Способ получения активного угля

 

Изобретение относится к области производства активных углей и может быть использовано в различных углеадсорбционных процессах: очистке ликероводочных изделий, питьевой воды, фармацевтической и пищевой промышленности, а также для рекуперации летучих растворителей. Предложен способ получения активного угля из древесного угля-сырца, включающий дробление угля-сырца и окисление на воздухе в течение 40-60 мин при 25-40^oС, термическую обработку окисленных частиц, осуществляемую со скоростью 1,5-8,0^oС/мин до 800-850^oС и активацию водяным паром при 850-860^oС. Способ позволяет получать активные угли, обеспечивающие высокую степень очистки питьевой воды от среднемолекулярных органических примесей, например уксусной кислоты, обуславливающей неприятный привкус питьевой воды, и повысить выход угля.

Изобретение касается способа получения активного угля (а.у.) и может быть использовано для очистки воды, водочных сортировок, медицинских препаратов, газов и паров.

В научной и патентной литературе известен способ получения активного угля из древесного угля-сырца, включающий термическую обработку воздухом при 280-420^oС, активацию водяным паром при 800-900^oС при соотношении угля-сырца и пара, равном 1:2-3 (см. авт. свид. 1401277, СССР, кл. С 01 В 31/08, опубл. 19.12.86).

Недостатком известного способа является низкий выход получаемого продукта, сложность технологического процесса, т.к. при повышенных температурах происходит интенсивное окисление угля-сырца, сопровождающееся возгоранием его и увеличением зольности (минеральных примесей), что делает невозможным использование таких а. у. в ликероводочной или фармацевтической промышленности.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения активного угля из древесного угля-сырца, включающий термическую обработку угля-сырца до 800-850^oС без доступа воздуха со скоростью подъема температуры 40-60^oС/мин и активацию водяным паром при соотношении угля-сырца и пара, равном 1:5-8 (см. пат. РФ 2114057, С 01 В 31/08, опубл. 27.06.98).

Недостатком прототипа является невозможность получения активных углей с высокой адсорбционной емкостью по таким среднемолекулярным примесям в водных растворах, как уксусная кислота.

Другим недостатком является низкий выход получаемого кондиционного а.у.

Целью изобретения является повышение адсорбционной емкости угля по таким молекулам, как уксусная кислота (СН₃СООН), а также повышение выходов кондиционного активного угля.

Цель достигается предлагаемым способом, включающим дробление исходного древесного угля-сырца, его окисление на воздухе в течение 40-60 мин при температуре 25-40^oС, термическую обработку окисленного продукта до 800-850^oС без доступа воздуха со скоростью подъема температуры 1,5-8,0^oС/мин, активацию водяным паром.

Отличие предлагаемого способа от прототипа состоит в том, что перед термической обработкой исходный уголь-сырец дробят и окисляют на воздухе в течение 40-60 мин при температуре 25-40^oС, а термическую обработку до 800-850^oС осуществляют со скоростью нагрева 1,5-8,0^oС/мин.

Осуществление дробления и окисления на воздухе в течение 40-60 мин при 25-40^oС перед термической обработкой в практике производства активных углей на основе древесного угля-сырца неизвестно.

Неизвестен и способ термической обработки таких окисленных продуктов со скоростью подъема температуры 1,5-8,0^oС/мин до 800-850^oС.

Сущность предложенного способа состоит в следующем.

Берут древесный уголь-сырец (продукт пиролиза древесины или ее отходов - стружки, куски и т. д. ) с размерами кусков 7-25÷30 мм и подвергают его дроблению на щековой, молотковой, дисковой или другой дробилке с получением фракции 1,5-5,5 мм. Дробленый продукт (частицы) подвергают окислению на воздухе в течение 40-60 мин при 20-40^oС. Окисленные частицы (с содержанием кислорода не менее 5,0%) помещают в печь и нагревают до 800-850^oС без доступа воздуха со скоростью подъема температуры 1,5-8,0^oС/мин, после изотермической выдержки при конечной температуре в течение 2-3 ч в печь подают водяной пар, уголь "активируется" путем взаимодействия с молекулами воды по реакции С+Н₂О-->СО+Н₂.

После достижения обгаров, равных 42-52%, уголь охлаждают, выгружают из печи и анализируют.

В предложенном способе формирование пористой структуры углеродного адсорбента начинается с процесса дробления угля-сырца и его окисления не воздухе, продолжается при термической обработке и заканчивается при активации.

Нами было определено, что осуществление дробления угля-сырца до размеров 1,5-5,5 мм способствует образованию более однородных по форме и энергетическому полю частиц угольного материала, содержащего на поверхности свободные радикалы -С= -, которые окисляются в процессе обработки воздухом. При этом на поверхности частиц появляется слой углеродных окислов -С=О или С-О-Н, который при дальнейшей термической обработке обусловливает "мягкую" усадку (перегруппировку атомов углерода) с формированием достаточного объема микропор, имеющих размеры 0,7-0,9 нм, что и обеспечивает высокую степень поглощения уксусной кислоты. При этом выход кондиционного активного угля повышается, т.к. минимизируются процессы пылеобразования и растрескивания.

В результате проведенных многочисленных экспериментов было установлено, что на качество получаемого активного угля существенное влияние оказывают дробление, температурный интервал и время окисления частиц углеродного материала и скорость подъема температуры в процессе термической обработки до 800-850^oС.

