Способ получения дробленого активного угля из скорлупы орехов

 

Изобретение относится к технологии получения активного угля, который может быть использован при очистке питьевой воды, водоподготовке, в медицинской и пищевой промышленности, а также в качестве носителя каталитических добавок. Предлагается способ получения дробленого активного угля из скорлупы орехов, включающий карбонизацию, термическую обработку при температуре 780-850°С в течение 15-24 часов, подачу угля без охлаждения на активацию, которую ведут при 920-1050°С водяным паром при его расходе, равном 8,5-12,0 кг/кг активного угля. Активный уголь, получаемый по предложенному способу, характеризуется повышенными показателями адсорбционной емкости при очистке водных сред от аммиака. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к технологии получения активного угля (а.у.), который может быть использован при очистке питьевой воды, а также в медицине, пищевой промышленности и в качестве носителя каталитических добавок.

Известен способ получения активного угля из скорлупы кокосового ореха и плодов масляничной пальмы путем карбонизации в вакууме при остаточном давлении менее 1,0 мм рт. столба, последующей активации и рассеве (см. заявку Великобритании № 20868667, опубл. 19.05.1982, кл. С 01 В 31/08).

Недостатком известного способа является значительная сложность аппаратуры и технологического процесса, низкий выход готового продукта и узкий спектр пористой структуры получаемых а.у.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения активного угля, включающий карбонизацию скорлупы орехов или плодовых косточек при температуре 750°С со скоростью подъема температуры 30-50°С/мин, охлаждение карбонизата (с содержанием летучих не более 15%), дробление до размеров частиц 0,5-3,5 мм, активацию смесью водяного пара и диоксида углерода при температуре 820-870°С (см. пат. РФ № 2105714, опубл. 27.02.98, кл. С 01 В 31/10, C 01 J 20/20).

Недостатком известного способа является низкая активность получаемого активного угля по сорбции аммиака из воды.

Другим недостатком является низкая прочность получаемого угля.

Целью изобретения является повышение адсорбционной емкости активного угля по низкомолекулярным веществам, таким как аммиак, а также повышение механической прочности.

Цель достигается предлагаемым способом, включающим карбонизацию скорлупы орехов, термообработку карбонизата при температуре 780-850°С в течение 15-24 часов, подачу угля без охлаждения на активацию, которую ведут при температуре 920-1050°С водяным паром при его расходе, равном 8,5-12,0 кг/кг активного угля.

Отличие предлагаемого способа от прототипа состоит в том, что перед активацией карбонизат выдерживают при температуре 780-850°С в течение 15-24 часов, а затем без охлаждения подвергают активации водяным паром при 920-1050°С при его расходе 8,5-12,0 кг/кг а.у.

Осуществление термической обработки карбонизованного продукта при 780-850°С в течение 15-24 часов в практике синтеза активных углей из растительного сырья неизвестно.

Неизвестен и способ проведения активации без предварительного охлаждения угля в избытке водяного пара 8,5-12,0 кг пара на 1 кг а.у. при температуре 920-1050°С.

В настоящее время с возрастанием хозяйственной деятельности человека в районах водозаборов наблюдается повышенное содержанием аммиака в воде, который ухудшает как качество самой воды так и получаемых на ее основе пищевых продуктов (например, водки, ликеро-водочных изделий и др.).

Используемые для процессов адсорбционной очистки воды известные активные угли имеют низкую активность по этому высокоодорантному загрязнителю, характеризующемуся малой величиной молекулы. Это связано с тем, что известные методы синтеза углеродных сорбентов не дают возможности получать тонкопористые активные угли с высоким соотношением более 0,65.

Специальные исследования показали, что для изготовления таких углей необходимо использовать особо плотное растительное сырье, а именно кокосовый орех.

Сущность предложенного способа состоит в следующем.

Берут скорлупу кокосового ореха с размером частиц 0,6-2,8 мм и подвергают карбонизации до температуры 650°С, затем карбонизат помещают в печь и без доступа воздуха нагревают до 780-850°С. В этих условиях продукт выдерживают 15-24 часа, затем, не охлаждая, направляют на активацию, которую ведут при температуре 920-1050°С водяным паром при его расходе 8,5-12,0 кг/кг а.у. до соотношения , равного 0,65-0,85, что регулируется как степенью заполнения печи углем, так и скоростью его выгрузки. После охлаждения до комнатной температуры при определенных условиях уголь рассеивают на фракции и анализируют.

