Способ получения гранулированного активного угля

 

Использование: сорбционная очистка водных и парогазовых сред, питьевой воды, сахарных сиропов, полупродуктов в производстве антибиотиков. Сущность: способ заключается в том, что гидролизный лигнин обезвоживают, смешивают с дисперсным гидролизным лигнином относительной влажности 5-15%, фракции менее 1 мм в количестве 5-25% в расчете на абсолютно сухой исходный материал, измельчают до степени дисперсности, соответствующей внешней удельной поверхности 2500-5000 см²/г, прессуют методом экструзии при давлении 100-500 кг/см², температура 60-90^oC и скорости экструзии 0,05-0,20 м/сек через формующие каналы матрицы с соотношением диаметра каналов к их длине 1:4-10. Гранулы лигнина подвергают сушке, карбонизации и парогазовой активации. Механическая прочность на истирание получаемого гранулированного активного угля - 76-89%, суммарная пористость (по воде) - 1,0-1,2 см³/г, осветляющая способность по йоду - 65-71%.

Изобретение относится к области получения углеродных сорбентов в процессе переработки растительного сырья, а именно к разработке технологии получения гранулированных активных углей из лигнина, являющегося отходом осахаривания древесного сырья.

Известен способ получения гранулированного угля из лигнина, включающий в себя обезвоживание сырья до влажности 58-62% добавление тонко измельченной фракции угля, прессование и термообработку гранул [4] Улучшения качества активного угля достигают добавлением пластификатора (щелочного раствора гуминовых кислот, лигносульфонатов) и тонким измельчением лигнина [1, 2] Увеличения осветляющей способности гранулированного активного угля из гидролизного лигнина [3] добиваются ограничением температурного режима стадии карбонизации гранул и применением определенного типа печей для активации угля.

Наиболее близким по технической сущности и взятым нами за прототип является способ получения гранулированного активного угля из лигнина [4] Способ заключается в отделение частиц лигнина крупнее 7 10 мм, обезвоживании сырья до остаточной влажности 58 62% добавлении к нему порошкообразного карбонизованного угля с размером частиц 60 -100 мк в количестве 5 15% формования гранул методом экструзии. Полученные гранулы подвергают сушке, карбонизации и парогазовой активации при температуре 850 900 ^oC. Прочность на истирание полученного гранулированного активного угля 82,3% насыпная плотность 447 г/л, суммарная пористость по воде 0,84 см³/г. В результате осуществления способа получают активный уголь с высокими выходом и прочностными характеристиками. Однако данная технология отличается сложностью осуществления вследствие необходимости дополнительной термообработки крупной фракции возвращаемого в процесс лигнина. Величина суммарной пористости получаемого сорбента недостаточна в случае использования его для очистки водных сред.

Задачей изобретения является получение активного угля с совокупностью высоких физико-механических и сорбционных свойств, необходимых для его многоциклового использования при очистке водных сред.

Задачу решают следующим образом. Исходный гидролизный лигнин после обезвоживания с целью дальнейшего снижения влажности смешивают с дисперсным гидролизным лигнином влажностью 5 15% и размером частиц менее 1 мм в количестве 5 25% от исходного абсолютно сухого сырья, подвергают измельчению до достижения внешней удельной поверхности 2500 5000 см²/г и прессуют методом экструзии при давлении 100 500 кг/см², температуре 60 - 90^oC и скорости экструзии 0,05 0,20 м/сек через формующие каналы матрицы при соотношении диаметра каналов к их длине 1 4 10. Полученные гранулы подвергают сушке, пиролизу и парогазовой активации.

Таким образом, новизна заявленного изобретения по сравнению с существующим уровнем техники состоит в ином приеме достижения оптимальной влажности и формования, иных режимах измельчения сырья и прессования лигнина.

Добавка высушенного дисперсного гидролизного лигнина позволяет снизить влажность сырья перед прессованием в той области, где механическое обезвоживание становится малоэффективным, и за счет увеличения коэффициента трения вызывает рост сопротивления продавливанию материала в формующих каналах (давления прессования) и увеличение прочности и плотности гранул, а в результате дальнейшей термообработке получение гранулированного активного угля с требуемым сочетанием физико-механических и сорбционных свойств.

Сочетание свойств сырья (влажность, химический состав, степень дисперсности) обеспечивает необходимые реологические характеристики лигнина, которые наряду с задаваемыми условиями экструзионного прессования создают вторичную пористую структуру гранул лигнина, развиваемую далее в ходе термической переработки материала.

Таким образом, изобретение отвечает требованиям "новизна" и "изобретательский уровень".

Заявляемые технологический режим переработки лигнина перед прессованием и сам процесс прессования обеспечивают достижение поставленной задачи. Добавление к сырью после обезвоживания высушенного дисперсного гидролизного лигнина повышает в 1,5 2,0 раза давление прессования и обеспечивает на 50 - 100% увеличение прочности гранул, необходимой для уменьшения их разрушения при термообработке и достижении требуемых физико-механических характеристик готового продукта. Увеличение количества добавки в расчете на абсолютно сухое вещество выше 25% нецелесообразно из-за резкого увеличения энергоемкости процесса прессования. Добавка лигнина в количестве менее 5% малоэффективна.

Заданная степень дисперсности добавки сухого гидролизного лигнина обусловлена необходимостью интенсивного перераспределения влаги в материале перед прессованием.

Измельчение гидролизного лигнина перед прессованием до степени дисперсности, характеризующейся величиной внешней удельной поверхности и равной 2500 5000 см²/г, дает возможность увеличить прочность сырых гранул на 30 80% Дальнейшее увеличение степени дисперсности материала нецелесообразно из-за снижения влияния этого фактора на качество гранул, а также низкой эффективности самого процесса измельчения. Снижение внешней удельной поверхности до величины менее 2500 см²/г осложняет процесс экструзионного прессования и уменьшает прочность лигниновых гранул из-за упругого последействия частиц сырья.

