КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОГО АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ Российский патент 2023 года по МПК C01B32/318 C01B32/384 

Изобретение относится к составу и свойствам гранулированных активированных углей, которые могут быть использованы для экологических целей, в частности для очистки водных и газовых сред от вредных веществ.

Известен активированный уголь, в состав которого входит 90-70% нефтяного кокса и 10-30% каменноугольного пека в качестве связующего (патент CN 109775703A, МПК С01В 32/318, опубл. 21.05.2019).

Недостатком данного активированного угля является использование каменноугольного пека в качестве связующего, что требует при формовании создания высоких температур и высокого давления.

Известен гранулированный активированный уголь, содержащий: 50-70% нефтяного кокса, 10-40 % смеси битуминозного и бурого угля в соотношении 3:1 и 5-20% связующего, 0,5-10% активирующего агента. В качестве связующего используются каменноугольный или нефтяной пек или крекинг-остатки, в качестве активирующего агента - гидроксиды щелочных металлов (патент CN108793159A, МПК С01В 32/348, опубл. 13.11.2018), Получаемые гранулированные активированные угли обладают суммарным объемом пор 0,35-0,42 см³/г и площадью удельной поверхности 845-933 см²/г.

Недостатком данного сорбента является необходимость введения активирующих агентов при получении активированного угля и низкие показатели суммарного объема пор готового сорбента.

Известен гранулированный активированный уголь, содержащий смесь порошка нефтяного кокса (59% масс.), нефтяного связующего (24 мас. %) и добавок - карбоксиметилцеллюлозы (6 мас. %) и воды (11 мас. %) (патент CN107128914A, опубл. 05.09.2017), Полученный гранулированный активированный уголь предназначен для экологических целей.

Недостатком известного гранулированного активированного угля является сложная технология получения составляющих компонентов и активированного угля в целом.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности признаков является гранулированный активный уголь, полученный по способу, описанному в патенте RU №2637240, опубл. 01.12.2017, содержащий слабоспекающий каменный уголь со связующим на основе остаточных продуктов нефтепереработки при следующем соотношении компонентов: угольная пыль - 65-76 мас. %, связующее - 35-24 мас. %.

Полученные гранулы активного угля имеют прочность при истирании 72-87%, суммарный объем пор по воде 0,73-0,77 см³/г. Гранулированный активный уголь, полученный по данному способу, выбран за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемой композиции - углеродсодержащий материал, содержащий слабоспекающийся каменный уголь, и композиционное нефтяное связующее.

Недостатком известного активного угля, принятого за прототип, является использование дорогого каменноугольного сырья.

Техническая проблема, решаемая предполагаемым изобретением, и технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, это расширение существующей сырьевой базы получения углеродных сорбционных материалов необходимого качества для очистки водных сред и воздуха с использованием в качестве сырья смеси порошкообразного каменного угля с частичной заменой его на малоценный продукт нефтепереработки - нефтяной кокс.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном гранулированном активированном угле, включающем углеродсодержащий материал, содержащий слабоспекающийся каменный уголь, и композиционное нефтяное связующее, согласно изобретению углеродсодержащий материал дополнительно содержит нефтяной кокс с выходом летучих веществ 12-14 мас. % при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

указанный нефтяной кокс 30-60 слабоспекающийся каменный уголь 40-70,

при этом содержит углеродсодержащий материал и композиционное нефтяное связующее в следующем соотношении, мас. %:

углеродсодержащий материал 72-77 композиционное нефтяное связующее 23-28

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - введение в состав углеродсодержащего порошкообразного материала наряду со слабоспекающимся каменным углем нефтяного кокса с выходом летучих веществ 12-14 мас. %; количественное соотношение используемых ингредиентов углеродсодержащего материала, мас. %: нефтяной кокс - 30-60; слабоспекающийся каменный уголь 40-70; количественное соотношение используемых ингредиентов композиции, мас. %: углеродсодержащий материал - 72-77, композиционное нефтяное связующее - 23-28.

Использование указанного состава компонентов в композиции для производства гранулированного активированного угля позволит получить адсорбент со стабильно высокой площадью удельной поверхности и сорбционными свойствами.

