СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВОГО СОРБЕНТА Российский патент 2015 года по МПК B01J20/20 C01B31/08 C01B31/16 

Изобретение относится к области сорбционной техники, в частности к способу получения сорбентов для быстрой очистки воздуха от сильных одорантов (аммиака, сероводорода, оксидов серы и т.п.), микроколичеств высокотоксичных органических веществ (диоксинов, ОВ и др.) путем распыления.

Известен способ получения порошкового сорбента, включающий получение зерен исходного углесодержащего материала, карбонизацию зерен, активацию при 850-900°C водяным паром, охлаждение и размол зерен, причем охлаждение ведут со скоростью 3-8°C/мин в атмосфере водяного пара и размол проводят при соотношении объемов размольного аппарата, зерен угля и размольных тел, равном 1:(0,6-0,8):(0,1-0,2) (см. пат. РФ №2208581, кл. С01В 31/08, опубл. 20.07.2003 г.).

Недостатком известного способа является сложность осуществления процесса и высокие энергозатраты.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения сорбента, включающий приготовление пропиточного раствора, пропитку им гранул активного угля и термическую обработку, причем используют активный уголь с объемом микропор 0,10-0,20 см³/см³, пропиточный раствор готовят на основе аммиачной воды, содержащей 110-130 г/дм³ углекислой основной меди в пересчете на медь и 70-90 г/дм³ углекислого аммония, пропитку проводят при температуре раствора 55-70°C, а термообработку осуществляют при 120-145°C, при этом содержание меди в готовом сорбенте составляет 2-3% мас. (См. пат. РФ №2393012, С01В 31/08, опубл. кл. В01J 20/20 С01В 31/08, опубл. 27.06.2010).

Недостатком прототипа является низкая сорбционная активность при быстром извлечении сильных одорантов аммиака и сероводорода из воздушной среды. Это особенно актуально, когда из закрытого помещения нельзя удалить сильные одоранты за счет вентилляции, а обеспечить их поглощение непосредственно в помещении.

Техническим результатом изобретения является повышение сорбционной способности сорбента при извлечении аммиака и сероводорода из воздушной среды закрытого помещения.

Указанный технический результат достигается предложенным способом, включающим приготовление пропиточного раствора, пропитку им активного угля, вылеживание, термическую обработку, причем в качестве пропиточного раствора используют раствор водорастворимых солей хлорного железа и сернокислой меди, пропитку ведут при температуре раствора 20-35°C, после вылеживания проводят обработку раствором гидроксида натрия в объемном соотношении импрегнированный уголь к раствору гидроксида натрия 1:2-4, а после термической обработки осуществляют размол до размера частиц 3-10 мкм, при этом содержание меди в порошковом сорбенте составляет 2-3% мас., а содержание железа - 16-20% мас.

Отличие предлагаемого способа от прототипа состоит в том, что в качестве пропиточного раствора используют раствор водорастворимых солей хлорного железа и сернокислой меди, пропитку ведут при температуре раствора 20-35°C, после вылеживания проводят обработку раствором гидроксида натрия в объемном соотношении импрегнированный уголь к раствору гидроксида натрия 1:2-4, а после термической обработки осуществляют размол до размера частиц 3-10 мкм, при этом содержание меди в порошковом сорбенте составляет 2-3% мас., а содержание железа - 16-20% мас.

Из патентной и научно-технической литературы авторам неизвестен способ получения сорбента для очистки воздуха в закрытом помещении от аммиака и сероводорода, в котором в качестве пропиточного раствора используют раствор водорастворимых солей хлорного железа и сернокислой меди, пропитку ведут при температуре раствора 20-35°C, после вылеживания проводят обработку раствором гидроксида натрия в объемном соотношении импрегнированный уголь к раствору гидроксида натрия 1:2-4, а после термической обработки осуществляют размол до размера частиц 3-10 мкм, при этом содержание меди в порошковом сорбенте составляет 2-3% мас., а содержание железа - 16-20% мас.

Сорбенты для быстрого извлечения из воздуха таких сильных одорантов, как аммиак и сероводород, необходимо импрегнировать такими добавками, которые быстро бы связывал аммиак и сероводород за счет химических реакций, протекающих с высокой скоростью (процесс комплессообразования и осаждение в виде нерастворимых сульфидов).

Количество и вид хемосорбционных добавок, а также технология закрепления их на углеродной матрице должны быть такими, чтобы, с одной стороны, не блокировать микропористую структуру, а с другой стороны, эффективно осуществлять хемосорбцию и комплесообразование. Безусловно, самым важным является диспергирование импрегнированного сорбента до размера частиц, дающего большое объемное распыление, но в тоже время без разрушения микропористой структуры, в которой происходит поглощение одарантов за счет быстрых адсорбционных процессов.

