СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВНОГО УГЛЯ Российский патент 2011 года по МПК C01B31/08 C01B31/14 

Изобретение относится к области сорбционной техники и может быть использовано для синтеза активных углей, применяемых в пищевой и медицинской отраслях промышленности.

Известен способ получения активного угля, включающий смешение каменноугольной пыли со связующим, содержащим фосфорную кислоту в количестве 2,2-6,0 мас.% и нагретой до 60-95°С, грануляцию пасты, карбонизацию гранул в интервале 250-750°С и их активацию при 850±50°С водяным паром или смесью его с диоксидом углерода (см. пат. РФ №2156731, кл. С01В 31/08, опубл. 27.09.2000 г.).

Недостатком известного способа является низкая пористость получаемых активных углей и введение агрессивной добавки - фосфорной кислоты.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения активного угля, включающий смешение каменноугольной пыли со связующим, содержащим фосфорную кислоту, грануляцию пасты, карбонизацию гранул, поднимая температуру от комнатной до 750°С со скоростью 25-40°С/мин, выдержку карбонизата при 750°С в течение 1,5-3,0 ч, активацию водяным паром при 850°С до суммарного объема пор 0,82-0,87 см³/г (см. пат. РФ №2208579 от 01.03.2002 г., кл. С01В 31/08, опубл. 20.07.2003 г.).

Недостатком прототипа является наличие агрессивной и токсичной фосфорной кислоты и низкая активность получаемого активного угля по мелассе. В то время как активные угли, применяемые в пищевой промышленности, не должны содержать токсичных примесей и характеризоваться высокой адсорбционной активностью по мелассе, которая является тестовым веществом для характеристики адсорбентов, применяемых в пищевой промышленности и медицине.

Целью изобретения является разработка экологически безопасного адсорбента (активного угля) с высокой активностью поглощения мелассы. Указанная цель достигается предложенным способом, включающим измельчение древесного угля, смешение его с лесохимической смолой, причем перед смешением проводят увлажнение теплой водой при 60-70°С до влажности 15-25%, формование, карбонизацию в интервале 150-380°С, парогазовую активацию до суммарного объема пор 1,3-1,7 см³/г.

Авторам из научно-технической и патентной литературы не известен способ получения активного угля путем использования древесного угля, увлажненного перед пастоприготовлением теплой водой при 60-70°С, и проведение карбонизации в интервале 150-380°С со скоростью подъема температуры 10-24°С/мин и активацию до обгаров 1,3-1,7 см³/г.

Отличие предложенного способа от известного состоит в том, что используемый в качестве углеродной основы измельченный уголь перед смешением увлажняется теплой (60-70°С) водой до содержания влаги 15-25% и затем смешивается с лесохимической смолой, а гранулы карбонизуются в интервале 150-380°С. Другое отличие заключается в проведении активации до более высоких обгаров, а именно 1,3-1,7 см³/г, против 0,82-0,87 см³/г.

При получении углеродных адсорбентов для нужд пищевой и медицинской промышленности необходимым условием являются высокие кинетические свойства углей и достаточная адсорбционная емкость по мелассе. Эти требования обеспечиваются развитым суммарным объемом пор более 1,3 см³/г с преобладающим развитием крупной разновидности пор - мезопор (V_ме).

Многочисленные эксперименты, предпринятые для получения таких адсорбентов, показали, что в данном случае огромную роль играет выбор исходного сырья (углеродной основы), а также режимы карбонизации и активации.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. Берут древесный активный уголь с суммарным объемом пор 0,5-0,6 см³/г, зольностью 2-5%, влажностью 3-5%, который измельчают в шаровой мельнице до тонины помола (так чтобы остаток на сите 0,09 мм был не более 2%). Полученную угольную пыль - основу, увлажняют теплой (при 60-70°С) водой до содержания влаги 15-25%. Затем увлажненную угольную пыль помещают в смеситель-гранулятор, куда вводят лесохимическую смолу (связующее) и смесь тщательно перемешивают в течение 10-15 мин, затем гранулируют через фильеры 1,8-2,2 мм. Полученные сырые гранулы помещают в стационарную печь и подвергают карбонизации путем подъема температуры от 150 до 380°С со скоростью нагрева 10-24°С/мин в потоке азота или другого инертного газа. Карбонизованные гранулы подвергают парогазовой активации при 850±50°С, подаче водяного пара и диоксида углерода. Процесс активации ведут в течение 5-6 ч до суммарного объема пор 1,3-1,7 см³/г. Обгар угля при этом составляет от 38 до 45% массовых. Выгруженный активный уголь характеризуется развитой системой мезопор и высокой активностью по мелассе.

Древесный низкозольный уголь является прекрасной основой для получения углей, используемых в пищевой и медицинской промышленности.

