Способ получения модифицированного активного угля

 

Изобретение относится к способам получения активного угля и может быть использовано в производстве адсорбентов, в нефтехимической, химической, металлургической промышленности, а также в очистке сточных вод от органических и других загрязнений. Задачей изобретения является разработка эффективного безопасного способа получения модифицированного угля, обладающего высокой сорбционной емкостью по отношению к органическим соединениям. Задача решается следующим образом. Активированный гранулированный уголь пропитывают насыщенным водным раствором роданистого аммония, роданистого калия или натрия, мочевины или тиомочевины, выдерживают 5 - 6 ч и подвергают термообработке при температуре 310-370^oC в течение 2,5 - 3 ч. Разработанный способ обеспечивает значительное повышение сорбционной емкости модифицированного активного угля по сравнению с исходным углем. В отличие от обработки активного угля аммиаком его поверхность приобретает положительный заряд, необходимый для сорбирования молекул органических соединений. Способ прост, эффективен, безопасен и не требует специального сложного оборудования для осуществления. 1 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к способам получения активного угля и может быть использовано в производстве адсорбентов, в нефтехимической, химической, металлургической промышленности, а также в очистке сточных вод от органических и других загрязнений.

При адсорбции на углях ионов из растворов большую роль играют поверхностные химические соединения, которыми могут быть насыщены свободные валентности атомов углерода на поверхности активного угля. Поверхностные соединения оказывают влияние на адсорбционные свойства углей, что особенно заметно при их использовании в растворах электролитов и органических веществ.

Известны методы модификации активных углей соединениями кислорода, которые заключаются в их низкотемпературной обработке кислородом воздуха или окислителями (перекись водорода, перманганат калия и т. д.) в жидкой среде.

Известен метод модификации поверхности активного угля соединениями азота, который заключается в обработке слоя угля аммиаком [1] [2] Способ заключается в активировании угля сухим очищенным аммиаком при температуре 700-800^oC, скорости подачи аммиака 0,3 л/мин·см, время обработки составляло 6 ч.

Количество азота? зафиксированного на угле, при применении указанного способа зависит от его марки, например для угля марки БАУ содержание азота составляет 3,8 АГ-5 3,47 АГН 2,3 По аналогичному способу осуществлялась обработка угля дицианом, которая приводила к фиксации азота на поверхности угля.

Адсорбционная емкость по кислоте углей содержащих азот в 1,5-2,5 раза превышает емкость по кислоте обычных обеззоленных углей, что объясняется присутствием на поверхности угля основных азотных функциональных групп аминного типа. Емкость азотосодержащих углей также повышается по отношению к органическим соединениям, например к щавелевой, уксусной и лимонной кислотам.

Указанный выше способ характеризуется получением азотосодержащих углей с недостаточным положительным зарядом поверхности, что не обеспечивает удовлетворительного извлечения органических соединений из водных растворов.

Кроме того, к недостаткам способа следует отнести образование синильной кислоты и дициана в процессе проведения реакции модификации.

Задачей изобретения является разработка эффективного безопасного способа получения модифицированного угля, обладающего высокой сорбционной емкостью по отношению к органическим соединениям.

Задача решается следующим образом. Активированный гранулированный уголь пропитывают насыщенным водным раствором роданистого аммония, роданистого калия или натрия, мочевины или тиомочевины, выдерживают 5 6 ч подвергают термообработке при температуре 310-370^oC в течение 2,5-3 ч. Азотсодержащие соединения берут в количестве 10-20 от массы угля.

При нагревании активного угля, пропитанного указанными растворами происходит химическая реакция восстановления роданида тиомочевины или мочевины углеродом, находящимся на поверхности угля, при этом азот закрепляется, преимущественно, в виде аминогрупп, что подтверждается ИК-спектрами. Наличие азотсодержащих групп может быть доказано увеличением валентных колебаний по длине волны равной 3400 и 1600 см. Такое значительное увеличение интенсивности валентных колебаний соответствует появлению на поверхности аминогрупп.

Уменьшение температуры обработки не приведет к осуществлению процесса модификации, так как не будет иметь место химическая реакция.

Увеличение температуры выше 370^oC приведет к улетучиванию азотсодержащих соединений с поверхности активного угля.

Применение водных насыщенных растворов связано с тем, что азотсодержащие группы неорганических соединений сначала адсорбируются на углеродной поверхности по ионообменному механизму, а в ходе дальнейшей термообработки образуют с ней прочные химические соединения.

Это приведет к тому, что углеродная поверхность приобретает положительный стандартный электродный потенциал ϕ, близкий потенциалу нулевого заряда углеродной поверхности в системе: модифицированный уголь водный раствор органических веществ. Разработанный способ позволяет значительно повысить сорбционную емкость активного угля по отношению к органическим веществам, находящимся в водном растворе, не меняя пористой структуры сорбента.

