СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ ИЗ ОТХОДОВ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА Российский патент 2008 года по МПК C01B31/08 B01J20/24 

Изобретение относится к новому подходу получения активных углей (АУ) из отходов сельского хозяйства (шелуха ячменя и некондиционное зерно ячменя) при одностадийной карбонизации и относительно невысоких температурах (290-320°С) минуя процесс активации. Полученные таким образом АУ применяют в качестве сорбентов для очистки питьевой воды от красителей (фотокатализаторов-фотосенсибилизаторов) и гидросферы от нефтепродуктов. Новый способ позволяет повысить адсорбционную емкость и удельную поверхность за счет значительного увеличения объемов мезопор и макропор.

Известный способ получения АУ представляет собой метод пропускания исходных растительных материалов вдоль вертикального реактора сверху вниз против потока тепла, который идет снизу вверх (российские патенты: №20318449, №2041436).

Прототипом, наиболее близким к изобретению по технологической сущности, является способ получения активного угля из лузги риса (RS), состоящий в получении АУ при температуре 450-650°С в течение 15 мин (российский патент №RU 2036843, 6 С02F 1/28).

Недостатком способа, выбранного в качестве прототипа, является следующее. Активный уголь, полученный из лузги риса (RS) по режимам, указанным в прототипе, имеет большое количество мезопор и макропор (фиг.1) с радиусами R_мез=316 Å и R_мак=31622 Å. При температурах 450-600°С до 66% каркаса исходного материала разрушается в ходе процесса карбонизации. В результате такой обработки выход АУ составляет не более 23-30% активного угля с прочностью по истиранию не более 60%. Таким образом, полученные указанным способом углеродные сорбенты обладают узким спектром действия.

Цель изобретения: разработка способа получения АУ из отходов сельского хозяйства с низкой удельной плотностью (ρ=0,13-0,32 г/см³), высокой величиной мезопор (не менее 60%), при меньшей температуре карбонизации и меньшего времени пребывания материалов в реакторе, следовательно, при меньших затратах энергии и сырья с прочностью не менее 3,5-4,5 кг/см².

Сущность изобретения: поставленная цель достигается описываемым ниже способом обработки исходных материалов: шелухи ячменя и некондиционного зерна ячменя (примеры 1-10).

Способ заключается в следующем:

а) Проводится предварительная сушка сырья в горячем воздухе в течение 2 часов при Т=90-120°С.

б) Карбонизация подготовленного сырья проводится при Т=290-320°С в течение 7-15 минут со скоростью подъема температуры 5°С/мин. Использование указанных признаков в предложенном способе получения углей позволяет достичь высокого качества первичного угля - углеродных сорбентов, расширить возможность их применения не только для удаления нефтепродуктов от воды, но и для очистки воды от ионов тяжелых металлов, красителей и других органических веществ. При этом для получения углеродного сорбента используют отходы сельского хозяйства: шелуху ячменя и некондиционное зерно ячменя с предварительной сушкой сырья перед его карбонизацией. При этом значения радиусов мезопор и макропор составляют R_мез.=23-157 Å и R_{супермез}=1738 Å (фиг.2).

Отличительными признаками предложенного способа от известного является то, что предварительная сушка шелухи ячменя и некондиционного зерно ячменя приводится в горячем воздухе в течение 2 часов при Т=90-120°С, а карбонизация подготовленного сырья проводится при Т=290-320°С в течение 7-15 минут со скоростью подъема температуры 5°С/мин.

Пример 1: 20 дм³ шелухи ячменя периодический загружаются в цилиндрический реактор с размером 200/60 (мм) с последующей сушкой под горячим потоком воздуха при Т=90°С в течение 2 часов, затем реактор помещается в электрическую печь и проводится процесс карбонизации при Т=290°С в течение 10 мин. Время проведения карбонизации считается с момента достижения температуры Т=290°С. Скорость подъема температуры 5°С в минуту начиная со 120 до 290°С. Полученный уголь имеет удельную поверхность 298 м²/г, плотность d=0,320 г/см³ и адсорбционную емкость по метиленовому голубому 400,0 мл/г (начальная концентрация С°_н=0,002 г/л) за время 7 мин (в статических условиях) и 3 мин 15 сек (в динамических условиях), механическая прочность равна 3,75 кг/см².

