Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОГЛОТИТЕЛЯ-ХЕМОСОРБЕНТА

Изобретение относится к области производства поглотителей-хемосорбентов на основе активных углей, в частности, к производству поглотителей-хемосорбентов кислых (H₂S, SO₂ и др.), щелочных (NH₃ и его производные) газов и паров органических веществ (С₆Н₆, CCl₄ и др.).

Известен способ получения хемосорбента, включающий пропитывание гранул активного угля раствором хлористого никеля, сушку, термообработку и рассев гранул, причем активный уголь перед пропитыванием нагревают до 40-60°С, после пропитывания продукт вылеживают в течение 2-4 ч при температуре 25-35°С, а термообработку ведут при 80-115°С со скоростью подъема температуры 2-5°С/мин, при этом количество введенного хлористого никеля составляет 25-35 масс. %, а суммарный объем пор активного угля составляет 0,85-1,2 см³/г (см. пат. RU 2237513, кл. B01J 20/20, С01В 31/08, опубл. 10.10.2004). Недостатками данного способа получения являются длительное время изготовления, сравнительно невысокое значение поглотительной емкости хемосорбента по аммиаку, а также высокое содержание хлористого никеля, что снижает остаточную емкость хемосорбента по органическим веществам.

Известен способ получения поглотителя аммиака и сероводорода, включающий импрегнирование активного угля раствором сульфата меди. Активный уголь представляет собой углеродно-минеральный сорбент с суммарным объемом пор 0,78-0,95 см³/г, полученный из ископаемого каменного угля методом парогазовой активации при следующем соотношении компонентов, масс. %: сульфат меди 12-15, минеральная составляющая активного угля 11-27, углеродная составляющая активного угля -остальное. Способ получения поглотителя включает импрегнирование активного угля раствором сульфата меди, вылеживание, термообработку и рассев гранул. Импрегнирование проводят раствором сульфата меди, взятом в количестве 65-85% от объема пор активного угля, в две стадии с промежутком времени вылеживания не менее трех часов и сушки после каждой стадии (см. пат. RU 2210429, кл. B01D 53/02, B01J 20/20, B01J 20/30, опубл. 20.08.2003). Недостатками данного способа получения являются длительность изготовления, сравнительно невысокое значение динамической активности поглотителя по сероводороду, а также наличие двухстадийной термообработки.

Известен способ получения поглотителя, включающий импрегнирование активного угля раствором хлористого никеля, термообработку и рассев, причем перед термообработкой импрегнированный активный уголь вылеживают на открытом воздухе в течение 2,0-2,5 ч, а термообработку проводят путем смешения влажного импрегнированного угля с теплоносителем - природным газом, имеющим температуру 500-600°С, в течение 20-25 мин до массовой доли влаги в поглотителе не выше 3% (см. пат. RU 2216399, кл. B01J 20/20, С01В 31/08, опубл. 20.11.2003). Недостатками данного способа получения является длительность изготовления и сравнительно невысокое значение активности поглотителя по аммиаку, а также использование природного газа в качестве теплоносителя.

Известен способ получения сорбента, включающий предварительный нагрев активного угля с суммарной пористостью 0,8-1,2 см³/г, пропитку его раствором хлорида никеля, полученного при его растворении в 0,5-5% водном растворе соляной кислоты, вылеживание пропитанного продукта, термообработку и рассев. Предварительный нагрев активного угля, его пропитывание и вылеживание осуществляют в одном аппарате -смесителе с подогревом при температуре 30-70°С, вылеживание осуществляют в течение 0,5-1,5 ч при перемешивании (см. пат. RU 2333887, кл. С01В 31/08, B01J 20/20, опубл. 20.09.2008). Недостатками данного способа получения является длительность изготовления и сравнительно невысокое значение поглотительной емкости сорбента по аммиаку.

Наиболее близким по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения хемосорбента, включающий пропитку гранул активного угля модифицирующим раствором, вылеживание гранул и их термообработку. 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). Коэффициент пропитки составляет 0,8-1,0 (см. пат. RU 2510868, кл. B01J 20/20, С01В 31/08, С01В 31/16, опубл. 10.04.2014). Недостатком данного способа является сравнительно невысокое значение времени защитного действия хемосорбента по аммиаку.

Техническим результатом (целью) изобретения является сокращение времени изготовления и получение поглотителей-хемосорбентов с высокими защитными характеристиками по кислым, щелочным газам и парам органических веществ.

Поставленная цель достигается предложенным способом, включающим вакуумирование активного угля - основы с суммарным объемом пор 0,6-1,2 см³/г, пропитку ее с коэффициентом 0,6-1,0 водными растворами солей металлов, с последующей термической обработкой пропитанной основы в динамическом слое в токе воздуха при температуре 120-160°С.

