлагаемого способа от прототипа состоит в том, что карбонизацию проводят в атмосфере азота при подъеме температуры со скоростью 15-25°С/мин до 450-550°С с выдержкой при конечной температуре в атмосфере азота в течение 30-40 минут, после охлаждения карбонизата до комнатной температуры его дробят, рассеивают и активируют при 875-920°С и расходе водяного пара 2,0-3,5 кг на кг полученного продукта.

Авторам из научно-технической и патентной литературы неизвестен способ получения АУ из скорлупы грецких орехов, в котором карбонизацию ведут в атмосфере азота при подъеме температуры со скоростью 15-25°С/мин до 450-550°С с выдержкой при конечной температуре в атмосфере азота в течение 30-40 минут, после охлаждения карбонизата до комнатной температуры его дробят, рассеивают и активируют при 875-920°С и расходе водяного пара 2,0-3,5 кг на кг полученного продукта.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.

Скорлупа грецких орехов в отличие от других типов уплотненного растительного сырья имеет рыхлую внутреннюю оболочку, обращенную к плоду. Поэтому для того, чтобы добиться одинакового размера кристаллитов углерода во всем объеме скорлупы, необходимо подобрать более плавный режим карбонизации и оптимизировать выдержку при конечной температуре в атмосфере азота. Причем наличие на этой стадии инертного газа азота снижает скорость газовыделения из скорлупы, особенно в начальных стадиях, что в целом приводит к большему объему кристаллизованного в кристаллиты углерода и минимуму содержания аморфного углерода. В результате на стадии активации при правильном подборе температурных режимов и расхода активирующего агента (водяного пара) образуются щелевидные микропоры, имеющие размер (полуширину Х₀) 1,0-1,2 нм, наиболее благоприятные для адсорбции молекул декана.

Оценка адсорбционной способности по декану производилась в соответствии с МИ 2568-096-04838763-99, цель которой заключается в том, что через стандартный слой угля массой 10 г пропускается воздух, содержащий С₀=40-80 мг/м³ до фиксации его проскока, после чего определяется адсорбционная активность в динамических условиях, выраженная в мг поглощенного декана на 1 г АУ.

Способ осуществляется следующим образом.

Берут скорлупу грецкого ореха, которую помещают в стационарную или вращающуюся электропечь, куда подают азот с расходом 0,5-1 л/мин, и начинают поднимать температуру со скоростью 15-25°С. После выдержки при конечной температуре 30-40 мин, выключают нагрев печи, при этом азот продолжает подаваться. После охлаждения печи до комнатной температуры, выгружают полученный карбонизат и дробят. После чего рассеивают с выделением частиц размером 0,5-3,5 мм. Кондиционную фракцию карбонизованных частиц загружают в стационарную или вращающуюся печь активации и активируют водяным паром, при температуре 875-920°С, при этом расход пара на 1 кг готового продукта поддерживается на уровне 2,0-3,5 кг. После завершения процесса активации, который продолжается, как правило, 1,5-2 ч, печь охлаждают, а полученный продукт подвергают анализу на адсорбционную активность по декану.

АУ из скорлупы грецких орехов, полученный по предлагаемому способу, имел адсорбционную активность по декану 135-150 мг/г, в то время как АУ, также полученный из скорлупы грецких орехов по способу, предложенному в прототипе, имел адсорбционную активность по декану 90 мин.

Следующие примеры поясняют сущность изобретения.

Пример 1

Берут 1 кг скорлупы грецкого ореха с влажностью 0,8% и содержанием золы 2,2%, имеющий примерные размеры 10-20 мм. Скорлупу загружают в стационарную электропечь, куда подают азот с расходом 1 л/мин, и начинают осуществлять процесс карбонизации со скоростью 15°С/мин до температуры 450°С и выдерживают при конечной температуре в атмосфере азота 35 мин. Затем отключают нагрев, охлаждают печь до комнатной температуры, не выключая азота, карбонизованную скорлупу выгружают, дробят на валковой дробилке, а затем высеивают фракцию частиц с размером 0,5-3,5 мм. Кондиционную фракцию направляют на активацию во вращающейся электропечи с диаметром реторты 52 мм, нагретую до температуры 875°С, и ведут процесс активации водяным паром при его расходе 2,0 кг на 1 кг готового продукта. По завершении процесса активации печь охлаждают и определяют адсорбционную активность полученного АУ по декану в соответствии с МИ 2568-096-04838763-99.

Полученный АУ имел адсорбционную активность по декану 135 мг/г.

Пример 2

Осуществление процесса, как в примере 1, за исключением того, что карбонизацию проводят со скоростью подъема температуры 25°С/мин до конечной температуры 550°С и выдерживают при конечной температуре в атмосфере азота в течение 30 мин, а активацию ведут при температуре 920°С при расходе водяного пара 3,5 кг на кг готового продукта. Полученный АУ имел адсорбционную активность по декану 142 мг/г.

Пример 3

Осуществление процесса, как в примере 1, за исключением того, что карбонизацию проводят со скоростью подъема температуры 20°С/мин до конечной температуры 500°С и выдерживают при конечной температуре в атмосфере азота в течение 40 мин, а активацию ведут при температуре 905°С при расходе водяного пара 3,0 кг на кг готового продукта. Полученный АУ имел адсорбционную активность по декану 150 мг/г.

Опытами было установлено, что при повышении скорости подъема температуры выше 25°С/мин увеличивается доля аморфного углерода, что не позволяет получить уголь с большим объемом микропор. С другой стороны, снижение скорости подъема ниже 15°С/мин дает очень плотный графитизированный углерод, трудно поддающийся активированию (резко возрастает время активации). Относительно конечной температуры карбонизации установлено, что ее снижение ниже 450°С приводит к наличию в карбонизованном продукте остаточных летучих веществ и развитию не сорбирующих макропор. При повышении температуры выше 550°С имеет место процесс графитизации, а не образования кристаллитов - основы будущих микропор.

Исследование важного параметра выдержки карбонизованного продукта при конечной температуре в атмосфере азота показало, что если время выдержки менее 30 мин, в продукте остается значительное количество летучих веществ, что приводит к макропористому продукту и снижению адсорбционной активности по декану. С другой стороны, увеличение времени выдержки свыше 40 мин увеличивает продолжительность технологического процесса и имеет место некоторая графитизация структуры кристаллитов, что ухудшает развитие микропористости.

Подача азота на стадии карбонизации обеспечивает равномерность образования кристаллитов во всей массе скорлупы, особенно с внутренней рыхлой стороны. На стадии активации идет выгорание части макромолекул кристаллитов и образование микропор. В этом случае при температуре активации ниже 875°С идет образование тонких микропор, плохо доступных молекулам декана, особенно в динамическом режиме очистки. При температуре выше 920°С увеличивается поверхностный обгар, а не развитие микропористости.

Относительно расхода водяного пара на стадии активации показано, что если его расход на 1 кг готового продукта ниже 2,0, существенно возрастает время активации, а при расходе выше 3,5 кг на 1 кг готового продукта усиливается поверхностный обгар.

Из вышеизложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение поставленной цели, а именно повышение адсорбционной активности по декану.