При содержании нефтяного кокса в смесевом углеродсодержащем материале ниже 30 мас. % и выше 60 мас. % наблюдается снижение площади удельной поверхности гранулированных углей. Использование нефтяного кокса с содержанием летучих веществ ниже 12% не приводит к формированию развитой пористой структуры и снижает прочностные характеристики. Содержание летучих веществ в нефтяном коксе более 14% приводит к снижению показателей пористой структуры.

При содержании связующего в пасте для формования ниже 23% образуется сухая непластичная паста, которая практически не формуется.

Содержание связующего выше 28% является избыточным, что приводит к выделению жидкой составляющей при формовании, слипанию полученных гранул, снижению прочности гранул активированного угля.

В составе предлагаемой композиции для получения гранулированного активированного угля были использованы следующие компоненты:

-слабоспекающийся каменный уголь по ГОСТ 25543-2013;

-нефтяной кокс с выходом летучих веществ 12-14 мас. %;

-композиционное нефтяное связующее с динамической вязкостью 0,094 Па*с и коксуемостью 8,18 %.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами конкретного выполнения.

Пример 1.

Гранулированный активированный уголь включает в свой состав смесь мелкодисперсных нефтяного кокса НК-1 с выходом летучих веществ 12 мас. % в количестве 60 мас. % и слабоспекающегося каменного угля в количестве 40 мас. %, к которой затем было добавлено нефтяное связующее в количестве 26 мас. % от общей массы композиции углеродсодержащего материала и связующего. Размер частиц мелкодисперсного углеродного материала составляет 0,05-0,1 мм, нефтяное связующее представляет собой смесь тяжелого газойля коксования и гудрона в соотношении 1:1 с динамической вязкостью при 60°С, равной 0,094 Па*с и коксуемостью по ГОСТ 32392-2013 равной 8,18 %. Гранулированный активированный уголь данного состава получают путем перемешивания компонентов в лопастном смесителе в течение 30 минут при температуре 60°С и гранулируют на шнековом грануляторе с диаметром отверстий фильеры 3 мм. Полученные гранулы сушат на воздухе в течение 1 суток, в сухожаровом шкафу при температуре 110°С в течение 2 часов, карбонизуют при температуре 500°С в инертной атмосфере и активируют при температуре 800°С в среде перегретого водяного пара. Полученный гранулированный активированный уголь обладает площадью удельной поверхности по БЭТ (S_BET) 655,6 м²/г.

Пример 2.

Гранулированный активированный уголь по данному изобретению включает в свой состав смесь мелкодисперсных нефтяного кокса НК-2 с выходом летучих веществ 13 мас. % в количестве 50 мас. % и слабоспекающегося каменного угля в количестве 50 мас. %, а также нефтяного связующего в количестве 28 мас. % от общей массы композиции. Размер частиц мелкодисперсного углеродного материала составляет 0,05-0,1 мм, нефтяное связующее представляет собой смесь тяжелого газойля коксования и гудрона в соотношении 1:1 с динамической вязкостью при 60°С 0,094 Па*с и коксуемостью по ГОСТ 32392-2013 равной 8,18 %. Гранулированный активированный уголь данного состава получают путем перемешивания компонентов в лопастном смесителе в течение 30 минут и гранулируют на шнековом грануляторе с диаметром отверстий фильеры 3 мм. Полученные гранулы сушат на воздухе в течение 1 суток, в сухожаровом шкафу при температуре 110^оС в течение 2 часов, карбонизуют при температуре 500°С в инертной атмосфере и активируют при температуре 800°С в среде перегретого водяного пара. Полученный гранулированный активированный уголь обладает площадью удельной поверхности по БЭТ (S_BET) 801,8 м²/г.

Пример 3.

Гранулированный активированный уголь по данному изобретению включает в свой состав смесь мелкодисперсных нефтяного кокса НК-3 с выходом летучих веществ 14 мас. % в количестве 50 мас. % и слабоспекающегося каменного угля в количестве 50 мас. %, а также нефтяного связующего в количестве 23 мас. % от общей массы композиции. Размер частиц мелкодисперсного углеродного материала составляет 0,05-0,1 мм, нефтяное связующее представляет собой смесь тяжелого газойля коксования и гудрона в соотношении 1:1 с динамической вязкостью при 60°С 0,094 Па*с и коксуемостью по ГОСТ 32392-2013, равной 8,18%. Гранулированный активированный уголь данного состава получают путем перемешивания компонентов в лопастном смесителе в течение 30 минут и гранулируют на шнековом грануляторе с диаметром отверстий фильеры 3 мм. Полученные гранулы сушат на воздухе в течение 1 суток, в сухожаровом шкафу при температуре 110°С в течение 2 часов, карбонизуют при температуре 500°С в инертной атмосфере и активируют при температуре 800°С в среде перегретого водяного пара. Полученный гранулированный активированный уголь обладает площадью удельной поверхности по БЭТ (S_BET) 538,5 м²/г.

