СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФИЛЬТРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО ОТДЕЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ ФАЗЫ ОТ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ, ФИЛЬТРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ В ВИДЕ ФОРМОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО ОТДЕЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ОТ НЕОРГАНИЧЕСКИХ Российский патент 1997 года по МПК B01J20/08 B01J20/20 

Изобретение относится к способу получения фильтрующего материала из прессованного активированного угля, к самому фильтрующему материалу, а также к его применению для избирательного отделения органических и неорганических фаз.

Из уровня техники известны фильтрующие материалы, которые позволяют удалять из различных сред как неорганические, так и органические загрязнения. В EP OA-0369171 описан состав, состоящий из активированного угля и активированного оксида алюминия (γ -Al₂O₃), с помощью которого из сточных вод или потоков газа можно удалять неорганические вещества, например, дихромат калия или CO₂, а также органические вещества, например, метан или фенол. Для получения состава из активированного угля/активированного оксида алюминия получают смесь из активированного угля, оксида алюминия, пептизирующего средства и воды, затем эту смесь высушивают, причем оксид алюминия активируется.

В патенте [1] описан способ получения состава: активированный уголь/активированный оксид алюминия, причем активированный оксид алюминия (g-Al₂O₃), активированный уголь и вода перемешиваются и затем смесь нагревается. Полученный состав активированный уголь/активированный оксид алюминия абсорбирует как неорганические соединения, например, CO₂, так и органические соединения, например, метан.

Наиболее близким к предложенному способу является способ получения материала для избирательного разделения органической и неорганической фазы, включающий смешивание до однородной массы частиц активного угля со средним размером частиц 0,5-500 мкм с оксидом алюминия модификации "псевдобемит" в весовом отношении от 1:1 до 18:1, добавление пептизирующего агента раствора кислоты, в том числе уксусной кислоты, добавление воды, в том числе в количестве примерно равном весу частиц активированного угля, формование изделий под давлением, в том числе и в заявленном интервале, при этом возможно разжижение водой прессуемой массы и повторное прессование. После прессования предусмотрена сушка изделий при 60-150^oC в течение 1-4 ч и термообработка при 425-650^oC в течение 30-120 мин [2]
В заявленном способе таблетки последовательно нагреваются до температуры 80-100^oC в течение 6-10 ч, затем до 140-160^oC в течение 8-10 ч и наконец до 180-200^oC в течение 6-10 ч. В то время как в известном способе сначала производят сушку таблеток при температуре 425-600^oC.

Как и ранее существует большая потребность в фильтрующих материалах, которые позволяют избирательно разделять органические и неорганические фазы, и изготовление которых было бы простым и дешевым. Технический результат изобретения заключается в создании таких фильтрующих материалов.

Используемая в заявленном способе термообработка позволяет осуществить существенную модификацию окиси алюминия в изготавливаемом фильтрующем материале и соответственно в абсорбционных свойствах полученного материала. В заявленном способе окись алюминия представлена в форме гидрата оксида алюминия (Al₂O₃•H₂O соответствует ALO(OH)) в псевдобемит-модификации. В противоположность этому в публикации, которая выбрана в качестве ближайшего аналога, материал содержит активированную окись алюминия, т.е. безводный g-оксид алюминия (g-Al₂O₃), которая в патенте США N 4795735 вводится напрямую, а согласно патенту [2] образуется в процессе кальцинирования при T>400^oC, причем гидроксид алюминия и гидрат оксида алюминия переходят в безводный набрать g-оксид алюминия.

Эти различные модификации оксида алюминия позволяют получить совершенно различные свойства абсорбции у известного и заявленного фильтров. В EP описан материал из активированного угля/активированного оксида алюминия для удаления как органических, так и неорганических загрязнений из воды и воздуха. Активированный уголь абсорбирует органические загрязнения, а g-оксид алюминия неорганические загрязнения.

В противоположность этому в заявленном изобретении фильтр позволяет отделить органические частички из неорганической фазы, при этом количество неорганических частичек не оказывает существенного влияния. Такие свойства фильтра необходимы, например, для фильтров, которые используются перед электрохимическими датчиками. Электрохимические датчики могут использоваться, например, для измерения концентраций опасных газов в рабочих помещениях. Поскольку электрохимические датчики реагируют на органический растворитель изопропанол, часто используемый для чистки, то пары изопропанола могут заставить сработать электрохимический датчик и вызвать ложную тревогу. С помощью предлагаемого фильтра можно защитить датчик от органического растворителя, например, изопропанола, причем одновременно можно выделять опасные неорганические газы.