Отличие предложенного способа от наиболее близкого по технической сущности состоит в том, что при изготовлении поглотителей-хемосорбентов пропитку осуществляют с коэффициентом пропитки 0,6-1,0, в качестве основы используют предварительно вакуумированный активный уголь с суммарным объемом пор 0,6-1,2 см³/г, благодаря чему происходит удаление воздуха из пор активного угля, что обеспечивает равномерное, глубокое и быстрое распределение пропиточного раствора в объеме активного угля, и получение поглотителя-хемосорбента с высокими эксплуатационными (защитными) характеристиками по кислым, щелочным газам и парам органических веществ. Кроме того, способ отличается ведением процесса термообработки пропитанного активного угля в динамическом слое и малой продолжительностью изготовления поглотителя-хемосорбента ввиду отсутствия стадии вылеживания пропитанного активного угля.

Из научно-технической литературы автору не известны способы получения поглотителей-хемосорбентов кислых, щелочных газов и паров органических веществ с предварительным вакуумированием основы перед пропиткой водными растворами солей металлов с коэффициентом пропитки 0,6-1,0 и термической обработкой пропитанной основы в динамическом слое при температуре 120-160°С.

Использование вакуумирования активного угля позволяет равномерно распределять в его объеме водный раствор с различным содержанием катионов солей металлов, которые участвуют в процессе химических реакций с кислыми и щелочными газами с последующей сорбцией на поглотителе-хемосорбенте. Коэффициент пропитки 0,6-1,0 и термообработка пропитанного активного угля при температуре 120-160°С обеспечивают нанесение оптимального количества соли и оптимальные условия для проведения хемосорбционных процессов, результатом которых является высокий уровень поглощения кислых и щелочных газов. Способ позволяет вести пропитку с различным коэффициентом для нанесения необходимого количества химических добавок, интенсифицировать процесс пропитки, исключить процесс вылеживания и получить поглотители-хемосорбенты с высокими защитными характеристиками по кислым и щелочным газам с сохранением высокой остаточной емкости по органическим веществам.

Способ осуществляется следующим образом. Берут активный уголь с размером частиц 1,5-4,0 мм и суммарным объемом пор по воде в пределах 0,6-1,2 см³/г, помещают в специальный контейнер и с помощью вакуумного насоса создают разрежение 60±5 мм.рт.ст. В реакторе с мешалкой готовят водный раствор, содержащий соль металла, с последующей подачей его в контейнер с вакуумированным углем. Ведут пропитку активного угля подготовленным раствором путем вращения контейнера. Коэффициент пропитки, который должен составлять 0,6-1,0, рассчитывают по формуле:

где K_пр. - коэффициент пропитки;

V_p-pa - объем пропиточного раствора на одну пропитку, см³;

m_уг. - масса активного угля на одну пропитку, г;

V_Σ - суммарный объем пор по воде активного угля, см3/г.

При получении поглотителя-хемосорбента кислых газов и паров органических веществ активный уголь пропитывают водным раствором карбоната калия, гидроксида калия или йодида калия. В раствор вносят соль в количестве, обеспечивающем нанесение на активный уголь карбоната калия - 6,0-10,0 масс. %, гидроксида калия - 5,0-9,0 масс. %, йодида калия - 3,0-4,0 масс. %.

При получении поглотителя-хемосорбента щелочных газов и паров органических веществ активный уголь пропитывают водным раствором хлорида никеля. В раствор вносят соль в количестве, обеспечивающем нанесение на активный уголь хлорида никеля - 18,0-22,0 масс. %.

При получении поглотителя-хемосорбента кислых (сероводород) и щелочных (аммиак) газов используют раствор сульфата меди. В раствор вносят соль в количестве, обеспечивающем нанесение на активный уголь сульфата меди - 15,0-20,0 масс. %.

Пропитанные гранулы термообрабатывают в динамическом слое в токе воздуха при температуре 120-160°С. Полученный поглотитель-хемосорбент охлаждают и проводят его оценку по показателям времени защитного действия по сероводороду или аммиаку в зависимости от назначения поглотителя-хемосорбента.

Пример 1. Берут 1 кг дробленого активного угля типа Даусорб с суммарным объемом пор по воде 0,6 см³/г, проводят вакуумирование в течение 15-20 мин. Готовят расчетное количество водного раствора карбоната калия с концентрацией 19% и температурой 50-60°С.

Вакуумированный уголь пропитывают приготовленным раствором с коэффициентом пропитки 0,76 при непрерывном вращении пропиточного аппарата. Время пропитки составляет 10-15 мин до полного впитывания пропиточного раствора активным углем.

После процесса пропитки проводят термическую обработку пропитанного активного угля в динамическом слое в токе горячего воздуха при температуре 130-140°С.

Параллельно готовят поглотитель-хемосорбент путем пропитки невакуумированного активного угля идентичным пропиточным раствором с последующим вылеживанием в течение 6 часов и термообработкой при идентичных температурах.

Качество полученного поглотителя-хемосорбента оценивают по показателю времени защитного действия по сероводороду, диоксиду серы и бензолу.

Поглотитель-хемосорбент, полученный на основе вакуумированного активного угля, содержит 8,5 масс. % карбоната калия и имеет время защитного действия по сероводороду - 78 мин, по диоксиду серы - 51 мин, по бензолу - 55 мин.

