СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВНОГО УГЛЯ Российский патент 1994 года по МПК C01B31/08 

Изобретение относится к получению порошкообразного активного угля (а.у. ) с повышенной адсорбционной способностью по высокомолекулярным органическим соединениям.

Известен способ получения активного угля, включающий обработку древесного угля-сырца (основная фракция 2-5 мм) воздухом при 280-420^оС, последующее охлаждение до 40^оС и активацию водяным паром при 800-900^оС при расходе водяного пара 3 кг на 1 кг угля-сырца, общий выход готового продукта от исходного сырья составляет при этом 18-20 мас.% (авт.св. СССР N 1401277, 1988).

Недостатком известного способа является сложность проведения технологического процесса и высокие требования и пожаробезопасности, так как при 200^оС возможно самовозгорание угля-сырца на воздухе.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является способ получения порошкообразного активного угля, включающий измельчение каменного угля до размеров частиц менее 0,5 мм, и нагревание до 1000-1200^оС с последующей активацией при этой температуре в вихревой печи активирующим агентом, содержащим водяной пар (авт.св. СССР N 1567515, 1990).

Недостатком известного способа являются низкая адсорбционная способность получаемого а. у. по высокомолекулярным органическим соединениям в жидкой фазе, а также малый общий выход готового продукта (20-23%).

Целью изобретения является повышение адсорбционной способности получаемого активного угля по высокомолекулярным органическим соединениям в жидкой фазе и увеличение общего выхода готового продукта.

Поставленная цель достигается предложенным способом, включающим карбонизацию углеродсодержащего материала при 400-650^оС, нагревание карбонизованного продукта без доступа газообразных реагентов до 800-850^оС со скоростью подъема температуры 50-100^оС/ч и активацию водяным паром при массовом соотношении карбонизованного продукта и водяного пара 1:5-10, причем после активации осуществляют измельчение угля.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Стадия нагревания карбонизованного продукта до температуры активации является определяющей для формирования пористой структуры а.у. и, следовательно, его адсорбционных свойств. Многочисленными экспериментами показано, что для получения необходимой пористой структуры важно как выдержать на этой стадии определенную скорость подъема температуры, так и не допустить присутствия окислительных газообразных реагентов.

Для эффективной адсорбции высокомолекулярных органических соединений из жидкой фазы важно добиться развития в адсорбенте максимального объема крупных микропор шириной 2-3 мм. Опытным путем установлено, что при проведении процесса активации эффективное вскрытие зародышей микропор происходит при определенном соотношении карбонизованного продукта и водяного пара. При уменьшении количества водяного пара нарушается стехиометрия реакции окисления углерода, а при увеличении его идет поверхностный обгар частиц, что снижает адсорбционные свойства а.у. и выход продукта.

Осуществление измельчения частиц а.у. после активации позволяет обеспечить повышение адсорбционных свойств и выход готового продукта. С другой стороны, при активации порошкообразного углеродсодержащего материала мелкие частицы, в основном, обгорают, а не активируются.

Способ осуществляют следующим образом.

Берут углеродсодержащий материал (древесину, лигнин, целлолигнин, каменный уголь, полукокс и т.п.) или сформованные из них гранулы и проводят карбонизацию в реакторе или во вращающейся печи со скоростью подъема температуры 15-40^оС/мин до 400-650^оС в атмосфере углекислого газа или топочных газов.

Проведение карбонизации при температуре ниже 400^оС не обеспечивает удаление всего количества летучих веществ, что нарушает формирование микропористой структуры угля при активации. С другой стороны, карбонизация при температуре выше 650^оС не обеспечивает необходимую структуру карбонизованного продукта.

Затем карбонизованный продукт выгружают, охлаждают, подают в другой реактор или печь и осуществляют нагревание без доступа газообразных реагентов до 800-850^оС со скоростью подъема температуры 50-100^оС/ч.

Нагрев продукта на второй стадии ниже 800^оС не приводит к образованию большого количества микрокристаллического углерода, который обеспечивает развитие большого объема микропор.

Нагрев выше 850^оС приводит к образованию крупных кристаллитов углерода и развитию невысокого объема микропор.

После завершения операции нагревания без охлаждения продукта проводят его активацию, для чего начинают подавать в реактор (печь) водяной пар при соотношении водяного пара к углю 5-10:1 с одновременным установлением температуры 850-950^оС, при которой и ведут процесс активации. Активация при температуре ниже 850^оС характеризуется малой скоростью реакции окисления углерода. В то же время активация при температуре выше 950^оС сопровождается поверхностным обгаром и озолением угля.

При достижении определенного суммарного объема пор угля (контролируемого по влагоемкости) его выгружают из реактора (печи) и охлаждают до комнатной температуры. Затем осуществляют измельчение активных частиц (гранул) на мельнице любого типа до размеров частиц менее 100 мкм.

Полученный таким способом порошкообразный активный уголь имеет адсорбционную способность по полиэтиленгликолю (---) с молекулярной массой 20000, равную 127-152 мг/г и по диизопропиловому эфиру фторфосфорной кислоты. (СН₃)₂-СНО-Р= 0 с молекулярной массой 184, равную (СН₃)₂-СНО 215-237 мг/г. Общий выход готового продукта составил 30-35 мас.%.