Эта задача решается благодаря описанному способу приготовления фильтрующего материала из прессованных частиц активированного угля, с помощью которых возможно избирательное разделение органических и неорганических фаз, со следующими этапами способа:
(а) размешивание до однородной смеси частиц активированного угля размером от 1 до 100 мкм с оксидом алюминия псевдобемитной модификации в отношении от 1:1 до 5:1;
(б) добавление дистиллированной воды при хорошем размешивании;
(в) добавление раствора уксусной кислоты при хорошем размешивании;
(г) повторное добавление дистиллированной воды;
(д) формование таблеток или подобных прессованных изделий в форме под давлением; и
(е) последовательное нагревание таблеток до температуры:
1) от 80 до 100^oC в течение 6-10 ч.

2) от 140 до 160^oC в течение 8-10 ч.

3) от 180 до 200^oC в течение 6-10 ч.

Фильтры с активированным углем по изобретению легки и дешевы в изготовлении и позволяют очень избирательно разделять неорганические и органические фазы. При этом предпочтительно на этапе (а) применять частицы активированного угля размером от 10 до 50 мкм. Также предпочтительно использовать частицы активированного угля к оксиду алюминия в отношении от 2:1 до 3:1. В еще одном предпочтительном варианте выполнения изобретения дистиллированная вода на этапах (б) и (г) добавляется примерно в количестве, которое соответствует весу частиц активированного угля.

Предпочтительно работают с 20-40%-ной уксусной кислотой. При этом можно использовать 85%-ную уксусную кислоту, разведенную примерно в отношении 1:3.

Прессование на этапе (д) производят предпочтительно при давлении от 40 до 60 кг/см², и особо предпочтительно при давлении 50 кг/см². При этом не имеет решающего значения, какой формы изготовляют прессованные изделия. Это также зависит от предполагаемого применения. Еще возможность состоит в том, что формовочная масса перед прессование еще раз разжижается дистиллированной водой, а именно предпочтительно количеством воды, которое соответствует примерно от 1/3 до 1/5 используемого количества активированного угля. Затем прессуют под давлением от 5 до 20 кг/см², и особо предпочтительно при давлении 10 кг/см². Все операции размешивания проводят очень тщательно.

Еще одним предметом изобретения является фильтрующий материал для избирательного отделения органического материала от неорганической фазы, причем фильтрующий материал по изобретению состоит из прессованных изделий из активированного угля, изготовленных по способу изобретения.

Предметом предлагаемого изобретения является также применение фильтрующих материалов для избирательного разделения неорганических и органических фаз.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующим примером.

Пример 1. Для изготовления фильтров из активированного угля по изобретению проводят следующие этапы.

1. Смешивают активированный уголь в количестве 20 г с гидроксидом алюминия модификации "псевдобемит" до получения однородной массы. Отношение масс активированного угля к гидроксиду алюминия лежит в пределах от 2:1 до 3: 1. Частицы активированного угля должны иметь размеры в диапазоне от 10 до 50 мкм.

2. Размешивают указанные компоненты с 10 мл дистиллированной воды.

3. Разводят 3 мл 85%-ной уксусной кислоты дистиллированной водой до 10 мл и добавляют этот раствор в смесь в качестве пептизирующего и пластифицирующего средства.

4. Добавляют 10 мл дистиллированной воды к смеси.

5. Изготавливают таблетки с применением формы для таблеток или другой формы. Описанную выше массу прессуют под давлением 50 кг/см² в таблетки. Если работают с давлением 10 кг/см², массу предварительно еще раз разжижают 3-5 мл дистиллированной воды. Все операции смешивания проводят очень тщательно до получения совершенно однородной массы.

6. Нагревают таблетки последовательно сначала при температуре от 80 до 100^oC в течение 6-10 ч, затем до температуры 150^oC в течение 8-10 часов, а также окончательно при температуре от 180 до 200^oC в течение 6-10 ч.

Ниже приведены экспериментальные данные, характеризующие разделительную способность фильтров.

1. Равновесная абсорбционная способность фильтрующей таблетки по отношению к бензолу составляет 40 мас. для фильтра толщиной 2,5 мм и 36 мас. для фильтра толщиной 5 мм. Толщина таблетки с учетом надежного функционирования датчика, абсорбционной способности к органическому компоненту, механической прочностью, обеспечивающей возможность установки таблетки в специальный патрон для защиты датчика, лежит в пределах от 1,5 до 5 мм.

2. Данные по разделительной способности фильтра толщиной 2,5 мм, изготовленного прессованием под давлением 10 кг/см² и предназначенного для защиты датчика обнаружения CO, по отношению к изопропанолу приведены в табл.1.

IPA концентрация (концентрация изопропанола) измерялась за фильтрующей таблеткой методом газовой хроматографии для двух образцов после 14, 100 и 150 ч с момента начала испытаний. IPA концентрация перед таблеткой была постоянной и составляла около 100 частей на миллион (ppm).