Данные о содержании компонентов в смеси углеродсодержащего материала и о свойствах композиции приведены в таблице 1.Данные о содержании компонентов в заявляемой композиции и ее свойствах приведены в таблице 2.

Таблица 1 Марка нефтяного кокса Содержание компонентов в смеси углеродсодержащего материала,
мас. % Удельная площадь поверхности по БЭТ, м²/г Нефтяной кокс Каменный уголь НК-1 100 - 474,7 80 20 573,8 60 40 655,6 50 50 795,5 40 60 901,9 30 70 705,4 НК-2 100 - 324,7 80 20 472,8 60 40 688,4 50 50 801,8 40 60 935,3 30 70 802,1 НК-3 100 - 181,3 80 20 310,5 60 40 570,8 50 50 619,9 40 60 712,3 30 70 601,7

Доля связующего в пасте при формовании составляла 28 мас. %.

Таблица 2 Марка нефтяного кокса Содержание связующего в композиции, мас. % Содержание углеродного материала в композиции, мас. % Удельная площадь поверхности по БЭТ, м²/г НК-1 22 78 Не формуется 24 76 679,5 26 74 733,9 28 72 795,5 30 70 701,8
Выделение жидкой составляющей при формовании НК-2 22 78 Не формуется 24 76 738,8 26 74 779,3 28 72 801,8 30 70 711,6
Выделение жидкой составляющей при формовании НК-3 22 78 Не формуется
24 76 574,1 26 74 601,3 28 72 619,9 30 70 585,8
Выделение жидкой составляющей при формовании

Содержание нефтяного кокса в составе мелкодисперсного материала составляет 50 мас. %, слабоспекающегося каменного угля - 50 мас. %. При содержании связующего в пасте для формования ниже 23 мас. % образуется сухая непластичная паста, которая практически не формуется. Содержание связующего более 28 мас. % является избыточным, что приводит к выделению жидкой составляющей при формовании, слипанию полученных гранул, снижению прочности гранул активированного угля.

Изобретение относится к химической промышленности и охране окружающей среды и может быть использовано для очистки сточных вод и воздуха промышленных предприятий, в частности к композиции для получения гранулированного активированного угля. Композиция включает углеродсодержащий материал, содержащий слабоспекающийся каменный уголь в количестве 40-70 мас.%, и композиционное нефтяное связующее. Причем углеродсодержащий материал дополнительно содержит нефтяной кокс с выходом летучих веществ 12-14 мас.% в количестве 30-60 мас.%. При этом композиция содержит углеродсодержащий материал в количестве 72-77 мас.% и композиционное нефтяное связующее в количестве 23-28 мас.%. Технический результат заявленного изобретения заключается в расширении существующей сырьевой базы получения углеродных сорбционных материалов необходимого качества для очистки водных сред и воздуха с использованием в качестве сырья смеси порошкообразного каменного угля с частичной заменой его на малоценный продукт нефтепереработки - нефтяной кокс, а также позволит получить адсорбент со стабильно высокой площадью удельной поверхности и сорбционными свойствами. 2 табл., 3 пр.

Композиция для получения гранулированного активированного угля, включающая углеродсодержащий материал, содержащий слабоспекающийся каменный уголь, и композиционное нефтяное связующее, отличающаяся тем, что углеродсодержащий материал дополнительно содержит нефтяной кокс с выходом летучих веществ 12-14 мас.%, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

указанный нефтяной кокс 30-60 слабоспекающийся каменный уголь 40-70,

при этом содержит углеродсодержащий материал и композиционное нефтяное связующее в следующем соотношении, мас.%:

углеродсодержащий материал 72-77 композиционное нефтяное связующее 23-28