Спосіб одержання вуглецевого катіонообмінника

1 Спосіб одержання вуглецевого катюнообмінника шляхом подрібнювання вугілля з наступним його окислюванням при підвищеній темпера турі у повітряному середовищі, який відрізняється тим, що як вугілля використовують антрацит з розмірами частинок 0,2-2,0мм, який перед окислюванням активують водяною парою при 850-950°С до випалу 40-60мас %, а окислювання ведуть у пароповітряному середовищі, що містить 3-20об % водяної пари при температурі 300-400°С 2 Спосіб по п 1, який відрізняється тим, що окислювання ведуть до випалу 20-30мас % 3 Спосіб по п 1 , який відрізняється тим, що отриманий адсорбент розділяють за величиною частинок на дві фракції з розмірами частинок до 0,45мм і понад 0,45мм Винахід відноситься до способів одержання вуглецевих адсорбентів з іонообмінними властивостями і може бути використаний в ХІМІЧНІЙ І харчовій промисловості, у процесах водопідготовки для побутових потреб та очищення стічних вод, а також у процесах одержання особливо чистих речовин, для розділення, виділення і концентрування рідкоземельних елементів Відомий спосіб одержання вуглецевого адсорбенту з іонообмінними властивостями, що включає окислювання активованого деревного вугілля зволоженим повітрям, що подається зі швидкістю 5л/г на 1г вугілля протягом 25-30г при температурі від 410 до 430°С [1] Основним недоліком способу є низький вихід вуглецевого адсорбенту, низька селективність стосовно ІОНІВ важких металів з розчинів Також відомий спосіб одержання вуглецевого юнообмінника, що включає окислювання напівкоксу, отриманого з кам'яного вугілля, при температурі 300-450°С протягом бОхв при безперервній подачі повітря зі швидкістю 8л/г на 1г продукту з наступним охолодженням в атмосфері азоту, що подається зі швидкістю 4-5л/хв [2] Недоліком такого способу є використання ви сокозольної сировини (зольність 42,5%), а також дорогого інертного газу Найбільш близьким до запропонованого винаходу є спосіб одержання вуглецевого адсорбенту з іонообмінними властивостями, що включає подрібнення деревного вугілля, його окислювання при підвищеній температурі у повітряному середовищі, термообробку окисленого вугілля, повторне окислювання вуглецевого матеріалу [3] Основним недоліком способу є багатостадійність технологічного процесу одержання вуглецевого адсорбенту і висока його вартість Задачею, на вирішення якої спрямований винахід, є розробка простої, ефективної та економічної технології одержання вуглецевого адсорбенту з антрациту Спосіб одержання адсорбенту, що заявляється, створений для вирішення поставленої задачі, дозволяє досягти технічного результату, що полягає у спрощенні технології і здешевленні одержуваного продукту за рахунок заміни деревного вугілля більш дешевим антрацитом При цьому техніко-економічні показники такого адсорбенту порівнювані з характеристиками адсорбенту по прототипу О 00 (О 61810 Суть запропонованого способу полягає втому, що у відомому способі одержання вуглецевого адсорбенту з іонообмінними властивостями шляхом подрібнювання вугілля з наступним його окислюванням при підвищеній температурі у повітряному середовищі, ВІДПОВІДНО до винаходу, використовують антрацит з розмірами частинок 0,2-2,0мм, який перед окислюванням при температурі 300-400°С у пароповітряному середовищі, що містить 3-20об % водяної пари, активують водяною парою при температурі 850-950°С до випалу 40-60мас % Окислювання проводять переважно до