Концентрация CO измерялась за фильтрующей таблеткой электрохимическим датчиком в течение 1 мин с момента начала испытаний. Концентрация CO перед таблеткой была постоянной и составляла около 210 ppm.

В качестве характеристики электрохимического датчика использовалась величина t₉₀, то есть период времени, в течение которого сигнал датчика достигал 90% от максимального уровня. Обычно величина t₉₀ для электромеханических датчиков составляет 1-2 мин. Как видно из таблицы, фильтры не увеличивают эту характеристику датчика сверх указанного предела. Таким образом, фильтр обладает длительным защитным эффектом по отношению к изопропанолу для датчика CO и одновременно сохраняет его параметры (чувствительность к CO и t₉₀).

3. Влияние размера частиц активированного угля на разделительную способность фильтрующих таблеток по отношению к водороду/изопропанолу в воздухе (табл. 2).

3.1. Приготовление фильтрующих таблеток:
соотношение масс активированного угля и псевдобемитных порошков 3:1;
размер частиц псевдобемитного порошка менее 100 микрон;
соотношение массы воды и активированного угля в получаемой композиции - 0,97:1;
давление в пресс-форме 10 кг/см²;
режим термообработки: 80-100^oC 8 ч; 140-160^oC 8 ч; 180-200^oC 8 ч.

3.2. Размеры таблеток:
диаметр 18,8±0,2 мм
толщина 2,5±0,1 мм.

3.3. Условия испытаний:
концентрация изопропанола в воздухе 200 мг/м³
концентрация водорода в воздухе 190 ppm
температура +20±2^oC.

Использование: в сорбционной технологии. Сущность: получение фильтрующего материала из прессованных изделий из активированного угля, с помощью которых возможно избирательное разделение органической и неорганической фазы, осуществляется следующими этапами: а) смешивание до однородности частиц активированного угля размером от 1 до 100 мкм с оксидом алюминия модификации "псевдобемита" в отношении от 1:1 до 5:1; б) добавление дистиллированной воды при хорошем размешивании; в) добавление разведенной уксусной кислоты при хорошем размешивании; г) повторное добавление дистиллированной воды; д) формирование таблеток или подобных изделий в форме под давлением и е) последовательное нагревание таблеток до 1) от 80 до 100^oC в течение 6-10 ч; 2) от 140 до 160^oC в течение 8-10 ч; 3) от 180 до 200^oC в течение 6-10 ч. 2 с. и 6.з.п.ф-лы, 2 табл.

1. Способ получения фильтрующего материала для селективного отделения органической фазы от неорганической, включающий смешивание до гомогенного состояния частиц активированного угля с размером 1 100 мкм с гидратом оксида алюминия в "псевдобемитной" модификации при массовом соотношении 1 5 1, добавление дистиллированной воды и разбавленной уксусной кислоты при перемешивании, формование изделий под давлением и их термообработку, отличающийся тем, что дистиллированную воду добавляют в два этапа, вначале после смешивания активированного угля с оксидом алюминия, а затем после добавления разбавленной уксусной кислоты, а термообработку проводят путем последовательного нагрева изделий вначале от 80 до 100^oС в течение 6 10 ч, далее от 140 до 160^oС в течение 6 10 ч и затем от 180 до 200^oС в течение 6 10 ч. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют активированный уголь с размером частиц 10 50 мкм. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что смешивание активированного угля с гидратом оксида алюминия проводят в массовом соотношении 2 3 1. 4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что общее количество добавляемой дистиллированной воды равно массе частиц активированного угля. 5. Способ по пп. 1 4, отличающийся тем, что добавляют уксусную кислоту в концентрации 20 40%
6. Способ по пп. 1 5, отличающийся тем, что формование ведут путем прессования массы под давлением 40 60 кг/см². 7. Способ по пп. 1 5, отличающийся тем, что формуемую массу перед прессовкой разжижают дистиллированной водой и прессуют при давлении 10 кг/см². 8. Фильтрующий материал в виде формованных изделий для селективного отделения органических веществ от неорганической фазы, содержащий активированный уголь, гидрат окиси алюминия в "псевдобемитной" модификации и уксусную кислоту, отличающийся тем, что он получен путем смешения частиц активированного угля размером 1 100 мкм с гидратом оксида алюминия в "псевдобемитной" модификации при их соотношении 1 5 1 с последующим добавлением при перемешивании дистиллированной воды, разведенной уксусной кислоты, вновь дистиллированной воды, формованием изделий под давлением и их термообработкой при последовательном нагревании до 80 100^oС в течение 6 10 ч, до 140 160^oС в течение 6 10 ч, до 180 200^oС в течение 6 10 ч.