СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВНОГО УГЛЯ Российский патент 2002 года по МПК C01B31/08 

Изобретение относится к области производства активных углей (а.у.) и может быть использовано для поглощения веществ из газов, паров и жидкостей.

Известен способ получения а.у., включающий измельчение бурого угля прессованием брикетов, их карбонизацию, дробление и активацию при 800-900^oС (патент ГДР 227946, 1983).

Недостатком известного способа является высокая зольность получаемого а. у. и сложность проведения процесса карбонизации.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является способ получения а.у. путем измельчения в пыль углеродсодержащего сырья, последующего смешения пыли со связующим (смесью каменноугольной и лесохимической смол), формования полученной композиции при давлении 80-110 кг/см², карбонизации сформованных продуктов в интервале температур 250-650^oС, активации карбонизата водяным паром и дробление активных углей до размера частиц 0,5-1,5 мм (см. патент РФ 2023663 от 21.10.1993, заявка 93048624, кл. С 01 В 31/08). Этот способ принят за прототип предлагаемого изобретения.

Недостатком прототипа является невысокая адсорбционная способность получаемого а.у. при очистке питьевой воды от ацетона, а также низкая механическая прочность.

Целью изобретения является повышение адсорбционной способности по ацетону получаемого угля при очистке питьевой воды, а также повышение механической прочности с целью использования в золотодобывающей промышленности.

Поставленная цель достигается предложенным способом, включающим использование твердого пека с температурой плавления 70-110^oС, совместное его измельчение в пыль с углеродсодержащим сырьем, формование смеси при удельном давлении, равном 900-1500 кг/см², карбонизацию до температуры 550-650^oС со скоростью нагрева 20-25^oС/мин, дробление карбонизата до размера частиц 0,3-2,0 мм, активацию в среде водяного пара. При этом используется пек в количестве 8-20 мас.%, а измельчение в пыль углепековой композиции проводят при температуре 20-50^oС.

Отличие предлагаемого способа от известного состоит в использовании твердого связующего с температурой плавления (70-110^oС) вместо жидких смол, совместном измельчении угольной основы и связующего при определенной температуре (не выше 50^oС), осуществлении формования угольно-пековой композиции при высоких удельных давлениях 900-1500 кг/см², проведении измельчения до 0,3-2,0 мм перед активацией.

Анализ патентной и научной литературы показывает, что предлагаемый способ получения а.у. является новым.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Использование твердого связующего - каменноугольного, древесного, нефтяного, полимерного пека с температурой плавления 70-110^oС (т.е. допускающей), совместное измельчение с угольной основой - ископаемыми углями, полукоксами и др., в сочетании с высокими удельными давлениями, применяемыми при формовании смеси в таблетки, пластины, гранулы, шарики и т.д. позволяет сформировать пористую структуру углей с заданными параметрами, а также получать угли с высокой механической прочностью (суперпрочные).

Для адсорбции плохосорбирующегося вещества - ацетона необходимо иметь развитый объем микропор с размерами 0,3-0,6 нм ("ультрамикропор"). Кроме того, установлено, что осуществление измельчения сырья при относительно низких температурах (20-50^oС) при содержании пека 8-20% обусловливает повышение насыпной плотности получаемых адсорбентов, а следовательно, увеличивает адсорбционную активность слоя угля (при расчетах см³/см³ ).

Способ осуществляют следующим образом.

Берут каменный уголь, полукокс, древесный уголь-сырец и т.д., смешивают с твердым пеком в количестве 8-20%. Смесь измельчают в шаровой, дисковой или вибромельнице в течение 6-8 часов до получения тонкой пыли (менее 90 микрон). Затем угольно-пековую пыль формуют на гидравлических, шнековых или других типах прессов при удельном давлении 900-1500 кг/см² в гранулы, таблетки, брикеты, пластины, шарики и т.д. Полученный формованный продукт помещают в печь и подвергают нагреванию от комнатной температуры до 550-650^oС со скоростью нагрева 20-25^oС/мин. После выгрузки из печи карбонизат дробят до размера частиц 0,3-2,0 мм и активируют в среде водяного пара 5-6 кг/кг а.у. при 870-900^oС.

Многочисленными экспериментами установлено, что если температура пека ниже 70^oС, то совместное измельчение с каменноугольной основой не обеспечивает получение угольно-пековой пыли, способной сформировать ультрамикропористую структуру изготавливаемых сорбентов и тем более высокую механическую прочность. Использование пеков с темпеpaтурой плавления выше 110^oС приводит к развитию микропор более крупных размеров (0,8-1,5 нм), что снижает их адсорбционную активность по ацетону.

Относительно удельного давления при формовании было установлено, что если оно менее 900 кг/см², то получают развитие только транспортные поры ( V_ма). При более высоких давлениях (более 1500 кг/см²) поры полностью как бы захлопываются, их объем уменьшается в несколько раз.

В результате детальных исследований были установлены параметры и режимы размола углепековой композиции, ее процентный состав, определяющий характер развития пористой структуры и механической прочности углей, а именно наилучшей емкостью поглощения ацетона при очистке питьевой воды, а также наибольшей механической прочностью характеризуются угли, полученные при:
- использовании пеков с температурой плавления 70-110^oС, взятых в количестве 8-20 мас.% по отношению к угольной основе;
- проведении совместного измельчения, а не отдельно каждого компонента;
- измельчении при 20-50^oС;
- удельном давлении при формовании 900-1500 кг/см²;
- дроблении карбонизата, прошедшего только стадию низкотемпературного пиролиза.

