Способ получения дробленого активированного угля из каменноугольного сырья Российский патент 2022 года по МПК C01B32/312 B01J20/20 C02F1/28 C02F101/30 

Изобретение относится к области адсорбционной техники и может быть использовано для получения активных углей из каменноугольного сырья.

Известен способ получения активного угля, включающий измельчение каменного бурого угля, прессование брикетов, их карбонизацию, дробление и активацию водяным паром при 800-900°С (см. пат. ГДР №227946, 1983 г.). Недостатком известного способа является сложность проведения процесса и низкий выход готового продукта.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ получения дробленого активного угля из каменноугольного сырья высокой степени метаморфизма (содержание летучих веществ не более 20-21%), включающий дробление, карбонизацию в потоке топочных газов, охлаждение карбонизата, термообработку без доступа воздуха и активирующих агентов при 700-750°С, активацию водяным паром при 850-900°С, причем карбонизацию проводят при нагреве до 550-650°С со скоростью 5-15°С/мин, а охлаждение ведут на воздухе со скоростью 10-40°С/мин до 50-80°С (пат. РФ №2171778 кл. С01В 39/08 опубл. 10.08.2001, бюлл. №22).

Недостатком прототипа является низкая адсорбционная активность получаемого активного угля при извлечении из воды этилбензола.

Задачей изобретения является повышение адсорбционной активности получаемого активного угля при извлечении из воды этилбензола.

В настоящее время особенно остро встал вопрос очистки воды (в том числе и питьевой) от растворенных нефтепродуктов, типичным представителем которых является этилбензол, содержание которого в нефти достигает 15-50%.

Поставленная задача достигается предлагаемым способом получения дробленого активного угля из каменноугольного сырья, включающим дробление, карбонизацию со скоростью подъема температуры 5-15°С/мин и активацию водяным паром при температуре 850-900°С, при этом в качестве сырья используют каменный уголь с выходом летучих веществ 40-50% масс, карбонизацию осуществляют при температуре 700-800°С с изотермической выдержкой при конечной температуре 30-90 мин, а активацию проводят при расходе водяного пара 8-10 кг на 1 кг активного угля.

Отличие предлагаемого способа от известного состоит в том, что в качестве сырья используют каменный уголь с выходом летучих веществ 40-50% масс., карбонизацию осуществляют при температуре 700-800°С с изотермической выдержкой при конечной температуре 30-90 мин, а активацию проводят при расходе водяного пара 8-10 кг на 1 кг активного угля.

Из научно-технической и патентной литературы авторам не известен способ получения активного угля из каменноугольного сырья, включающий дробление, карбонизацию со скоростью подъема температуры 5-15°С/мин и активацию водяным паром при температуре 850-900°С, в котором в качестве сырья используют каменный уголь с выходом летучих веществ 40-50% масс., карбонизацию осуществляют при температуре 700-800°С с изотермической выдержкой при конечной температуре 30-90 мин, а активацию проводят при расходе водяного пара 8-10 кг на 1 кг активного угля.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Для адсорбции из водных растворов органических веществ с высокомолекулярной массой необходимо иметь крупные микропоры с размерами полуширины 1,0-1,5 нм. Такие микропоры могут сформироваться, если каменный уголь с высоким содержанием летучих веществ будет подвергнут карбонизации при высоких температурах, близких к температуре активации, причем активацию следует вести с увеличенным расходом водяного пара, чтобы образуемые на стадии карбонизации макромолекулы кристаллитов эффективно выгорали, причем более интенсивно, чем при стандартных расходах водяного пара 5-6 кг на 1 кг активного угля. Важность изотермической выдержки карбонизованных зерен состоит в том, что она обеспечивает закрепление более широких межплоскостных расстояний кристаллитов и предотвращает усадку при охлаждении, которая имеет место при передаче карбонизированных зерен на активацию.

Однако конкретные интервалы описанных выше режимов могут быть установлены только экспериментально.

Способ осуществляется следующим образом.

Берут каменный уголь (месторождение «Калейва», Мьянма) с содержанием летучих веществ 40-50% масс и подвергают его дроблению в молотковой дробилке с последующим рассевом продукта дробления для выделения зерен фракции 3-5 мм. Такие зерна подвергают карбонизации при скорости нагрева 5-15°С/мин до температуры 700-800°С и осуществляют изотермическую выдержку при конечной температуре в течение 30-90 мин. Затем полученный карбонизат направляют на активацию водяным паром при температуре 850-900°С и расходе водяного пара 8-10 кг на 1 кг активного угля. Полученный готовый продукт выгружают из печи активации, охлаждают до комнатной температуры и оценивают его адсорбционную активность по поглощению из воды этилбензола.

Полученный активный уголь имел адсорбционную активность по этилбензолу 50-60 мг/г. Активный уголь, полученный по известному способу (пат. РФ №2171778), имел адсорбционную активность по этилбензолу 20 мг/г.