втрати маси на 20-30мас %, а отриманий адсорбент розділяють на дві фракції з розмірами частинок до 0,45мм і 0,45-2,0мм Подрібнювання вихідного антрациту до розміру часток від 0,2 до 2,0мм забезпечує рівномірне активування всіх частинок в об'ємі продукту, що забезпечує однорідність сорбційних властивостей і високу селективність стосовно катіонів важких металів Активація частинок подрібненого антрациту парогазовою сумішшю в інтервалі температур від 850 до 950°С забезпечує мінімальний випал продукту в межах від 40 до бОмас % та одержання активного вуглецевого матеріалу з мікропорами та супермікропорами, що сприяє подальшому рівномірному окислюванню вуглецевого матеріалу у всьому об'ємі частинок Окислювання активованого антрациту при температурі від 300 до 400°С забезпечує одержання вуглецевого катюнообмінника при незначній втраті маси - від 20 до ЗОмас % від маси продукту, активованого парогазовою сумішшю Фракціонування отриманого продукту на дві фракції розширює обсяги застосування адсорбенту, тому що дрібна фракція з розміром частинок до 0,45мм може використовуватися як порошкоподібний адсорбент для очищення стічних вод, що містять активний мул, від катіонів важких металів Такий порошок можна також застосувати при одержанні формованих композиційних сорбуючих матеріалів Фракція адсорбенту з розміром частинок від 0,45 до 2,0мм використовується як катюнообмінник, селективний до катіонів важких металів та органічних домішок Сукупність вищевказаних суттєвих ознак, що відрізняють заявлене технічне рішення від прототипу, не виявлена в інших рішеннях і невідома з рівня техніки при вивченні авторами цієї області хімічної промисловості в процесі проведення патентних досліджень Це дозволяє зробити висновок про наявність нових суттєвих ознак і ВІДПОВІДНІСТЬ заявленого винаходу критерію "новизна" Проведений пошук по усіх видах необхідних і доступних джерел хімічної, науково-технічної і патентної інформації та аналіз рівня техніки не дозволив встановити залежність сукупності ознак запропонованого винаходу і виявленого ним технічного результату Це свідчить проте, що заявлене технічне рішення не випливає з відомого рівня техніки, а, отже, можна зробити висновок про ВІДПОВІДНІСТЬ його критерію "винахідницький рівень" Запропонований винахід ілюструється наступними прикладами його виконання Приклад 1 Вихідний антрацит подрібнюють до розміру частинок 0,8-1,4мм, активують водяною парою при температурі 900°С до випалу 50мас %, окислюють пароповітряною сумішшю при температурі 330°С із вмістом водяної пари Юоб % до випалу 25мас %, фракціонують на дві фракції першу - з розміром частинок до 0,45мм, другу - з розміром частин від 0,45 до 2,0мм Технологічні параметри одержання вуглецевого капонообмінника наведені в таблиці 1, а його фізико-хімічні характеристики - у таблиці 2 Приклад 2 ВІДМІННІСТЬ ВІД прикладу 1 полягає в тому, що вихідний антрацит подрібнюють до розміру частинок від 0,2 до 0,8мм Технологічні параметри одержання вуглецевого катюнообмінника наведені в таблиці 1, а його фізико-хімічні характеристики - у таблиці 2 Приклад 3 ВІДМІННІСТЬ ВІД прикладу 1 полягає в тому, що вихідний антрацит подрібнюють до розміру частинок від 1,4 до 2,0мм Технологічні параметри одержання вуглецевого катюнообмінника наведені в таблиці 1, а його фізико-хімічні характеристики - у таблиці 2 Приклад 4 ВІДМІННІСТЬ ВІД прикладу 1 полягає в тому, що вихідний антрацит активують водяною парою при