Пример 1. Берут 5,0 кг слабоспекающегося каменного угля марки СС(2СС), ГОСТ 10355-84 и 0,42 кг каменноугольного пека, имеющего температуру плавления 70^oС. Смесь измельчают в шаровой мельнице до размера частиц 5-90 микрон, температура проведения размола 25^oС. Полученную углепековую композицию формуют в таблетку 2•5 мм на гидропрессе при удельном давления 900 кг/см² и выдержке 3 мин. Влажность пасты поддерживалась на уровне 2%. Таблетки нагревают во вращающейся печи до 550-650^oС, после чего дробят до размера частиц 0,3 мм и направляют в печь для проведения активации при 875^oС в атмосфере водяного пара. Расход пара поддерживают в пределах 5,0-5,1 кг/кг а.у. Через 3,0 часа уголь выгружают и анализируют.

Адсорбционная активность по ацетону составляет 42 мг/г, механическая прочность 96,5%,
Пример 2. Аналогично примеру 1 за исключением того, что берут пек с температурой плавления 110^oС, в количестве 20% к массе углепековой смеси. Смесь измельчают при 50^oС, влажность поддерживают на уровне 10% и формуют на гидравлическом прессе в брикеты при давлении 1500 кг/см², которые после карбонизации дробят до размеров 2,0 мм.

Адсорбционная активность а.у. по ацетону составляет 43 мг/г, механическая прочность 97,0%.

Пример 3. Аналогично примеру 1 за исключением того, что берут пек с температурой плавления 90^oС в количестве 14%, размол осуществляют при 37,5^oС, массу с влажностью 5% формуют на специальных вертикальных прессах в гранулы при давлении 1200 кг/см². Гранулы карбонизуют, дробят до 1,1 мм и активируют.

Адсорбционная способность по ацетону 44 мг/г, прочность 97,1%.

В табл. 1 представлены примеры 4-9, полученные аналогично примеру 1 по влиянию температуры пека на адсорбционную активность и механическую прочность углей.

Как следует из полученных данных, при температуре плавления, равной 70-110^oС, достигается повышение адсорбционной емкости по ацетону в 1,6-1,8 раза и на 16-20% механической прочности. Это объясняется тем, что при понижении температуры пека в углях не развиваются ультрамикропоры, обеспечивающие высокую емкость по ацетону, а при использовании твердоплавких пеков ухудшаются кинетические свойства углей, что также ведет и к снижению их механических свойств.

В табл.2 представлены данные, иллюстрирующие влияние совместного и раздельного размолов углепековых компонентов, а также влияние удельного давления при формовании гранул на достижение цели изобретения.

Экспериментальные данные убедительно показывают необходимость осуществления совместного помола твердого связующего (пека) и твердой угольной основы, при получении углей с высокими показателями адсорбционной активности и механической прочности, что объясняется равномерным обволакиванием угольных частиц частицами связующего.

Опыты показали, что удельное давление при формовании играет важную роль при образовании пористой системы а.у. Наилучшие показатели обеспечиваются при удельных давлениях 900-1500 кг/см². При меньших давлениях формируются крупные разновидности пор, не адсорбирующие молекулы ацетона. При давлениях больше чем 1500 кг/см³ образуются очень мелкие поры, не доступные молекулам ацетона.

Серией дополнительных экспериментов показано, что влажность пыли 2-10%, выдержка при прессовании, равная 5-20 минутам, также играет роль при получении а.у. с заданными свойствами.

Из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение поставленной цели, а именно повышение адсорбционной емкости по ацетону и механической прочности.

А вся совокупность:
- использование твердых связующих, в количестве 8-20 мас.% с температурой плавления 70-110^oС;
- совместное измельчение угольно-пековой композиции при температурах 25-50^oС;
- повышение удельного давления при формовании до 900-1500 кг/см², является достаточной для характеристики заявляемого технического решения.

Изобретение относится к области производства активных углей и может быть использовано в различных углеадсорбционных процессах: очистке ликеро-водочных изделий, питьевой воды, фармацевтической и пищевой промышленности, а также для рекуперации летучих растворителей. Предложен способ получения активного угля, включающий совместное измельчение в пыль углеродсодержащего сырья и твердого связующего - пека, имеющего температуру плавления 70-110^oС и взятого в количестве 8-20 мас.%, формование полученной композиции в таблетки, брикеты, гранулы при удельном давлении, равном 900-1500 кг/см², карбонизацию в интервале температур от комнатной до 550-650^oС со скоростью 20-25^oС/мин, дробление до размера частиц 0,3-2,0 мм, активацию водяным паром. Способ позволяет получать суперпрочные активные угли, обеспечивающие высокую степень очистки питьевой воды от плохосорбирующего компонента - ацетона. 4 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ получения активного угля, включающий измельчение сырья, формование, карбонизацию, активацию и дробление, отличающийся тем, что измельчению подвергают смесь угольной основы и твердого связующего - пека с температурой плавления 70-110^oС, а формование измельченной смеси ведут при удельном давлении 900-1500 кг/см². 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пек берут в количестве 8-20 мас. %. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что совместное измельчение осуществляют при температуре 20-50^oС. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дробление ведут после карбонизации до размера частиц 0,3-2,0 мм. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что карбонизацию осуществляют со скоростью повышения температуры 20-25^oС/мин до температуры 550-650^oС, а активацию ведут в среде водяного пара при 870-900^oС.