Адсорбционную активность по этилбензолу при его поглощении из воды определяли динамическим способом. Готовили исходный раствор этилбензола в воде с концентрацией 1,5 г/л, что соответствует его максимальной растворимости. В динамическую трубку загружали 100 г (~200 см³) полученного активного угля с насыпной плотностью 500±10 г/дм³ и начинали пропускать раствор этилбензола со скоростью 0,8 см/мин до появления за слоем зерен активного угля раствора исходной концентрации этилбензола, что свидетельствовало о полной отработке активного угля. Концентрацию этилбензола определяли путем отбора проб исходного раствора и раствора, прошедшего через динамическую трубку, которые анализировали на содержание этилбензола на хроматографе Хроматэк Кристалл 5000 исп.2.

Пример 1. Берут 5 кг каменного угля с содержанием летучих веществ 40% масс, и подвергают его дроблению в молотковой дробилке с последующим высевом фракции зерен 3-5 мм. Полученные зерна подвергают карбонизации без доступа воздуха со скоростью подъема температуры 15°С/мин до конечной температуры 700°С и осуществляют изотермическую выдержку при конечной температуре 30 мин. Активацию карбонизата проводят при температуре 850-900°С при расходе водяного пара 8 кг на 1 кг активного угля. Активный уголь выгружают из печи, охлаждают до комнатной температуры без доступа воздуха и проводят оценку адсорбционной активности по адсорбции этилбензола из воды.

Полученный активный уголь имел адсорбционную активность по этилбензолу 50 мг/г.

Пример 2. Проведение процесса как в примере 1, за исключением того, что в качестве исходного сырья берут каменный уголь с выходом летучих веществ 50% масс., карбонизацию осуществляют со скоростью подъема температуры 5°С/мин до конечной температуры 800°С с изотермической выдержкой при конечной температуре 90 мин, а активацию проводят при расходе водяного пара 10 кг на 1 кг активного угля.

Полученный активный уголь имел адсорбционную активность по этилбензолу 57 мг/г.

Пример 3. Проведение процесса как в примере 1, за исключением того, что в качестве исходного сырья берут каменный уголь с содержанием летучих веществ 45% масс., карбонизацию осуществляют со скоростью подъема температуры 10°С/мин до конечной температуры 750°С с изотермической выдержкой при конечной температуре 60 мин, а активацию проводят при расходе водяного пара 9 кг на 1 кг активного угля.

Полученный активный уголь имел адсорбционную активность по этилбензолу 69 мг/г.

Проведенные исследования показали, что, если выход летучих веществ меньше 40% масс., то есть каменный уголь уже сильно обуглерожен, межплоскостные расстояния в получаемых кристаллитах сужены, что приводит к образованию тонких микропор с полушириной 0,50-0,65 нм и снижению адсорбционной активности по этилбензолу. С другой стороны, при выходе летучих веществ свыше 50% масс. идет их бурное выделение при карбонизации, что обусловливает развитие макропор и также снижает адсорбционную активность по этилбензолу.

Опыты по влиянию конечной температуры карбонизации показали, что при температуре выше 800°С на стадии активации получаются тонкие (0,3-0,5 нм) микропоры, а при температуре карбонизации ниже 700°С в карбонизате остается достаточно много (до 12%) летучих веществ, а это способствует формированию на стадии активации преимущественно макропор, что в обоих случаях приводит к снижению адсорбционной активности по этилбензолу.

Относительно изотермической выдержки при конечной температуре установлено, что если она меньше 30 мин, идет усадка кристаллитов при передаче карбонизата на стадию активации и, следовательно, в готовом продукте преобладают тонкие микропоры, стерически неблагоприятные для адсорбции этилбензола, а при увеличении времени выдержки свыше 90 мин существенно растет энергоемкость процесса.

Опыты по изучению влияния расхода водяного пара показали, что при расходе водяного пара менее 8 кг на 1 кг активного угля необоснованно увеличивается время активации и сильно возрастают энергозатраты, а при расходе водяного пара более 10 кг на 1 кг активного угля начинают происходить усиленный поверхностный обгар и снижение доли микропор, что, естественно, снижает адсорбционную активность по этилбензолу.

Таким образом, из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение поставленной цели, а именно повышение адсорбционной активности по этилбензолу.

Изобретение может быть использовано при изготовлении адсорбентов из каменноугольного сырья. Способ получения дробленого активного угля включает дробление каменноугольного сырья, карбонизацию со скоростью подъема температуры 5-15°С/мин и активацию водяным паром при температуре 850-900°С. В качестве сырья используют каменный уголь с выходом летучих веществ 40-50 мас.%. Карбонизацию проводят при 700-800°С с изотермической выдержкой при конечной температуре 30-90 мин. Активацию проводят при расходе водяного пара 8-10 кг на 1 кг активного угля. Изобретение позволяет повысить адсорбционную активность получаемого активного угля при извлечении из воды этилбензола. 3 пр.

Способ получения дробленого активного угля из каменноугольного сырья, включающий дробление, карбонизацию со скоростью подъема температуры 5-15°С/мин и активацию водяным паром при температуре 850-900°С, отличающийся тем, что в качестве сырья используют каменный уголь с выходом летучих веществ 40-50 мас.%, карбонизацию осуществляют при температуре 700-800°С с изотермической выдержкой при конечной температуре 30-90 мин, а активацию проводят при расходе водяного пара 8-10 кг на 1 кг активного угля.