Спосіб одержання активованого вугілля

Винахід відноситься до технології виробництва активованого вугілля з органічних речовин або їх сумішей і може бути використаний у хімічній, нафтохімічній, фармацевтичній, мікробіологічній, харчовій та інших галузях промисловості, а також в медицині та в якості високоефективних носіїв для каталізаторів, молекулярних сит, освітлення забавленних рідин, в тому числі стічної води, вилучення із розчинів речовин з великим розміром молекул тощо. Відомі багаточисельні способи одержання активованого вугілля шляхом карбонізації органічних речовин або їх сумішей із наступною термічною або термохімічною активацією [Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М: Химия, 1976, с.82-86]. Недоліком даних способів є обмежена можливість одержати активоване вугілля з адсорбційною здатністю на рівні промислового вугілля без введення сторонніх хімічних речовин в промисловий цикл або споживання великих енергетичних витрат на видалення продуктів сухої перегонки із пор вугілля-сирцю і розрихлення його поверхні, що не дозволяє значно спрощувати і здешевлювати процес в цілому. Найбільш близьким за технічною суттю і досягаємого результату до запропонованого винаходу (прототипом) є спосіб утилізації відходів сільськогосподарського виробництва, зокрема лушпини соняшника шляхом вигоряння її частинок у лабораторній установці „РСК-Піроліз" у кварцовому реакторі в межах температур 500-1000°С при атмосферному тиску у киплячому шарі піску малої фракції [Провалов О.Ю., Топол О.І. Розробка методів утилізації відходів сільськогосподарського виробництва з використанням технології киплячого шару. Міжнародна науково-технічна конференція - Енергоефективність - 2002. Тези доповідей. Київ: Видав. "Навчальна книга", 2002, с.187-188]. Такий процес забезпечує швидкий нагрів частинок та їх подальше реагування при температурі шару. На підставі отриманих даних піролізу та вигоряння 500-1000°С був оцінений час виходу та вигоряння легких, час вигоряння коксового залишку в залежності від температури, а також розроблені пропозиції щодо методів термічної переробки лушпини в промислових котлоагрегатах. Недоліком цього способу є те, що він передбачає одержання лише коксового залишку, енергетичної сировини для промислових котлоагрегатів. Для одержання активованого вугілля із складу вихідної суміші необхідно здійснити подальші технологічні процеси використанням хімічного активатора „хлориду цинка", який потім відмивається кислотою із готового вугілля (виділення хлориду цинка із промивного розчину і повернення його в процес вимагає досить складних и громідских операцій) /Авт.свид. СССР №1351876, кл. С01В31/08, 1987/, або необхідності використання суміші водяного пару та інертного газу при наявності водяного пару 10-90об% при 800900°С протягом до п'яти годин (час активації залежить від температури і вмісту активуючого агента в газовій суміші) /Авт.свид. СССР №1770273, кл. С01В31/08, 1992/. В основу винаходу, що заявляється, поставлена задача спрощення способу одержання активованого вугілля з підвищеною адсорбційною здатністю безпосередньо лише тільки карбонізацією і термічною активацією вуглевмісної сировини за невисоких температур без доступ у повітря, без введення сторонніх хімічних речовин у виробничому циклі, без необхідності промивки та сушки окремих фракцій активованого вугілля. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в способі одержання активованого вугілля шляхом нагрівання вуглевмісних відходів, згідно з винаходом, перед процесом нагрівання вуглевмісні відходи змішують зі спученим перлітом фракції 0,6-1,0мм у співвідношенні вуглевмісний відхід : перліт =1:2, після чого суміш нагрівають до температури 400°С і витримують протягом 25-30хв., а далі підвищують температуру за швидкістю 20°С на хвилину до 550-600°С при атмосферному тиску і витримують при цій температурі протягом 25-30 хвилин. В якості вуглевмістного відходу використовують лушпину соняшника, або подрібнену солому, або фільтрувальний папір, або подрібнену кістку, або шкарлупу грецького горіха, подрібнену до розміру часток не більше 1мм. При цьому вуглевмісний відхід перед змішуванням його зі спученим перлітом завантажують в ємність, зроблену з сітки, або в кювету, або формують в брикети. Брикети вуглевмісного відходу формують під тиском, при цьому в якості зв'язуючого використовують водний розчин поліетиленгліколя, взятий у співвідношенні вода : поліетиленгліколь =4:6мас.