Способ получения сорбента на основе углеродного материала



Способ получения сорбента на основе углеродного материала
Способ получения сорбента на основе углеродного материала
Способ получения сорбента на основе углеродного материала
Способ получения сорбента на основе углеродного материала

 


Владельцы патента RU 2565194:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный университет" (RU)

Изобретение относится к способам получения сорбентов из ореховой скорлупы. Способ получения углеродного сорбента, имеющего средний размер пор 2,2 нм, средний объем пор 0,14 см3/г и удельную поверхность 1336,96 м2/г, заключается в карбонизации измельченной скорлупы грецкого ореха в муфельной печи при доступе воздуха при температуре 700-800°C в течение двух часов. Изобретение обеспечивает высокие сорбционные свойства продукта. 4 ил.

 

Изобретение относится к способу получения сорбента на основе природного углеродного материала, который может быть использован в медицине, ветеринарии, фармации и для решения экологических задач благодаря высокой сорбционной активности.

Особый интерес представляют собой углеродные сорбенты, полученные на основе растительного сырья и обладающие уникальными физическими и химическими свойствами. В настоящее время грецкий орех широко используется в производстве кондитерских изделий и в фармации для получения ценного орехового масла, обладающего биологической активностью. Следствием этого появился новый источник природного сырья - скорлупа, которая ранее считалась отходом. Таким образом, переработка скорлупы грецкого ореха решает задачи рационального использования всех частей ореха.

Как правило, процесс производства активных углей состоит из двух стадий:

1 стадия - переработка углеродосодержащего сырья при высоких температурах, например пиролиз или карбонизация;

2 стадия - активация водяным паром, смесью водяного пара с углекислым газом или химическими реагентами.

Известен способ получения углеродного материала из фруктовых косточек или скорлупы орехов (Патент RU №2064429, «УГЛЕРОДНЫЙ СОРБЕНТ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ», опублик. 27.07.1996), включающий предварительную обработку фруктовых косточек и/или скорлупы орехов раствором щелочи или кислоты, карбонизацию, термообработку, активацию с получением углеродного носителя и его модификацию. Карбонизацию осуществляют путем пиролиза при 260-900°C в течение 0,5-120 ч, активацию ведут в токе водяного пара и/или топочных газов при 700-900°C.

В патенте RU №2154603 «Способ получения активного угля» (опублик. 20.08.2000) описан способ получения активного угля из скорлупы кедрового ореха, включающий в себя термическую обработку при температуре 750-850°C и активацию водяным паром.

Патент RU №2166990 «Способ получения углеродного сорбента» (опублик. 20.05.2001) включает карбонизацию косточкового сырья при температуре 750°C, активацию смесью водяного пара с углекислым газом при температуре 900-1000°C и отмывку магнитной сепарацией.

Способ получения активного угля из скорлупы кедрового ореха (Патент RU №2196732, опублик. 20.01.2003) отличается тем, что пиролиз и активацию проводят одновременно в атмосфере водяного пара при температуре 600-700°C в течение 1-3 часов. Недостатком является то, что этот способ предназначен для обработки сырья из скорлупы кедрового ореха, и низкий выход готового продукта (до 30%).

Патент RU №2228293 СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВНОГО УГЛЯ ИЗ СКОРЛУПЫ ОРЕХОВ (опублик. 10.02.2009) описывает способ получения дробленого активного угля, включающий карбонизацию скорлупы кокосовых орехов, активацию, охлаждение и рассев готового продукта, отличающийся тем, что после карбонизации осуществляют термообработку карбонизата без доступа воздуха при температуре 780-850°C в течение 15-24 ч, после чего неохлажденный продукт подают на активацию водяным паром при 920-1050°C при расходе водяного пара, равном 8,5-12,0 кг/кг угля. Недостаток - использование в качестве сырья только скорлупы кокосовых орехов и узкая направленность использования готового продукта: только по низкомолекулярным веществам, таким как аммиак.