Способ осуществляют следующим образом. Готовят пропиточный раствор в следующей последовательности: в емкость заливают дистиллированную воду, в которую добавляют взвешенное количество солей хлорида-железа (FeCl₃·6H₂O) в количестве 16-20% мас. и сернокислой меди (CuSO₄·5Н₂О) в количестве 2-3% мас. Перемешивание ведут до полного растворения солей.

Берут активный уголь марки ОУ-А ГОСТ 4453-74 или БАУ-А ГОСТ 6217-74 с объемом микропор 0,20-0,25 см³/г и с объемом транспортных макро- и мезопор 0,40-0,60 см³/г. Загружают в аппарат типа бетономешалки, куда затем дозируют полученный раствор в соотношении активного угля к раствору солей 1:1,5-3,0.

После чего пропитанный сорбент выгружают и вылеживают в течение 1-1,5 часов до полного впитывания раствора солей в пористую структуру угля. Затем готовят раствор гидрооксида натрия в концентрации 8-12% мас. и приливают его к импрегнированному солями активному углю в объемном соотношении импрегнированный уголь к раствору гидроксида натрия 1:2-4 при непрерывном перемешивании. Сливают избыток раствора (в случае порошкового угля необходимо фильтрование) и промывают до полного удаления щелочи, которое контролируется по раствору фенолфталеина. Проводят вылеживание в течение 10-20 мин и направляют на термическую обработку, осуществляемую в печи кипящего слоя или вращающейся печи при температуре 110-135°C в течение 50-80 мин. Содержание меди в готовом полупродукте составляет 2-3% мас., железа - 16-20% мас. Термообработанный сорбент в зерненой (1,0-3,6 мкм) или порошковой форме (50-100 мкм) подвергают размолу на роторной ударной мельнице до размера частиц 3-10 мкм. Адсорбционнную активность порошкового импрегнированного сорбента в закрытом объеме оценивали по методике №2568-446-04838763-2014 «Методика оценки эффективности очистки воздуха в закрытом объеме от аммиака и сероводорода». Суть методики заключается в следующем: в емкость, выполненную из оргстекла в виде параллелепипеда с площадью дна 1 дм² и высотой 5 дм, снабженную двумя отводами сверху и внизу и расположенным над дном выдвижным столом, состоящим из двух половин - одной плоской, а другой в виде квадратной чаши, герметизированным резиновыми прокладками, при этом нижний отвод расположен на 2 см выше выдвижного стола. Внутри полости создается концентрация аммиака 5 мг/л или сероводорода 0,5 мг/л. Затем перекрываются выходы верхнего и нижнего ввода и через верхнюю крышку дозируется (вдувается) 25 см³ импрегнированного порошкового сорбента. Седиментируя на квадратную чашу выдвижного стола, он поглощает тот или иной одарант. Время экспозиции составляет 60 минут. Выдвижной стол переводится в положение, когда чаша выдвигается наружу, а на ее место встает плоская часть стола. Затем измеряется остаточная концентрация одоранта.

Адсорбционная активность сорбента рассчитывается по формуле:

где а_с - адсорбционная активность, %,

С_исх. - начальная концентрация, мг/л,

С_ост. - остаточная концентрация, мг/л.

Адсорбционная активность полученного сорбента по эффективности извлечения одоранта из закрытой системы составила 95-100% по каждому веществу (аммиак, сероводород).

Сорбент, полученный по известному способу (см. патент РФ 2393012), имел адсорбционную активность 20-40%.

Пример 1

В емкость объемом 3 дм³ заливают 1,8 дм³ дистиллированной воды и добавляют 160 г хлорного железа и 20 г сернокислой меди. Перемешивание ведут до полного растворения солей. Берут 800 г активного угля ОУ-А ГОСТ 4453-74 и загружают его в аппарат типа бетономешалки, затем дозируют в нее полученный раствор, активный в соотношении уголь к раствору солей, равном 1:2, при этом температура пропитки составляет 20°C, после чего пропитанный сорбент выгружают и вылеживают в течение 1-1,5 часов до полного впитывания раствора солей в структуру угля. Готовят раствор гидрооксида натрия с концентрацией 8-12% мас. и приливают его к импрегнированному солями углю в объемном соотношении импрегнированный уголь к раствору гидроксида натрия 1:2 при непрерывном перемешивании. Процесс ведут в реакторе объемом 10 дм. После проведения реакции осаждения пульпу фильтруют на воронке Бюхнера, а затем многократно промывают осадок дистиллированной водой до полного удаления щелочи, концентрацию которой контролируют по раствору фенолфталеина. Проводят вылеживание в течение 10-20 минут и направляют на термическую обработку во вращающуюся печь при температуре 110-135°C в течение 50-80 минут.