ч., а вуглевмісний і зв'язуючий розчин змішують у масових співвідношеннях відповідно 1:1. Перед брикетуванням вуглевмісний відхід загортають у поліпропіленовий або беззольний папір. Використаний у способі спучений перліт являє собою вулканічне спучене скло, що відноситься до особливо легких штучних неорганічних матеріалів. Внаслідок своїй високорозвинутій пористій структурі і відкритій гідрофільній поверхні, він має високу теплопровідність, об'ємно-насипну масу, зерновий склад, водопоглинання, капілярний підсос, гігроскопічність, міцність, а завдяки розвинутій питомій поверхні і наявності на ній нескомпеносованих зарядів та обмінних іонів добру реакційну та адсорбційну здатність. Спучений перліт здатний вступати в процес катіонного обміну, реагувати з розчинами лугів, вапном, цементом та іншими в'язкими речовинами, а його ступінь пористості і наявність міжзернових пустот зумовлюють значну адсорбційну здатність поглинати пари, гази, індивідуальні та суміші органічних сполук (Пащенко А.А. и др. Гидрофобный вспученный перлит. Киев: Наукова думка, 1977. с.203с.). Ці фізико-хімічні властивості спученого перліту дають можливість успішно за низьких температур здійснювати карбонізацію маси органічної сировини, розмістивши останню в об'ємно-носійній масі зернового складу спученого перліту. Останній за атмосферного тиску у киплячому шарі його малої фракції (0,6-0,1мм) має найбільшу розвинуту відкриту пористість. Розмір пор в ній досягає 1/3 розміру зерна. Це забезпечує швидкий нагрів часток перліту, їх подальше реагування за температури карбонізації та перешкоджає проникнення атмосферного кисню до органічного матеріалу. Коефіцієнт теплопровідності спученого перліту відповідає відповідному коефіцієнту аморфних затверділих розплавом неорганічних гірських порід, значення якого коливаються у межах 2,51-4,18кДт/м.г×трад. Він понижується із зменшенням об'ємно-носийної маси вспученого перліту. Під час здійснення карбонізації маса органічної сировини у перлітовому шарі розміщується у заздалегідь прогріту піч. На підставі дослідження динаміки вигоряння в муфельній електричній печі ПМ-8 часток лушпини соняшника, подрібнених грецького горіху, кістки, беззольного фільтрувального паперу, сепаратора поліпропіленового тощо у металевому тиглі, заповненим шаром гідрофобного спученого перліту малої фракції (0,6-0,1), в межах температур 300-550°С за атмосферного тиску, одержано і оцінений час виходу компонентного складу продуктів карбонізації сировини (води, ацетової кислоти, метилового спирту тощо) та продуктів піролізу, вигорання (СО2, СО, О2, СН4, Н2) при безперервою процесу карбонізації і активації, а також розроблені пропозиції що до методів одержання активованого вугілля. Розміщення вуглевмісного відходу перед його змішуванням з перлітом в ємність, зроблену з сітки, або в кювету, або брикетування його перед змішуванням з перлітом дозволяє уникнути операцію очищення отриманого активованого вугілля від перліту. Ще більш чисте активоване вугілля отримується, якщо вугле вмісний відхід перед брикетуванням загорнути в поліпропіленовий або беззольний папір. Ефективність активування була встановлена по кількості метилового голубого (адсорбційна), йоду (сорбційна) і фенолу (рівноважна), що адсорбувались вугіллям із водного розчину [Clauss A., etr: Z. anovg. Chem., 290, 35. 