СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВНОГО УГЛЯ Российский патент 1998 года по МПК C01B31/08 

Изобретение относится к технологии получения активного угля на основе древесного угля-сырца и может быть использовано в жидкофазных процессах очистки лекарственных препаратов, химфармпродуктов, питьевой воды, ликеро-водочных изделий и т.д.

Известен способ получения активного угля из растительного сырья путем термической обработки при 600^oC, активации в присутствии водяного пара, диоксида углерода или кислорода при температуре 1100^oC, охлаждения и повторной термической обработки до 1500^oC без подвода активирующих газов извне (см. Патент ПНР, N 140117, кл. C 01 B 31/10, опубл. 05.01.88).

Недостатком известного способа является значительная сложность технологического процесса и аппаратуры, низкая прочность получаемого продукта, плохая воспроизводимость получаемых результатов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения активного угля из древесного угля-сырца, включающий термическую обработку воздухом при 280 - 420^oC, активацию водяным паром при 800 - 900^oC при соотношении угля-сырца и пара, равном 1:2-3 (см. авт. св. N 1401277, СССР, кл. C 01 B 31/08, опубл. 19.12.86).

Недостатком прототипа является невозможность получения активных углей с высокой адсорбционной емкостью по отношению к таким высокомолекулярным примесям в водных растворах, как конго-красный, капроновая кислота, альбумин и др.

Другими недостатками являются низкая прочность получаемых углей и сильное пылевыделение.

Целью изобретения является повышение адсорбционной емкости угля по таким относительно крупным молекулам, как краситель - конго-красный и капроновая кислота, а также повышение механической прочности.

Цель достигается предлагаемым способом, включающим термическую обработку древесного угля-сырца до 800 - 850^oC без доступа воздуха со скоростью подъема температуры 40 - 60 град/мин, активацию водяным паром при соотношении угля-сырца и пара, равном 1:(5-8), и дробление продукта до требуемых фракций.

Отличие предлагаемого способа от прототипа состоит в том, что термическую обработку угля-сырца ведут до 800 - 850^oC без доступа воздуха со скоростью подъема температуры 40 - 60 град/мин, а активацию осуществляют водяным паром при соотношении угля-сырца и пара, равном 1:(5-8).

Осуществление термической обработки до 800 - 850^oC без доступа воздуха со скоростью подъема температуры 40 - 60 град/мин в практике производства активных углей на основе древесного угля-сырца неизвестно.

Неизвестен и способ активации таких углей водяным паром при соотношении, равном 1:(5-8).

Сущность предложенного способа состоит в следующем.

Берут древесный уголь-сырец, продукт пиролиза древесины или ее отходов (стружки, опилки и т.д.) в интервале температур 20 - 400^oC, с размерами частиц 1 - 10 мм и подвергают его термической обработке от комнатной температуры до 800 - 850^oC без доступа воздуха со скоростью подъема температуры 40 - 60 град/мин, а затем активируют при 850 - 950^oC водяным паром при соотношении уголь-сырец : водяной пар, равном 1:(5-8). Активацию ведут 10 - 20 ч. После достижения обгаров 50 - 70% уголь выгружают, охлаждают, раздрабливают и анализируют.

В предложенном способе пористая структура углеродных адсорбентов формируется в процессе термической обработки без доступа воздуха в интервале температур от комнатной до 800 - 850^oC за счет перегруппировки атомов углерода, удаления остатков летучих и отсутствия усадки.

Осуществление нагрева со скоростью 40 - 60 град/мин обеспечивает развитие относительно крупных первичных микропор. Активация угля при 850 - 950^oC в присутствии большого избытка водяного пара 1:(5-8) приводит к дальнейшему росту размеров микропор (до 0,9 - 1,1 нм), что и обеспечивает высокую степень поглощения таких относительно крупных веществ-загрязнителей водных сред, как конго-красный, капроновая кислота, альбумин, цианкобаламин и др.

В результате проведения многочисленных экспериментов было установлено, что на качество получаемого активного угля существенное влияние оказывает температурный интервал термообработки угля-сырца без доступа воздуха и скорость подъема температуры от комнатной до 800 - 850^oC, соотношение водяного пара и угля-сырца в процессе активации 850 - 950^oC.

Определяющими являются: использование растительного углеродсодержащего материала древесного угля-сырца фракции 1 - 10 мм, интервал температуры термической обработки перед активацией, который должен находиться в пределах 800 - 850^oC, отсутствие доступа (лаже следов воздуха) и скорость подъема температуры 40 - 60 град/мин, активация термически обработанного углерода должна проводиться при 850 - 950^oC в избытке водяного пара, т.е. при соотношении уголь-сырец: водяной пар, равном 1:(5-8).