Поглотитель-хемосорбент, полученный на основе невакуумированного активного угля, содержит 8,5 масс. % карбоната калия и имеет время защитного действия по сероводороду - 65 мин, по диоксиду серы - 38 мин, по бензолу - 52 мин.

Пример 2. Берут 1 кг гранулированного активного угля типа Сорбер-40 с суммарным объемом пор по воде 0,75 см³/г, проводят вакуумирование в течение 15-20 мин. Готовят расчетное количество водного раствора йодида калия с концентрацией 6% и температурой 40-50°С.

Вакуумированный уголь пропитывают приготовленным раствором с коэффициентом пропитки 0,73 при непрерывном вращении пропиточного аппарата. Время пропитки составляет 20-25 мин до полного впитывания пропиточного раствора активным углем.

После процесса пропитки проводят термическую обработку пропитанного активного угля в динамическом слое при температуре 120-130°С.

Параллельно готовят поглотитель-хемосорбент путем пропитки невакуумированного активного угля идентичным пропиточным раствором с последующим вылеживанием в течение 6 часов и термообработкой при идентичных температурах.

Качество полученного поглотителя-хемосорбента оценивают по показателю проскоковой емкости по сероводороду и адсорбционной активности по четыреххлористому углероду.

Поглотитель-хемосорбент, полученный на основе вакуумированного активного угля, содержит 2,9 масс. % йодида калия и имеет проскоковую емкость по сероводороду -0,20 г/см³, адсорбционную активность по четыреххлористому углероду - 65%.

Поглотитель-хемосорбент, полученный на основе невакуумированного активного угля, содержит 2,9 масс. % йодида калия и имеет проскоковую емкость по сероводороду -0,17 г/см³, адсорбционную активность по четыреххлористому углероду - 58%.

Пример 3. Берут 1 кг кокосового активного угля типа Каусорб с суммарным объемом пор по воде 0,81 см /г, проводят вакуумирование в течение 15-20 мин. Готовят расчетное количество водного раствора хлорида никеля с концентрацией 46% и температурой 60-70°С.

Вакуумированный уголь пропитывают приготовленным раствором с коэффициентом пропитки 0,68 при непрерывном вращении пропиточного аппарата. Время пропитки составляет 15-20 мин до полного впитывания пропиточного раствора активным углем.

После процесса пропитки проводят термическую обработку пропитанного активного угля в динамическом слое при температуре 140-150°С.

Параллельно готовят поглотитель-хемосорбент путем пропитки невакуумированного активного угля идентичным пропиточным раствором с последующим вылеживанием в течение 6 часов и термообработкой при идентичных температурах.

Качество полученного поглотителя-хемосорбента оценивают по показателям времени защитного действия по аммиаку и бензолу.

Поглотитель-хемосорбент, полученный на основе вакуумированного активного угля, содержит 20,5 масс. % хлорида никеля и имеет время защитного действия по аммиаку - 65 мин, по бензолу - 70 мин.

Поглотитель-хемосорбент, полученный на основе невакуумированного активного угля, содержит 20,5 масс. % хлорида никеля и имеет время защитного действия по аммиаку - 42 мин, по бензолу - 64 мин.

Пример 4. Берут 1 кг гранулированного активного угля типа АГ-3 с суммарным объемом пор по воде 0,92 см³/г, проводят вакуумирование в течение 15-20 мин. Готовят расчетное количество водного раствора сульфата меди с концентрацией 39% и температурой 80-90°С.

Вакуумированный уголь пропитывают приготовленным раствором с коэффициентом пропитки 0,78 при непрерывном вращении пропиточного аппарата. Время пропитки составляет 15-20 мин до полного впитывания пропиточного раствора активным углем.

После процесса пропитки проводят термическую обработку пропитанного активного угля в динамическом слое при температуре 150-160°С.

Параллельно готовят поглотитель-хемосорбент путем пропитки невакуумированного активного угля идентичным пропиточным раствором с последующим вылеживанием в течение 6 часов и термообработкой при идентичных температурах.

Качество полученного поглотителя-хемосорбента оценивают по показателям времени защитного действия по аммиаку и сероводороду.

Поглотитель-хемосорбент, полученный на основе вакуумированного активного угля, содержит 21,5 масс. % сульфата меди и имеет время защитного действия по аммиаку - 74 мин, по сероводороду - 40 мин.

Поглотитель-хемосорбент, полученный на основе невакуумированного активного угля, содержит 21,5 масс. % сульфата меди и имеет время защитного действия по аммиаку - 61 мин, по сероводороду - 32 мин.

Предложенное техническое решение позволяет повысить время защитного действия поглотителей-хемосорбентов по сероводороду на 20-25%, по диоксиду серы - на 34%, по аммиаку - на 21-55%, по бензолу - на 6-9%, проскоковую емкость по сероводороду - на 18%, адсорбционную активность по четыреххлористому углероду - на 12%.

Как следует из полученных данных, каждый из заявленных в совокупности признаков в большей или меньшей степени влияет на достижение поставленной цели, а именно повышение времени защитного действия поглотителей-хемосорбентов по кислым, щелочным газам и парам органических веществ.