температурі 850°С до випалу 40мас % і окислюють пароповітряною сумішшю із вмістом водяної пари 20об % при температурі 300°С до випалу 20мас % Технологічні параметри одержання вуглецевого катюнообмінника наведені в таблиці 1, а його фізико-хімічні характеристики - у таблиці 2 Приклад 5 ВІДМІННІСТЬ ВІД прикладу 2 полягає в тому, що активацію водяною парою проводять при температурі 950°С до випалу бОмас % і окислюють пароповітряною сумішшю із вмістом водяної пари 20об % при температурі 400°С до випалу ЗОмас % Технологічні параметри одержання вуглецевого катюнообмінника наведені в таблиці 1, а його фізико-хімічні характеристики - у таблиці 2 Приклад 6 ВІДМІННІСТЬ ВІД прикладу 3 полягає в тому, що активацію водяною парою проводять при температурі 850°С до випалу 40мас % і окислюють пароповітряною сумішшю із вмістом водяної пари 20мас % при температурі 400°С до випалу ЗОмас % Технологічні параметри одержання вуглецевого катюнообмінника наведені в таблиці 1, а його фізико-хімічні характеристики - у таблиці 2 Приклад 7 ВІДМІННІСТЬ ВІД прикладу 1 полягає в тому, що активацію водяною парою проводять при температурі 950°С до випалу бОмас % і окислюють пароповітряною сумішшю із вмістом водяної пари 40об % при температурі 400°С до випалу ЗОмас % від маси активованого вугілля Технологічні параметри одержання вуглецевого катюнообмінника наведені в таблиці 1, а його фізико-хімічні характеристики - у таблиці 2 Приклад 8 ВІДМІННІСТЬ ВІД прикладу 2 полягає в тому, що активацію водяною парою проводять при температурі 850°С до випалу 40мас % і окислюють пароповітряною сумішшю із вмістом водяної пари 5об % при температурі 330°С до випалу 20мас % від маси активованого вугілля Технологічні параметри одержання вуглецевого катюнообмінника наведені в таблиці 1, а його фізико-хімічні 61810 характеристики - у таблиці 2 Приклад 9 (позамежні параметри одержання) ВІДМІННІСТЬ ВІД прикладу 2 полягає в тому, що активацію водяною парою проводять при температурі 1000°С до випалу 70мас % і окислюють пароповітряною сумішшю із вмістом водяної пари 50об % при температурі 430°С до випалу 15мас % від активованого вугілля Технологічні параметри одержання вуглецевого катіонообмінника наведені в таблиці 1, а його фізико-хімічні характеристики в таблиці 2 Приклад 10 (позамежні параметри одержання) ВІДМІННІСТЬ ВІД прикладу 3 полягає в тому, що активацію водяною парою проводять при температурі 800°С до випалу 70мас % і окислюють пароповітряною сумішшю із вмістом водяної пари 1об% при температурі 280°С до випалу 15мас% від маси активованого вугілля Технологічні параметри одержання вуглецевого катіонообмінника наведені в таблиці 1, а його фізико-хімічні характеристики - в таблиці 2 Як видно із експериментальних даних (приклад 1 - приклад 10), наведених у таблиці 1 і таблиці 2, пропонований спосіб забезпечує оптимальні характеристики катіонообмінника тільки за умови його одержання в межах технологічних параметрів, що заявляються Це дозволяє одержувати вуглецевий катюнообмінник з високими порометричними і сорбційними характеристиками Недотримання цих параметрів призводить до погіршення вищезгаданих показників У таблиці 3 наведені показники катіонообмінника, одержаного за заявленим винаходом та катіонообмінника за прототипом Порівняльний аналіз даних табл 1-табл 3, показує, що отриманий запропонованим способом вуглецевий катюнообмінник має високі порометричні і сорбційні властивості, а також селективний по