Известен способ получения сорбента (патент RU №2329948 «Способ получения окисленного угля из растительного сырья для очистки сточных вод от ионов меди», опублик. 27.07.2008), заключающийся в прокаливании скорлупы кедрового ореха на воздухе при температуре 290-300°C до получения углеродного материала с последующей обработкой азотной кислотой или перекисью водорода. Недостатком этого способа является то, что он предназначен для обработки сырья из скорлупы кедрового ореха и многостадийность обработки, а также недостаточно высокая эффективность сорбции по меди.

Известен способ получения сорбента (Патент РФ 2172209, опубл. 20.08.2001), заключающийся в измельчении скорлупы грецких орехов до 0,8 см, обработке соляной кислотой в течение 15 час, промывании скорлупы до нейтральной реакции, обработкой концентрированным раствором гидроксида натрия с последующим промыванием, измельчением и сушкой. Недостатком этого способа является длительность процесса и использование агрессивных химических соединений.

Наиболее близким по своим признакам и по исходному сырью, принятым за прототип, является патент RU №2111923 (опубл. 27.05.1998), включающий дробление фруктовых косточек или скорлупы орехов, в том числе грецких, карбонизацию в потоке диоксида углерода в интервале температур 400-750°C, охлаждение карбонизата, повторную карбонизацию при 750-900°C, парогазовую активацию и рассев готового продукта, характеризующегося большим объемом микропор с преобладающим размером X=0,5-0,7 нм, что и обеспечивает высокую степень поглощения таких органических веществ - загрязнителей водных сред, как ацетон и уксусная кислота. Недостатками этого способа является многостадийность обработки, сложное аппаратурное оформление, выход готового продукта менее 50% и узкая направленность использования готового продукта.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа, включая более высокий выход сорбента с высокой удельной поверхностью.

Технический результат заключается в том, что способ обеспечивает получение сорбента из скорлупы грецкого ореха с высокими сорбционными свойствами за счет того, что:

- на поверхности сорбента возрастает число пор и активных сайтов: средний размер пор 2,2 нм, средний объем пор 0,14 см3/г;

- удельная поверхность полученного сорбента по метиленовому голубому (МГ), определяемая согласно ГОСТ 4453-74, составляет 1336,96 м2/г, что сопоставимо с удельной поверхностью активированного угля, применяемого в медицинских целях (500-1500 м2/г);

- выход готового продукта свыше 60%.

При этом указанный технический результат достигается за одну стадию, что обеспечивает значительное снижение длительности процесса, кроме того, осуществление способа не требует дополнительного оборудования для подведения углекислого газа.

Задача решается путем предложенного способа получения углеродного сорбента из скорлупы грецкого ореха, включающего измельчение скорлупы и карбонизацию, который отличается от прототипа следующими признаками:

- карбонизацию проводят в одну стадию при доступе воздуха,

- карбонизацию проводят при температуре 700-800°C в течение 2 часов.

В результате реализации предложенного способа получают сорбент со следующими характеристиками:

- удельная поверхность полученного сорбента по метиленовому голубому (МГ) составляет 1336,96 м2/г, что сопоставимо с удельной поверхностью активированного угля, применяемого в медицинских целях (500-1500 м2/г),

- средний размер пор сорбента 2,2 нм, средний объем пор 0,14 см3/г.

Из имеющегося уровня техники не обнаружено технических решений, в которых для получения углеродного сорбента используют карбонизацию скорлупы грецкого ореха в одну стадию при доступе воздуха при температуре 700-800°C в течение двух часов, что позволяет предполагать, что заявленный способ соответствует условию «новизна» и условию «изобретательский уровень», т.к. полученный по предлагаемому способу сорбент не только сохраняет сорбционные свойства аналогов, но и превосходит их по данному показателю.