С одной стороны, это обусловлено природой древесины, совместимой с биологической природой человека, с другой стороны, развитая первичная пористость, а также волокнистая структура самой древесины обеспечивают при дальнейшей термообработке формирование более крупной разновидности пор - мезопор, что, в свою очередь, обусловливает высокую адсорбционную активность по веществам с крупными молекулами (например, мелассе). Следующие примеры поясняют сущность изобретения.

Пример 1. Берут 10,0 кг березового древесного угля (зольностью 3,8%, Y_Σ=0,55 см³/г, влажностью 6%). Уголь загружают в шаровую мельницу и подвергают измельчению в течение 6 ч, после чего угольную пыль выгружают и направляют в смеситель, где увлажняют 9 л (воды, нагретой до 60°С) и перемешивают в течение 20 мин, затем переносят в гранулятор, добавляют 5,3 кг лесохимической смолы по ГОСТ 22989-78 марки Б, тщательно перемешивают и гранулируют через фильеры диаметром 1,8 мм. Полученные гранулы помещают в вертикальную печь и подвергают нагреванию в интервале температур 150-380°С со скоростью подъема температуры 10°С/мин. Полученный после 380°С карбонизат выгружают и активируют во вращающейся печи при температуре 850±50°С в потоке водяного пара и диоксида углерода (80:20) в течение 6,5 ч до суммарного объема пор 1,3 см³/г (обгар угля при этом составляет 45%).

Полученный активный уголь охлаждают до 40°С, выгружают и анализируют. Выгруженный уголь характеризуется следующими показателями:

V_ми=0,28 см³/г;

V_ме=0,43 см³/г;

V_Σ=1,3 см³/г;

адсорбционная активность по мелассе 87,0%.

В то же время адсорбционная активность по мелассе по прототипу пат. РВ 2208597, кл. С01В 31/08 находится на уровне 70%.

Пример 2. Аналогично примеру 1, за исключением того, что увлажнение ведут теплой водой при температуре 70°С до содержания влаги 25%, карбонизацию осуществляют в интервале 150-380°С со скоростью нагрева 24 С/мин, а активацию осуществляют до суммарного объема пор 1,7 см /г.

Адсорбционная активность по мелассе такого угля составляет 89%.

Пример 3. Аналогично примеру 1, за исключением того, что увлажнение осуществляют теплой водой при 65°С до влажности, равной 22%, карбонизацию проводят при 150-380°С со скоростью нагрева 16°С/мин, а активацию до суммарного объема пор, равного 1,5 см³/г.

Выгруженный уголь имеет адсорбционную активность по мелассе 85%.

Экспериментами установлено, что уменьшение степени увлажнения угольной основы (ниже 15 мас.%) приводит к снижению адсорбционной активности по мелассе вследствие забивания части крупных пор смоляными продуктами, образующими пироуглерод, а повышение (выше 25 мас.%) не приводит к достижению цели изобретения из-за растрескивания частиц угля и уменьшения доли мезопор.

Режим карбонизации, так же как и увлажнение основы, оказывает большое влияние на величину поглощения мелассы.

Снижение температуры карбонизации ниже 150°С приводит к ухудшению кинетики поглощения мелассы, а увеличение (выше 380°С) способствует забиванию (блокировке) части мезопор пироуглеродами.

Высокая адсорбционная активность по крупным молекулам обеспечивается в основном более крупными разновидностями пор, что при парогазовом методе активации обусловливается развитием общего (суммарного) объема пор.

Однако повышение суммарного объема пор (выше 1,7 см³/г) в данном случае сопровождается снижением насыпной плотности угля, что приводит к уменьшению емкости поглощения мелассы на единицу объема угля. В то же время снижение величины обгара (ниже 1,3 см³/г) приводит к формированию недостаточного объема сорбирующих пор.

Из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение технического результата, а именно повышение адсорбционной активности по мелассе - тестовому высокомолекулярному веществу в пищевой и медицинской промышленности, а вся совокупность является достаточной для характеристики заявленного технического решения.

Изобретение относится к области производства активных углей для очистки жидких и газообразных сред. Предложен способ получения древесного активного угля, включающий измельчение древесного угля в пыль, смешение с лесохимической смолой, причем перед смешением уголь увлажняют до 15-25%-ной влажности, грануляцию пасты, карбонизацию сырых гранул в интервале 150-380°С со скоростью нагрева 10-24°С/мин, парогазовую активацию, которую ведут до «суммарного объема пор, равного 1,3-1,7 см³/г. Способ позволяет получить углеродный, экологически чистый адсорбент с высокой активностью по крупномолекулярным загрязнителям, например мелассе. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ получения активного угля, включающий измельчение древесного угля, смешение с лесохимической смолой, формование гранул, карбонизацию и парогазовую активацию, отличающийся тем, что перед смешением с лесохимической смолой проводят увлажнение угольной пыли теплой водой с температурой 60-70°С, а карбонизацию осуществляют в интервале 150-380°С со скоростью нагрева 10-24°С/мин, а парогазовую активацию ведут до суммарного объема пор 1,3-1,7 см³/г.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что увлажнение проводят до содержания воды 15-25%.