Таким образом, новизна изобретения заключается в новой совокупности операций способа и применении новых веществ для его осуществления.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о соответствии изобретения критерию "изобретательский уровень".

Пример 1. Активированный уголь марки БАУ с гранулами 1-5 мм в количестве 25 кг смешивают с 3,75 кг роданистого аммония (15 от массы угля), взятого в виде насыщенного водного раствора, выдерживают в течение 5 ч, загружают в реторту из черной стали СТ 3 и нагревают со скоростью подъема температуры 5^oC в минуту до температуры 310^oC, выдерживают в течении 2,5 ч, охлаждают, промывают дистиллированной водой до отрицательной реакции на ионы аммония, высушивают при 100^oC до постоянного веса.

Полученный уголь содержит 2,9 азота на поверхности, определяемого по методу Кьельдаля (см. Н. А. Суворовская. Анализ растворов, содержащих цианистые соединения. М. 1950).

v-потенциал определяли в растворе 0,1 н. KCl относительно хлорсеребряного электрода.

v-потенциал углеродной поверхности составляет + 250 мВ.

Маслоемкости слоя угля в момент достижения выходной концентрации, равной начальной.

Сорбционная емкость по нефтепродуктам (турбинное масло Т22) при равновесной концентрации 3 мг/л составляет 150 мг/т, а при равновесной сорбционную емкость определяли в динамических условиях по величине концентрации 10 мг/л 300 мг/л.

Сорбционная емкость по сульфанолу при равновесной концентрации 0,1 мг/л составляет 100 мг/г, при равновесной концентрации 1 г/л 50 мг/г.

Пример 2. Активированный уголь марки АГ-5 с гранулами 1-5 мм в количестве 50 кг смешивают с 7,5 кг (15 от массы угля) тиомочевины, взятой в виде насыщенного водного раствора, выдерживают в течение 5 ч, загружают в реторту из черной стали Т 3 и нагревают до температуры 370^oC со скоростью нагрева 10^o в 1 мин, выдерживают при этой температуре в течение 2,5 ч, охлаждают, промывают дистиллированной водой до отрицательной реакции на ионы аммония, высушивают при 100 ^oC до постоянного веса.

Полученный уголь содержит 2,5% азота, определяемого по методу Кьельдаля. v-потенциал углеродной поверхности составляет +190 мВ. Сорбционная емкость по нефтепродуктам (турбинное масло Т22) при концентрации 3 мг/л составляет 120 мг/г, а при концентрации 10 мг/л 200 мг/г.

Сорбционная емкость по сульфанолу при равновесной концентрации сульфанола 01 мг/г составляет 90 мг/г, при равновесной концентрации 1 г/л 240 мг/л.

Пример 3. По методике примера 1 активированный уголь марки БАУ, взятый в количестве 25 кг, смешивают с 8 кг (16 от массы угля) роданистого калия, взятого в виде насыщенного водного раствора. Процесс обработки осуществляют по технологии примера 1. Полученный модифицированный уголь содержит 3,2 азота на своей поверхности. v-потенциал углеродной поверхности составляет +300 мв.

Сорбционная емкость по нефтепродуктам (турбинное масло Т22) при равновесной концентрации 3 мг/л составляет 170 мг/г, а при равновесной концентрации 10 мг/л 320 мг/г.

Сорбционная емкость по сульфанолу при равновесной концентрации 0,1 мг/л составляет 115 мг/г, при равновесной концентрации 1 г/л 270 мг/г.

Пример 4. По методикам аналогичным примерам 1 и 2 был определен v-потенциал поверхности частиц гранулированного активного угля марки БАУ, который составил -25 мВ.

Сорбционная емкость по нефтепродуктам (турбинное масло Т22) при концентрации 3 мг/л составляет 10 мг/г, а при концентрации 10 мг/л 25 мг/г.

Сорбционная емкость по сульфанолу при равновесной концентрации сульфанола 0,1 мг/г составляет 15 мг/г, при равновесной концентрации 1 г/л 50 мг/г.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о значительном повышении сорбционной емкости модифицированного активного угля, полученного разработанным способом по сравнению с исходным углем. В отличии от обработки активного угля аммиаком его поверхность приобретает положительный заряд, необходимый для сорбирования молекул органических соединений. Способ прост, эффективен, безопасен и не требует специального сложного оборудования для осуществления.

Формула изобретения

1. Способ получения модифицированного активного угля, включающий обработку гранул угля азотсодержащим соединением, промывку и высушивание до постоянного веса, отличающийся тем, что в качестве азотсодержащего соединения берут роданистый аммоний или калий, мочевину или тиомочевину в виде насыщенного водного раствора, которым пропитывают гранулы угля с последующей выдержкой смеси 5 6 ч и далее осуществляют термообработку при температуре 310 370^oС в течение 2,5 3 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что азотсодержащие соединения берут в количестве 10 20% от массы угля.