Способ характеризуется следующими графическими материалами:

- на фиг.1 представлен график влияния температуры обработки на изменение массы скорлупы грецкого ореха, т.е. зависимости потери массы исходного сырья от температуры,

- на фиг.2 представлены изображения, подтверждающие изменение структуры поверхности образцов в зависимости от температурной обработки: 2а - обработка при 250°C, 2б - обработка при 400°C, 2в - обработка при 700°C, 2г - обработка при 1200°C. Снимки получены с помощью растрового микроскопа HITACHISU1510,

- фиг.3 демонстрирует результаты энергодисперсионного анализа по элементному составу полученного сорбента: углеродный материал на 77,86% состоит из углерода и 21,70% из кислорода, а также присутствуют следовые количества Al, K, Ca, Fe, Cu. Содержание K и Ca в полученном углеродном сорбенте свидетельствует о его растительном происхождении. Данные получены на приборе Quanta 3D,

- фиг.4 иллюстрирует сорбцию метиленового голубого (МГ) по ГОСТ 4453-74 на образце, полученном карбонизацией при температуре 700°C.

В ходе карбонизации происходит структуризация поверхности образцов, при этом образуются частицы различной морфологии, характерные для растительной клетчатки. Температура в 700-800°C является оптимальной температурой карбонизации, что подтверждает график на фиг.1 и изображения на фиг.2. На графике (фиг.1) видно, что до температуры 450°C идет потеря хемсорбированной воды; при дальнейшем повышении температуры масса уменьшается за счет выгорания углерода, а при температуре 700°C потеря массы прекращается, так как образовавшийся углекислый газ реагирует с раскаленным углеродом, в результате чего образуется карбонизированный продукт. Свыше 800°C кривая карбонизации выходит на плато и дальнейшее повышение температуры нецелесообразно. Время карбонизации менее 2 часов не обеспечивает полного выгорания и требуемого развития системы пор, а более 2 часов нецелесообразно экономически.

На фиг.2а видны неповрежденные растительные волокна после карбонизации при t=250°C. Отчетливо видна разница между образцом, полученным при температуре 400°C (фиг.2б), и образцом при температуре 700°C (фиг.2в). В результате обработки произошло выгорание лигнина и увеличилось число микро-, мезо- и макропор. Высокая температура обработки t=1200°C приводит к «спеканию» поверхности, число микро- и мезопор уменьшается (фиг.2г).

Пример осуществления способа

Пример 1. Скорлупу грецкого ореха подвергали измельчению на механической мельнице, затем полученную массу переносили в корундовые тигли. Карбонизацию проводили в муфельной печи при доступе воздуха при температуре 700°C в течение 2 ч.

Поверхность полученного сорбента характеризуется наличием большого количества микро-, мезо- и макропор; средний размер пор 2,2 нм, удельная поверхность (МГ) составляет 1336,96 м2/г. Выход готового продукта - 61,8%.

Пример 2. Скорлупу грецкого ореха подвергали измельчению на механической мельнице, затем полученную массу переносили в корундовые тигли. Карбонизацию проводили в муфельной печи при доступе воздуха при температуре 800°C в течение 2 ч. Поверхность полученного сорбента характеризуется наличием большого количества микро-, мезо- и макропор; средний размер пор 2,2 нм, удельная поверхность (МГ) составляет 1336,96 м2/г. Выход готового продукта - 61,8%.

Высокую сорбционную активность полученного сорбента подтверждают данные, полученные экспериментально: сорбция по кадмию (87,06%), свинцу (87,69%) и меди (88,24%).

Таким образом, задача по созданию менее трудоемкого способа получения эффективного сорбента из скорлупы грецкого ореха с более высоким выходом готового продукта решена. Поверхность полученного сорбента характеризуется наличием большого количества микро-, мезо- и макропор; средний размер пор 2,2 нм, удельная поверхность (МГ) составляет 1336,96 м2/г. Такие характеристики сорбента позволяют предполагать возможность его широкого применения в фармации, медицине и ветеринарии в качестве антидота, а высокая сорбция по кадмию (87,06%), свинцу (87,69%) и меди (88,24%) позволяет использовать полученный сорбент для очистки воды от тяжелых металлов.