Авторами было установлено, что термическая обработка угля-сырца при определенном режиме без доступа воздуха и последующая активация в избытке сильного окислителя - водяного пара дает возможность сформировать определенную микропористую структуру, а именно с преобладающим размером микропор, равным 0,9 - 1,1 нм. При этом мезопоры и макропоры, т.е. более крупные разновидности пор, характеризуются относительно малой длиной L, что и улучшает кинетику поглощения органических веществ, имеющих длинную и разветвленную цепь (особенно у конго-красного и капроновой кислоты).

Кроме того, получаемые угли характеризуются повышенной механической прочностью и не пылят.

Способ обеспечивает хорошую воспроизводимость качественных характеристик угля.

Следующие примеры поясняют сущность изобретения.

Пример 1. Берут 5,0 кг березового угля-сырца, с размером 1 - 5 мм, влажностью 7,0%, выходом летучих 12 - 25%, суммарным объемом пор 0,9 см³/г. Уголь загружают в стационарную печь и начинают нагрев от 25 до 800^oC со скоростью подъема 40 град/мин. Уголь выдерживают при 800^oC 6 ч., затем уголь выгружают и подают во вращающуюся печь, нагретую до температуры 850^oC, куда поступает водяной пар при соотношении уголь-пар, равном 1 : 5. Активацию проводят в течение 10 ч. После этого продукт выгружают, дробят, рассеивают и анализируют.

Полученный уголь характеризуется высокими показателями адсорбционной емкости по конго-красному 8,0 мг/г и капроновой кислоте 800 мг/г.

Прочность угля составляет 80%.

Аналогичные показатели для угля по прототипу (авт.св. N 1401277, СССР, опубл. в Б.И. 1988, N 21) составляют:
4,9 мг/г (конго-красный);
560 мг/г (капроновая кислота);
прочность 62 - 72%.

Пример 2. Берут 1,0 кг древесного угля-сырца из хвойных пород с выходом летучих 18%, с влажностью 7,0%, размером частиц 1 - 10 мм. Уголь загружают в печь и нагревают от 25 до 850^oC без доступа воздуха со скоростью подъема 60 град/мин. Уголь выдерживают при 850^oC в течение 5 ч, затем выгружают и помещают во вращающуюся печь, нагретую до 950^oC, куда подают водяной пар в соотношении угол : пар, равном 1 : 8. После активации в течение 5 ч уголь охлаждают, выгружают, дробят, рассеивают и анализируют.

Адсорбционная емкость таких углей по конго-красному составляет 7,9 мг/г, капроновой кислоте 890 мг/г, прочность 79%.

Пример 3. Берут 0,5 кг березового угля-сырца в зернении 1 - 7 мм, с выходом летучих 12%, суммарным объемом пор 0,6 см³/г. Уголь помещают в печь, которую начинают нагревать от 25 до 825^oC со скоростью подъема температуры 50 град/мин, при 825^oC уголь выдерживают 3 ч, затем температуру печи поднимают до 900^oC и подают водяной пар в соотношении уголь : пар, равном 1 : 6,5. Активацию ведут в течение 7,0 ч. После этого уголь охлаждают, выгружают и дробят. Адсорбционная емкость таких углей по конго-красному 8,1 мг/г, капроновой кислоте 910 мг/г, прочность 80,0%.

Экспериментами установлено, что снижение конечной температуры термической обработки ниже 800^oC приводит к уменьшению показателей по конго-красному до 4,7 мг/г, капроновой кислоте до 520 мг/г получаемых углей.

Изобретение касается получения активного угля с повышенными показателями адсорбционной емкости при очистке водных сред от высокомолекулярных органических соединений. Сущность способа получения активного угля из древесного угля-сырца состоит в термической обработке угля до 800-850^oC без доступа воздуха со скоростью подъема температуры 40-60 град/мин и активации водяным паром при соотношении угля-сырца и пара, равном 1:(5-8). Способ позволяет значительно повысить механическую прочность годного угля, а также объем крупных микропор с преобладающим радиусом 0,85-1,0 нм, что делает перспективным его использование при очистке растворов от таких трудноудаляемых веществ как конго-красный, капроновая кислота, альбумин.

Способ получения активного угля из древесного угля-сырца, включающий термическую обработку, активацию и дробление, отличающийся тем, что термическую обработку ведут до 800 - 850^oC без доступа воздуха со скоростью подъема температуры 40 - 60 град/мин, а активацию осуществляют водяным паром при соотношении угля-сырца и пара, равном 1 : 5 ^oC 8.