1957]. Запропонований спосіб придатний для одержання як порошкоподібних, так і гранульованого активованого вугілля. В останньому випадку ви хідну суміш піддають грануляції відомим способом. Запропонований режим карбонізації в одну стадію забезпечує формування більш щільну структур у карбонізованого матеріалу і, відповідно, більш високу механічну міцність вугілля і дозволяє одержати вугілля високої якості з великою питомою поверхнею, збільшеною адсорбційною здатністю і виключає необхідності використання високих температур, спеціального обладнання і кислотної промивки або обробки одержаного активованого вугілля. Суть винаходу ілюстр ується наступними прикладами. Приклад 1. Відхід часток сухої лушпини соняшника змішують з 0,6-0,1мм фракцією спученого перліту у співвідношенні лушпина : перліт = 1: 2 в ємності з мішалкою при температурі 25°С. Суміш загружають у металевий реактор (тигель), накривають кришкою і розташовують у піч нагріву до 400°С і витримують протягом 30хв., а далі температур у підвищують за швидкістю 20°С на хвилину до 550-600°С при атмосферному тиску і витримують при цій температурі протягом 30хв. В межах вказаних температур має місце рівномірне згоряння та піроліз компонентного складу до відповідного ступеня конверсії і поглинання перлітом легких та вигоряння коксового залишку на поверхні прогрітого гідрофобізованого перліту при температурі шару без доступ у повітря при атмосферному тиску у вн утрішній сфері завантаженого реактора. Одержаний в печі карбонізований і активований твердий продукт - вугілля - о холоджують до кімнатної температури, відсівають при необхідності від фракції перліту на ситі з розміром ґраток 0,5мм, або звільняють від пилу, у пропусканням сухого повітря і дроблять до розміру часток 200-240мм. Одержаний зразок має об'єм мікропор 0.41см 3/г, рівноважну активність по толуолу 341мг/г, адсорбційну активність по метиловому синьому 302мг/л, по йоду 99,7%. Приклад 2. Процес проводили аналой чіп. прикладу 1, з тією відміною, що в якості вуглевмісного відходу використали подрібнену солому. Одержували вугілля з об'ємом пор 0,58см 3/г і активністю по метиленовому голубому 210мг/г. Приклад 3. Процес проводили аналогічно прикладу 1, з тією відміною, що в якості вуглевмісної сировини використали фільтрувальній папір. Одержали активоване вугілля об'ємом пор 0,41см/г і активністю по метиленовому голубому 302мг\г. Приклад 4. Процес проводили аналогічно прикладу 1, з тією різницею, що в якості вуглевмісного відходу використали подрібнену кістку. Одержали активоване вугілля з об'ємом пор 0,32см/г і активністю по метиленовому голубому 189мг/г. Приклад 5. Процес проводили аналогічно прикладу 1, з тією різницею, що в якості вуглевмісної сировини використали шкарлупу грецького горіха, подрібненого до розміру часток не більше 1мм. Одержали активоване вугілля з об'ємом мікропор 0,70см 3/г і активністю по метиленовому голубому 614мг/г. Приклад 6. Процес проводили аналогічно прикладу 1, з тією відміною, що вуглевмісний відхід перед змішуванням зі спученим перлітом завантажували в ємність, зроблену з бронзової сітки. Приклад 7. Процес проводили аналогічно прикладу 1, з тією різницею, що вуглевмісний відхід перед змішуванням зі спученим перлітом формували в брикети. Приклад 8. Процес проводили аналогічно прикладу 1, з тією відміною, що лушпини соняшника формували в брикети під тиском, де в якості зв'язуючого був використаний водний розчин поліетиленгліколя, взятих у співвідношенні вода : поліетиленгліколь = 4:6мас.ч. Змішували вуглевмісний відхід і зв'язуючий розчин, відповідно взятих у масових співвідношеннях 1:1. Приклад 9. Процес проводили аналогічно прикладу 1, з тією різницею, що частки лушпини соняшника попередньо загортались у поліпропиленовий папір, а потім формували у брикети під тиском. В результаті одержали активоване вугілля з об'ємом мікропор 0,38см/г, адсорбційною активністю по метиленовому голубому склала 284мг/г, по йоду 95%, по толуолу 325мг/г. За якістю активоване вугілля, одержане згідно запропонованого винаходу, за основними показниками перебуває на рівні активованого вугілля марки 04-А, що одержують з деревного вугілля, в якого об'єм мікропор 0,29см 3/г, адсорбційна активність по метиленовому голубому 225мг/г.