Способ получения углеродного сорбента, имеющего средний размер пор 2,2 нм, средний объем пор 0,14 см3/г и удельную поверхность 1336,96 м2/г, заключающийся в карбонизации измельченной скорлупы грецкого ореха в муфельной печи при доступе воздуха при температуре 700-800°C в течение 2 ч.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области сорбционной техники и может быть использовано для получения активных углей (АУ), применяемых для детоксикации почв, детоксикации кормов и комбикормов в птицеводстве и животноводстве, водоподготовке и очистке сточных вод, а также для удаления вредных примесей из жидкостей.

Изобретение относится к угольным фильтрам курительных изделий. Предложен способ получения фильтра для фильтрования табачного дыма, включающий получение мезопористого угля путем предварительной обработки исходного материала раствором щелочи, активацию и введение полученного мезопористого угля в фильтр для курительного изделия.

Изобретение относится к области получения пористых углеродных материалов. Способ включает совместное измельчение углеродсодержащего материала со щелочью или карбонатом щелочного металла и карбонизацию смеси.

Изобретение относится к области производства активных углей. Способ переработки ископаемого каменного угля марки ССОМ включает дробление, выделение фракции угля с размером 1-6 мм, термообработку при 250-350°C, карбонизацию при 550-650°C, активацию в среде водяного пара при 900-950°C.

Изобретение относится к аппаратам для получения активных углей, в частности, для парогазовой активации и регенерации. Аппарат для проведения активации и регенерации содержит вращающийся барабан с топкой, камеру смешения и выгрузки, парогенератор и пароперегреватель.

Изобретение относится к способу переработки отработанного поликарбоната с получением сорбента. Проводят пиролиз поликарбоната в среде каменноугольного пека при соотношении поликарбонат: каменноугольный пек, равном (1,5-4,0):10,0 в интервале температур 350-380°C.
Изобретение относится к области экологии в энергетике. Способ очистки дымовых газов пылеугольных котлов тепловых электростанций от ртути, включающий введение активированного угля в качестве сорбента, отличающийся тем, что сорбент получают из щелочного древесного угля путем его обработки водяным паром при температуре не менее 800°C с последующим дроблением и отсевом на сите с размером ячейки не более 100 мкм, при этом способ осуществляют в температурном интервале 110 - 120ºC с вводом сорбента в дымовые газы непосредственно перед золоулавливающими устройствами.

Изобретение может быть использовано при получении адсорбентов в средствах для курения и фильтрах для улавливания табачного дыма. Гранулы микропористого активированного угля растительного происхождения погружают в раствор соли щелочноземельного или щелочного металла, встряхивают, фильтруют и отфильтрованный уголь сушат.
Изобретение относится к синтезу углеродных материалов, используемых для выделения водорода. Углеродное молекулярное сито получают из антрацита или каменного угля.

Изобретение касается устойчивого к самовоспламенению термически активированного угля на целлюлозной основе и процесса его производства, а также применения такого угля для очистки дымовых газов от вредных веществ.

Изобретение относится к области производства активных углей. Для изготовления активного угля используют смесь угля на каменноугольной основе и водно-битумной эмульсии с содержанием вяжущего 50-70%. Гранулирование производят через фильеры с диаметром отверстий 1,0-5,0 мм при давлении 70-250 кг/см2. Термообработку в диапазоне температур 250-350°С ведут в присутствии воздуха. Затем проводят карбонизацию и активируют в среде водяного пара. Изобретение обеспечивает получение гранулированного активного угля с высокими сорбционными и прочностными характеристиками, который можно использовать в процессах очистки газов, паров и жидкости. 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 4 пр.