П р и м е р 1. Берут 10 кг угольно-смоляных гранул, полученных путем формования пасты, состоящей из 6,5 кг измельченного каменного угля марки СС и 3,5 кг препарированной лесохимической смолы и проводят их карбонизацию со скоростью подъема температуры 30^оС/мин до температуры 500^оС в атмосфере углекислого газа, подаваемого со скоростью 12 л/мин. Затем карбонизованный продукт выгружают, охлаждают до комнатной температуры и подают в электропечь, где нагревают без доступа газообразных реагентов до 850^оС со скоростью подъема температуры 100^оС/ч. После завершения нагревания осуществляют активацию, для чего подают в электропечь водяной пар при соотношении нагретого продукта к водяному пару 1:10 и повышают температуру до 900^оС. Активацию ведут до достижения суммарного объема пор 1,0 см³/г. Затем выгружают активный уголь из электропечи, охлаждают его до комнатной температуры и измельчают на шаровой мельнице до размеров частиц менее 100 мкм.

Полученный порошкообразный активный уголь имеет адсорбционную способность по полиэтиленгликолю 143 мг/г и по диизопропиловому эфиру фторфосфорной кислоты 222 мг/г. Общий выход готового продукта составил 33,4%.

П р и м е р 2. Березовую древесину карбонизируют при скорости подъема температуры 30^оС/мин до Т = 550^oС; выход 30 мас.%.

Берут 10 кг березового угля-сырца и осуществляют его нагревание в электропечи без доступа газообразных реагентов со скоростью подъема температуры 50^оС/мин до температуры 800^оС. После завершения нагревания осуществляют активацию при температуре 900^оС и соотношении нагретого продукта к водяному пару 1: 5 до достижения суммарного объема пор 1,6 см³/г. Затем выгружают активный уголь из электропечи, охлаждают его до комнатной температуры и измельчают на шаровой мельнице до размеров частиц менее 100 мкм.

Полученный порошкообразный активный уголь имеет адсорбционную способность по полиэтиленгликолю 129 мг/г и по диизопропиловому эфиру фторфосфорной кислоты 218 мг/г. Общий выход готового продукта составил 29,1%.

П р и м е р 3. Целлолигниновые гранулы карбонизируют при скорости подъема температуры 50^оС/мин до Т = 600^оС; выход 26%.

Берут 10 кг карбонизированных целлолигниновых гранул и осуществляют их нагревание в электропечи без доступа газообразных реагентов со скоростью подъема температуры 70^оС/ч до температуры 820^оС. После завершения нагревания осуществляют активацию при температуре 870^оС и соотношении нагретого продукта к водяному пару 1:7 до достижения суммарного объема пор 1,2 см³/г. Затем выгружают активный уголь из электропечи, охлаждают его до комнатной температуры и измельчают на шаровой мельнице до размеров частиц менее 100 мкм.

Полученный порошкообразный активный уголь имеет адсорбционную способность по полиэтиленгликолю 137 мг/г и по диизопропиловому эфиру фторфосфорной кислоты 232 мг/г. Общий выход готового продукта составил 31,7%.

В таблице представлены примеры 4-13, полученные аналогично примеру по влиянию режимов нагревания и активации на адсорбционную способность и общий выход порошкообразного активного угля.

Условия испытаний: концентрация в воде: полиэтиленгликоля 120 мг/л; диизопропилового эфира фторфосфорной кислоты 200 мг/г; температура 20^оС.

Как следует из полученных данных, при нагревании со скоростью подъема температуры 50-100^оС/ч до температуры 800-850^оС без доступа газообразных реагентов и активации при массовом соотношении карбонизованного продукта и водяного пара, равном 1:5-10, с последующим измельчением готового продукта достигается повышение адсорбционной способности в жидкой фазе на 7-50% при извлечении высокомолекулярных органических соединений и одновременное повышение общего выхода готового продукта на 10-15%.

При скорости подъема температуры ниже 50^оС/ч - образуются мелкие микропоры с размером менее 0,5 мм, а при скорости подъема выше 100^оС/ч формируются преимущественно транспортные поры, что снижает адсорбционную способность по большим молекулам.

С другой стороны, при массовом соотношении нагретого продукта и водяного пара 1:4 не происходит полного вскрытия пористой структуры, а при массовом соотношении 1:11 идет интенсивный поверхностный обгар, что также ухудшает свойства порошкообразного а.у. при сорбции из растворов и его выход.

Углеродсодержащий материал карбонизуют при 400 - 600°С, нагревают без доступа газообразных реагентов до 800 - 850°С со скоростью подъема температуры 50 -100°С/ч активируют водяным паром при массовом соотношении углеродсодержащего материала и водяного пара 1 : 5 - 10 и измельчают. 1 табл.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВНОГО УГЛЯ, включающий измельчение углеродсодержащего материала, нагревание и активацию агентом, содержащим водяной пар, отличающийся тем, что перед нагреванием осуществляют карбонизацию при 400 - 600^oС, нагревание ведут без доступа газообразных реагентов до 800 - 850^oС со скоростью подъема температуры 50 - 100^oС/ч, а активацию - водяным паром при массовом соотношении углеродсодержащего материала и водяного пара 1 : 5 - 10, и измельчение осуществляют после активации.