Определяющими являются: использование растительного углеродосдержащего материала - древесного угля-сырца - после воздействия на него давления, удара или расщепления до меньших размеров, лучше до 1,5-5,5 мм, время и температура окисления воздухом перед термической обработкой до 800-850^oС, а также скорость подъема температуры в процессе нагревания.

Авторами показано, что дробление кусков исходного угля-сырца, окисление полученных частиц на воздухе при определенном деликатном режиме, медленный нагрев окисленного продукта до 800-850^oС и последующая активация в атмосфере водяного пара дает возможность сформировать определенную микропористую структуру, а именно, с преобладающим размером микропор, равным 0,7-0,9 нм. При этом более крупные разновидности пор - мезо- и макропоры - формируются в количестве, достаточном для обеспечения хорошей кинетики поглощения среднемолекулярных загрязнителей жидких фаз.

Кроме того, вся совокупность признаков обеспечивает высокий выход кондиционного продукта.

Следующие примеры поясняют сущность изобретения.

Пример 1. Берут 7,0 кг березового угля-сырца с размером кусков 10-20 мм, влажностью 5%, выходом летучих 12-20%, суммарным объемом пор 0,90 см³/г. Уголь раздрабливают на щековой дробилке до размеров частиц 1,5-5,5 мм. Частицы угля загружают в вертикальную стационарную печь и при температуре 25^oС начинают подавать воздух со скоростью 1,0 л/мин в течение 40 мин. Затем обработку воздухом прекращают, а печь с углем начинают нагревать со скоростью подъема температуры 1,5^oС/мин. При конечной температуре (800-850^oС) уголь выдерживают изотермически в течение 2,0 ч, затем подают водяной пар - 2 кг/кг угля и активируют до обгара 42%, что составляет 3,0 ч. После этого печь охлаждают, продукт выгружают и анализируют.

Полученный активный уголь характеризуется высокими показателями адсорбционной емкости по уксусной кислоте - 85 мг/г (МИ 205-72 "Метод определения статической активности угля по уксусной кислоте из водного раствора"). Выход кондиционного угля при этом составляет 57,5%.

Аналогичные показатели для а.у. по прототипу (пат. РФ 2114057, кл. С 01 В 31/08, опубл. 27.06.98, бюл. 18) составляют: 60 мг/г (уксусная кислота) 43% (выход кондиционного продукта).

Пример 2. Берут 5,0 кг угля-сырца хвойных пород с размером кусков 30-50 мм, выходом летучих 26%, влажностью 6%. Уголь дробят на дисковой дробилке до размеров частиц 2,5-5,0 мм. Частицы угля загружают в печь, как в примере 1, воздух (3,0 л/мин) подают при 40^oС, а обработку ведут 60 мин, после чего нагревают, как в примере 1, со скоростью подъема температуры 8^oС/мин, при конечной температуре выдерживают 2,5 ч, затем подают водяной пар и активируют до обгара 46%. После охлаждения уголь анализируют.

Адсорбционная емкость такого угля по уксусной кислоте составляет 89 мг/г, выход кондиционного продукта - 53,5%.

Пример 3. Берут 3,0 кг букового угля-сырца о размером кусков 10-15 мм, выходом летучих 22%, влажностью 7,0%. Уголь-сырец раздрабливают в дисковой дробилке, отбирают фракцию частиц с размером 3,0-5,5 м, загружают в печь и окисляют воздухом (3,5 л/мин), как в примере 1, при температуре 33^oС/мин, в течение 50 мин, затем подачу воздуха прекращают, а печь нагревают со скоростью подъема температуры 4,5^oС/мин с выдержкой при конечной температуре 3,0 ч, затем подают водяной пар и активируют до обгара 50%.

Адсорбционная емкость полученного угля по уксусной кислоте составляет 90 мг/г, выход кондиционного угля - 50%.

Экспериментами установлено, что снижение температуры окисления (менее 25^oС) и времени контакта угля с воздухом (менее 60 мин) приводит к ухудшению адсорбционных показателей по уксусной кислоте до 55 мг/г и выходу кондиционного продукта - до 42%. Аналогичное снижение емкости поглощения по уксусной кислоте отмечено при повышении скорости подъема температуры при термической обработке окисленного продукта.

Такая же зависимость показателей качества отмечена и в случае повышения температуры (выше 40^oС) и времени окисления частиц воздухом (выше 60 мин). Более резкое ухудшение адсорбционной емкости активных углей по органической кислоте установлено при повышении скорости нагрева (выше 8,0^oС/мин) в процессе термической обработки до 800-850^oС.

Определено также, что на увеличение емкости поглощения углей по уксусной кислоте оказывают влияние скорость подачи воздуха, выдержка при конечной температуре 800-850^oС и обгар при активации.

Из вышеизложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей мере влияет на достижение поставленной цели, а именно: повышение адсорбционной емкости по среднемолекулярным веществам, например уксусной кислоте, повышение выходов кондиционного продукта, а вся совокупность является достаточной для характеристики заявляемого технического решения.

Способ является экологически чистым, не требует дефицитного и дорогостоящего оборудования, обеспечен сырьевой базой - углем-сырцом различных пород деревьев.

Формула изобретения

Способ получения активного угля из древесного угля-сырца, включающий термическую обработку без доступа воздуха до 800-850^oС, активацию водяным паром и дробление, отличающийся тем, что исходный уголь-сырец перед термической обработкой подвергают дроблению и окислению на воздухе в течение 40-60 мин при 25-40^oС, а термическую обработку осуществляют со скоростью нагрева 1,5-8,0^oС/мин.