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.

Изобретение относится к области сорбционной техники и может использоваться для утилизации кислых регенератов водообессоливающих установок и очистки сточных вод от органических веществ. Способ утилизации кислых регенератов водообессоливающих ионообменных установок заключается в их использовании для обработки активных углей. Соотношение массы активного угля к объему кислых регенератов составляет 1:10. Обработку проводят в течение 10 часов, после чего активные угли отмывают 3-кратным объемом дистиллированной воды и сушат на воздухе при комнатной температуре. Изобретение позволяет снизить количество сточных вод ионообменных установок и повысить сорбционную емкость активных углей по органическим соединениям. 2 табл., 6 пр.

Изобретение относится к области производства активированных углей. Способ включает смешивание кофейного жмыха, образующегося в процессе производства растворимого кофе, с конденсированными пиролизными смолами, имеющими содержание углерода более 65%, и карбонизированным материалом, имеющим содержание углерода более 80%. Смесь гранулируют, сушат и подвергают пиролизу. Часть образующихся пиролизных смол возвращают на стадию смешивания. Осуществляют карбонизацию. Возвращают одну часть карбонизированного материала на стадию смешивания и направляют другую часть карбонизированного материала на активацию водяным паром с получением целевого продукта. Смешивание исходных компонентов осуществляют таким образом, чтобы суммарное содержание углерода в гранулированной смеси составляло не менее 55%. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 пр.

Изобретение относится к области получения углеродных сорбентов с молекулярно-ситовыми свойствами. Способ получения включает тонкое измельчение каменного угля марки ССОМ или ССПК. Полученную пыль смешивают с каменноугольной смолой, содержащей кокс в количестве не менее 15%, и поташем. Композицию формуют, производят сушку, карбонизацию, обезлетучивание и активацию. Карбонизацию ведут при температуре 450-500°C с темпом нагрева не более 5°C в минуту. Активацию проводят при 900°C до обгара в пределах 5-10%. Изобретение обеспечивает получение сорбента, пригодного для разделения молекул в газовых средах. 3 табл.

Изобретение относится к области химической переработки древесины, в частности к способу получения микропористых углеродных сорбентов. Способ получения активного угля включает смешивание измельченной исходной или предварительно термообработанной при 280-350°C бересты с гидроксидом калия, взятым либо в твердом виде либо в виде раствора, карбонизацию при 600-800°C в атмосфере аргона, отмывку полученного продукта до нейтрального pH и сушку. Техническим результатом изобретения является улучшение сорбционных характеристик углеродного сорбента из бересты березы за счет совершенствования микротекстуры. 8 пр., 1 табл.

Изобретение относится к лесоперерабатывающей промышленности. Установка содержит вертикальную реторту (1), имеющую зоны сушки (3), пиролиза (6), охлаждения (8), накопления (2), активирования древесного угля (7), изолированные между собой шиберными заслонками (35, 36, 37, 38, 39). Зоны сушки (3) и охлаждения (8) связаны между собой через конденсатор (14). Зоны пиролиза (6) и охлаждения (8) сообщены между собой тепловой трубой (16). Зона пиролиза (6) оснащена патрубком вывода пиролизных газов (17) через трубопровод в эжектор (18), который соединен с разделительным аппаратом (19), снабженным патрубком для вывода несконденсировавшейся парогазовой смеси (22). Между патрубком подачи топочных газов (15) в зону сушки (3) и патрубком вывода топочных газов (41) установлен парогенератор (44). Эжекционный насос (45) с барометрическим конденсатором (46) соединен с разделительным аппаратом (19) через патрубок вывода неконденсирующихся газов из зоны накопления жижки (20). Барометрический конденсатор (46) соединен с насадочным абсорбером (48) через насос рециркуляции (47). Изобретение позволяет повысить качество древесного угля за счет повышения сорбционной активности, а также надежность установки для его производства. 1 ил.
Наверх