відношенню катіонів важких металів Вибір меж діапазону випалу при активації (4060%) можна пояснити тим, що при величині випалу 60% процес характеризується досягненням достатньо високих значень СОЄ, але у цьому випадку зменшується вихід кінцевого продукту - антрацитового катіонообмінника Межі випалу при окисленні (20-30мас %) обумовлені досягненням малих значень СОЄ при ступені окислення 30%, але вихід готового продукту при цьому різко падає Вміст водяної пари обмежується інтервалом 320об % оскільки при заниженні цієї величини 20% надлишок водяної пари перешкоджає доступу повітря до поверхні антрациту, що окислюється І в тому, і в іншому випадку спостерігається заниження значень СОЄ Широка область використання вуглецевого катіонообмінника забезпечується за рахунок того, що готовий продукт може бути фракціонований на дві фракції Дрібна фракція (до 0,45мм) використовується як порошкоподібний адсорбент для очищення побутової води при ВОДОПІДГОТОВЦІ та очищенні стічних вод і органічних домішок Фракція з розміром частинок від 0,45 до 2,0мм застосовується в апаратах і використовується для очищення води, розчинів від органічних і мінеральних домішок у різних галузях промисловості Таблиця 1 Технологічні параметри одержання вуглецевого катіонообмінника із антрациту № п/п № досліду 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 10 9 10 Технологічні умови Фракція, активація окислення мм температура, випал, температу- ВМІСТ ВОДЯНОЇ випал (від маси активо- примітка % ра, °С пари, % ваного продукту), % °С 0,8-1,4 50 330 10 25 900 0,2-0,8 50 330 10 25 900 1,4-2 0 50 330 10 25 900 0,8-1,4 40 300 20 20 850 0,2-0,8 60 400 20 ЗО 950 1 4-2 0 40 400 20 ЗО 850 0,8-1,4 60 400 40 ЗО 950 0,2-0,8 40 330 5 20 850 позамежні 0,2-0,8 1000 70 430 50 15 умови позамежні 1,4-2,0 800 70 280 1 15 умови 61810 Таблиця 2 ФІЗИКО-ХІМІЧНІ характеристики вуглецевого катіонообмінника на основі антрациту № п/п N° досліду 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 Фракція, мм до 0,45 0,45-2,0 до 0,45 0,45-2,0 до 0,45 0,45-2,0 до 0,45 0,45-2,0 до 0,45 0,45-2,0 до 0,45 0,45-2,0 до 0,45 0,45-2,0 до 0,45 0,45-2,0 до 0,45 0,45-2,0 до 0,45 0,45-2,0 Об'єм пор CM'Vr Статична об'ємна ємність по бензолу по метанолу по0,1н NaOH, мг-екв/г 0,38 0,39 1,9 0,36 0,36 1,7 0,40 0,43 2,0 0,38 0,38 1,8 0,36 0,37 1,8 0,34 0,33 1,6 0,28 0,26 1,0 0,26 0,25 0,9 0,46 0,45 2,0 0,43 0,43 1,9 0,36 0,36 1,6 0,33 0,32 1,2 0,49 0 48 1,9 0,47 0,46 1,8 0,35 0,37 1,75 0,32 0 33 11 0,32 0,30 0,9 0,28 0,27 0,8 0,21 0,20 05 0,18 0,17 0,4 Сорбція ІОНІВ МІДІ (Свих=100мг/л),мг/г 14,9 13,6 16,0 15,2 14,1 12,6 8,1 7,3 16,5 14,0 11,8 10,2 14,8 14,2 13,9 9,1 6,1 5,6 3,5 3,1 Таблиця З Трудомісткість і характеристики катіонообмінника по заявленому способу і прототипу № п/п 1 2 3 Назва параметра По способу, що заявляється По прототипу 2 4 КІЛЬКІСТЬ ОСНОВНИХ технологічних стадій Досягнуті значення статичної обмінної ємності СОЄ, мг-екв/г Джерела використаної інформації 1 Тарковська І А , Горбенко Ф П , Шевченко С І Очищення реактивів високоселективним катюнообмінником - окисленим вугіллям «Методи аналізу ХІМІЧНИХ реактивів і препаратів», 1967, №14, Комп'ютерна верстка Т Чепелєва 0,8-2,2 84 Коефіцієнт вибірковості по МІДІ, % 0,8-2,0 85,5 с 28-33 2 Авторське свідоцтво СРСР №1600259, кл С01В31/16,1988 3 Авторське свідоцтво СРСР №869804, кл B01J20/20, 1981 (прототип) Підписне Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119