Пример 2: 20 дм³ шелухи ячменя загружается в реактор (например 1) с последующей сушкой под горячим потоком воздуха при Т=120°С в течение 2 часов. Далее (примере 1) и проводили карбонизацию при Т=300°С в течение 10 мин. Скорость подъема температуры 5°С/мин. Полученный уголь имеет удельную поверхность 310 м²/г, плотность 0,26 г/см³ и адсорбционную емкость по метиленовому голубому 430,0 мл/г (С°_н=0,002 г/л) за 9 мин (в статических условиях) и 4 мин (в динамических условиях), механическая прочность 3,68 кг/см²

Пример 3: подход к процессу, как в примерах 1,2, но отличается температурой карбонизации Т=320°С, время карбонизации 7 мин. Скорость подъема температуры 5°С/мин. Полученный уголь имеет удельную поверхность 320 м²/г, удельную плотность 0,25 г/см³ и адсорбционную емкость по метиленовому голубому 460,0 мл/г (С°_н=0,002 г/л) за 6 мин (в статических условиях) и 3,5 мин (в динамических условиях), механическая прочность 3,46 кг/см².

Пример 4: подход к процессу, как в примере 3, но отличие в скорости подъема температуры (10°С/мин). Полученный уголь имеет поверхность 379 м²/г, удельную плотность 0,16 г/см³ и адсорбционную емкость по метиленовому голубому 485,0 мл/г (С°_н=0,002 г/л) за 10 мин (в статических условиях) и 7 мин (в динамических условиях), механическая прочность 3,75 кг/см².

Пример 5 подход к процессу как в примере 2, но отличие в скорости подъема температуры (10°С/мин). Полученный уголь имеет поверхность 400 м²/г, удельную плотность 0,21 г/см³ и адсорбционную емкость по метиленовому голубому 500,0 мл/г (С°_н=0,002 г/л) за 8 мин (в статических условиях) и 3 мин (в динамических условиях), механическая прочность 4,5 кг/см².

Пример 6, 7: подход к процессу как в примере 1, но отличается температурой сушки исходных материалов под горячим потоком воздуха Т=110°С, однако примеры 6 и 7 отличаются скоростью подъема температур: 10°C/мин и 5°C/мин.

Полученные угли (АС_{6, 7}) имеют удельную поверхность 373 и 390 м²/г, удельную плотность 0,15 и 0,14 г/см³ и адсорбционную емкость по метиленовому голубому 480,0 и 460,0 мл/г (С°_н=0,002 г/л),а механическая прочность составляет ≈4,0-4,3 кг/см² соответственно.

Пример 8, 9, 10: подход к процессу, как в примере 2, но отличается температурой сушки исходных материалов Т=100°С, время карбонизации (t=15 мин) однако примеры 8,9 и 10 отличаются скоростью подъема температур: 15-20-25°С/мин соответственно.

Полученные угли (AC_{8, 9, 10}) имеют удельную поверхность 370, 345 и 305 м²/г, удельную плотность 0,23; 0,24 и 0,30 г/см³ и адсорбционную емкость по метиленовому голубому 420,0; 400,0 и 380,0 мл/г (С°_н=0,002 г/л),а механическая прочность составляет 3,98; 3,9 и 3,8 кг/см² соответственно. Характеристики полученных нами углей приведены в таблице:

Образцы АУТ°С карб.τ мин карб.V_{подъема} °С/минS_уд м²/гα_{ад. емк} мл/г*α_ад.емк г/г**ρ г/см³Р_{мех. проч}АС₁2901052984006.30,323,70АС₂3001053104306,50,263,68АС₃3201053204606,20,253,46AC₄30010103794855,30,163,75AC₅3007104005004,50,134,50АС₆29010103734805,20,154,00АС₇2901053904604,80,144,30AC₈29010153704205,40,233,98AC₉30015203454005,50,243,90AC₁₀30015253053805,60,303,80Прототип500  33,41233,70,391,98* - Адсорбционная емкость по метиленовому голубому.
** - Адсорбционная емкость по нефти.

Изобретение относится к области получения сорбентов. Предложен способ получения активированного угля из отходов ячменя. Отходы подвергают предварительной сушке при температуре 90-120°С в течение 2 часов с последующим подъемом температуры со скоростью 5-10°С в мин и карбонизации при 290-320°С в течение 7-15 минут. Способ позволяет получить сорбент с высокой емкостью и пористостью. 1 табл., 2 ил.

Способ получения активированного угля из отходов сельского хозяйства, включающий их карбонизацию, отличающийся тем, что в качестве отходов используют шелуху и некондиционное зерно ячменя, которые предварительно сушат до 90-120°С до постоянного веса, затем повышают температуру со скоростью 5-10°С в мин до температуры карбонизации и проводят карбонизацию при 290-320°С в течение 7-15 мин.