Отклонение от оптимального соотношения диаметра формующих каналов к их длине в меньшую сторону приводит к резкому снижению показателей плотности и прочности лигниновых гранул, а в большую сторону несущественному улучшению качества гранулированного продукта при значительном усложнении ведения процесса прессования.

Нагрев лигнина до температуры 60 90^oC на 30 40% увеличивает прочность лигниновых гранул по сравнению с холодным прессованием. Увеличение температуры прессования вышеуказанного интервала приводит к интенсивному выделению пара и потере устойчивости процесса.

Увеличение скорости экструзии гидролизного лигнина в формующих каналах более 0,20 м/сек вызывает значительное снижение прочности лигниновых гранул из-за недостаточности времени релаксации напряжений. Уменьшение скорости экструзии ниже 0,05 м/сек нетехнологично.

Изобретение поясняется примерами.

Пример 1. Исходных гидролизный лигнин с содержанием трудногидролизуемых полисахаридов 15% и лигногуминовых веществ 10% смешивают с оборотной водой и в виде пульпы с концентрацией взвешенных частиц 15% освобождают на вибросортировке от фракции более 4 мм и в инерционном осадительном аппарате от минеральных включений. Затем лигнин обезвоживают на фильтр-прессе до влажности 50% отн. и смешивают с 10% (в расчете не абсолютно сухой гидролизный лигнин) дисперсного материала, который отбирают на стадии сушки гранул лигнина и имеет размер частиц менее 0,2 мм и влажность 5% Обезвоженное сырье измельчают дол степени дисперсности, определяемой величиной внешней удельной поверхности, равной 5000 см²/г. Измельченный гидролизный лигнин прессуют в гранулы методом экструзии через матрицу с диаметром формующих каналов 2 мм длиной 8 мм при давлении 100 кг/см², температуре 60^oC и скорости экструзии 0,05 м/сек. Гранулы, имеющие механическую прочность на сжатие 2 кг/см², высушивают при температуре 200^oC до влажности 10 15% а затем подвергают карбонизации при 600^oC и парогазовой активации смесью дымовых газов и паров воды при 900^oC. Полученный гранулированный активный уголь характеризуется следующими параметрами: механическая прочность на истирание - 76% суммарный объем пор (по воде) 1,2 см³/г; осветляющая способность по йоду 65% Пример 2. Исходный гидролизный лигнин с содержанием трудногидролизуемых полисахаридов 30% и лигногуминовых веществ 15% смешивают с водой и в виде пульпы подвергают сортировке от крупных включение, деминерализации и обезвоживанию до влажности 50% После обезвоживания сырье перемешивают с дисперсным гидролизным лигнином влажностью 10% и размером частиц менее 0,8 мм, взятым в количестве 25% в расчете на абсолютно сухой исходный лигнин и измельчают до достижения внешней удельной поверхности 2500 см²/г. Полученную массу прессуют экструзионным методом через матрицу с диаметром формующих каналов 10 мм и длиной 100 мм при следующих технологических параметрах: давление прессования 500 кг/см², температуре 90^oC, скорости экструзии 0,20 м/сек. Полученные сырые гранулы имеют механическую прочность на истирание 0,4 кг/см². Сушку, пиролиз и парогазовую активацию гранул осуществляют при тех же технологических параметрах, что и в примере 1. Указанный режим обеспечивает получение продукта с механической прочностью 86% влагоемкостью 1,0 см³/г, осветляющей способностью по йоду 71% Пример 3. Гидролизный лигнин того же химического состава, что и в примере 2, механически обезвоживают до влажности 50% и смешивают с дисперсным гидролизным лигнином, характеризующимся размером частиц менее 1 мм и относительной влажностью 15% и взятым в количестве 5% от абсолютно сухого исходного материала. Полученную смесь измельчают до величины внешней удельной поверхности 4500 см²/г и прессуют через формующие каналы матрицы диаметром 3 мм и длиной 30 мм при давлении 500 кг/см², температуре 80^oC и скорости экструзии 0,10 м/сек. Лигниновые гранулы после формования имеют механическую прочность на сжатие 6,2 кг/см². Условия сушки и пиролиза гранул те же, что и в примере 1. Гранулированный уголь подвергают парогазовой активации смесью дымовых газов и паров воды при 850^oC. Полученный гранулированный активный уголь характеризуется следующими параметрами: механическая прочность на истирание 89% суммарная пористость (по воде) 1,04 см³/г, осветляющая способность по йоду - 67% Как видно из приведенных примеров, в результате реализации данного способа получают гранулированный активный уголь с совокупностью высоких показателей механической прочности и сорбционной активности, что дает возможность много цикловой работы сорбента при очистке водных сред, в частности в химико-фармацевтической промышленности, без существенного изменения его эксплуатационных характеристик.

Формула изобретения

Способ получения гранулированного активного угля, включающий обезвоживание лигнина, смешивание его с углеродсодержащей добавкой, прессование смеси, сушку гранул, их карбонизацию и парогазовую активацию, отличающийся тем, что смешиванию подвергают гидролизный лигнин и дисперсный гидролизный лигнин фракции менее 1 мм с относительной влажностью 5 15% взятый в количестве 5 25% в расчете на абсолютно сухой лигнин, после смешивания осуществляют измельчение до внешней удельной поверхности частиц 2500 5000 см²/г, прессование ведут экструзией через формующие каналы матрицы с соотношением диаметра канала и его длины 1 4 10 при давлении 100 500 кг/см², температуре 60 90^oС и скорости экструзии 0,05 - 0,20 м/с.