В готовом полупродукте содержание меди составило 2% мас., а железа - 16% мас. Термообработанный сорбент с размерами частиц 50-100 мкм подвергают размолу на роторной ударной мельнице до размера частиц 3-5 мкм (90% основной фракции). Полученный сорбент имел адсорбционную активность по аммиаку 99%, по сероводороду 100%.

Пример 2

Осуществление процесса ведут как в примере 1, за исключением того, что пропиточный раствор готовят путем растворения 200 г хлорного железа и 30 г сернокислой меди в дистиллированной воде. В качестве активного угля берут уголь БАУ-А ГОСТ 6217-74, пропитку ведут при соотношении активный уголь к раствору солей, равном 1:4, при этом температура пропитки составляет 35°C. После проведения операции выгрузки и вылеживания проводят обработку раствором гидроксида натрия в объемном соотношении импрегнированный уголь к раствору гидроксида 1:2, а размол осуществляют до размера частиц 5-10 мкм (90% основной фракции).

Полученный сорбент имел адсорбционную активность по аммиаку 90%, по сероводороду 99%.

Пример 3

Осуществление процесса ведут как в примере 1, за исключением того, что пропиточный раствор готовят путем растворения 180 г хлорного железа и 25 г сернокислой меди в дистиллированной воде. В качестве активного угля берут ОУ-А ГОСТ 4453-74. Пропитку ведут при соотношении активный уголь к раствору солей, равном 1:2, при этом температура пропитки составляет 25°C. После проведения операции выгрузки и вылеживания проводят обработку раствором гидроксида натрия в объемном соотношении импрегнированный уголь к раствору гидроксида 1:3, а размол осуществляют до размера частиц 3-10 мкм (90% основной фракции).

Полученный сорбент имел адсорбционную активность по аммиаку 100%, по сероводороду 98%.

Как показали многочисленные эксперименты, сочетание солей железа и меди наиболее благоприятно для получения желаемого технического результата, при содержании меди меньше 2% мас. снижается адсорбционная активность по аммиаку, а при содержании железа меньше 16% мас. снижается адсорбционная активность по сероводороду. С другой стороны, увеличение содержания меди более 3% мас., а железа более 20% мас. блокирует значительный объем микропор, что также приводит к снижению адсорбционной активности.

Касательно температуры пропитки было установлено, что при температуре ниже 20°C возрастает время пропитки, а при температуре выше 35°C часть солей переходит в форму гидроокисей и выпадает в осадок, что снижает процент металлов внутри транспортных пор сорбента.

Важная стадия обработки гидрооксидом натрия оптимизирована соотношением импрегнированного солями железа и меди угля к раствору гидроксида натрия, при этом соотношении, меньшем чем 1:2, не достигается полнота реагирования и снижается адсорбционная активность, а при соотношении, большим чем 1:4, резко возрастает время последующей термообработки.

Таким образом, из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение поставленной цели, и вся совокупность является достаточной для характеристики заявленного технического решения.

Изобретение относится к области сорбционной техники, в частности к способу получения сорбентов для очистки воздуха от неорганических одорантов и микроколичеств высокотоксичных органических веществ. Способ включает приготовление пропиточного раствора, пропитку им активного угля, вылеживание, термическую обработку. В качестве пропиточного раствора используют раствор солей хлорного железа и сернокислой меди. Пропитку ведут при температуре раствора 20-35°C, после вылеживания проводят обработку раствором гидроксида натрия, а после термической обработки осуществляют размол до размера частиц 3-10 мкм. Содержание меди в порошковом сорбенте составляет 2-3 мас.%, содержание железа - 16-20 мас.% Техническим результатом изобретения является повышение сорбционной способности сорбента при извлечении аммиака и сероводорода из воздушной среды закрытого помещения. 1 з.п. ф-лы, 3 пр.

1. Способ получения порошкового сорбента, включающий приготовление пропиточного раствора, пропитку им активного угля, вылеживание, термическую обработку, отличающийся тем, что в качестве пропиточного раствора используют раствор водорастворимых солей хлорного железа и сернокислой меди, пропитку ведут при температуре раствора 20-35°C, после вылеживания проводят обработку раствором гидроксида натрия в объемном соотношении импрегнированный уголь к раствору гидроксида натрия 1:2-4, а после термической обработки осуществляют размол до размера частиц 3-10 мкм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержание меди в порошковом сорбенте составляет 2-3 мас.%, а содержание железа - 16-20 мас.%.