В предложенном способе пористая структура углеродного адсорбента формируется как за счет уплотнения углеродного каркаса на стадии термической обработки, проводимой при относительно высоких температурах и длительной выдержки в ней, так и на стадии активации, куда попадает уже уплотненный до Δ=600-610 г/дм³ продукт без предварительного охлаждения (которое, как известно, имеет место во всех традиционных технологических процессах синтеза а.у.). Избыток активатора - водяного пара, удаляя с большой скоростью продукты активации, обуславливает в сочетании с другими факторами (например, степенью заполнения реактора, скоростью выгрузки готового угля, режимом охлаждения и т.д.) осуществление окислительной реакции С+Н₂О→СО+Н₂ в направлении образования значительных объемов мелких микропор и небольших объемов других разновидностей пористой структуры (супермикропор, мезопор, макропор) при соотношении равном 0,65-0,85, что не может быть достигнуто другими методами.

Следующие примеры поясняют сущность изобретения.

Пример 1. Берут 5 кг скорлупы кокосового ореха с размером частиц 0,6-2,8 мм и подвергают ее карбонизации до температуры 650°С. После чего карбонизат помещают в печь и без доступа воздуха нагревают до 780°С. В этих условиях продукт выдерживают 15 часов, затем не охлаждая, направляют на активацию, которую ведут при температуре 920°С водяным паром при его расходе 8,5 кг/кг активного угля. Регулируя степень заполнения объема печи и скорость выгрузки угля из нее, активацию ведут до соотношения равного 0,65, после охлаждения до 40-50°С уголь выгружают и рассеивают на ситах: верхнее 2,5, а нижнее 0,5 мм. Оценку активности полученного адсорбента по аммиаку проводят по ГОСТ 2874-87. Емкость полученного угля по NН₃ составила 16 мг/г (при концентрации аммиака в растворе, равной 15 мг/г) механическая прочность (ГОСТ 16188-70) - 93%, V_МИ=0,50 см³/г, VΣ=0,76 см³/г.

Аналогичные показатели для угля, изготовленного по прототипу, пат. РФ № 2105711, составляют 3,5 мг/г и 85% соответственно.

Пример 2. Процесс проводят как в примере 1, за исключением того, что термообработку ведут при 850°С в течение 24 часов, а активацию осуществляют при 1050°С водяным паром при расходе 12,5 кг на 1 кг готового а.у.

Полученный уголь имеет адсорбционную активность по аммиаку, равную 17,8 мг/г, механическую прочность - 95,2%, V_МИ=0,60 см/г, VΣ=0,80 см/г.

Пример 3. Процесс проводят как в примере 1, за исключением того, что термообработку ведут при 815°С в течение 19,5 часов, а активацию осуществляют при 885°С при расходе водяного пара, равном 9,25 кг/кг а.у.

Адсорбционная активность по аммиаку изготовленного а.у. составляет 16,9 мг/г, механическая прочность 96,0%, V_МИ=0,56 см³/г, VΣ=0,74 см³/г.

Эксперименты по влиянию режима термообработки показали, что при температурах ниже 780°С формируется более крупнопористая структура у получаемых а.у., вследствие незначительной усадки (т.е. перегруппировки атомов углерода в сторону их уплотнения), в то же время повышение температуры выше 850°С приводит к такой усадке, когда имеет место резкое уплотнение углеродного каркаса, приводящее к развитию микропор, размеры которых столь малы, что становятся недоступными для аммиака в водном растворе.

Аналогичный механизм формирования микропористой структуры установлен для а.у. из скорлупы кокосового ореха при выходе за временные пределы выдержки продукта при этих температурах.

Время выдерживания угля на стадии его усадки, равное 15-24 часам, обеспечивает требуемое развитие системы сорбирующих микропор.

Наряду с режимом термообработки, процесс активации должен осуществляться строго в пределах параметров, указанных в примерах 1-3.

Увеличение температуры активации выше 1050°С, так же как и увеличение расхода водяного пара выше 12,0 кг/час обуславливают снижение механической прочности получаемого а.у. вследствие его растрескивания и выгорания перегородок между порами.

Проведение активации при температурах ниже 920°С не обеспечивает повышения адсорбционной емкости получаемых а.у. по аммиаку, вследствие недостаточного развития объемов мелких микропор.

Изменение пределов дозировки водяного пара ведет (при меньших расходах, чем 8,5 кг/кг) к уменьшению емкости поглощения аммиака, а (при больших чем 12,0 кг/кг) отмечено снижение показателей как по емкости поглощения аммиака, так и его механической прочности.

Как экспериментальный факт было установлено, что лучшие результаты обеспечиваются только при непосредственной подаче термообработанного продукта в зону активации. Охлаждение его перед загрузкой способствует значительному ухудшению емкости поглощения по низкомолекулярным веществам типа NН₃. Это происходит, по-видимому, из-за обратимости процесса перегруппировки атомов углерода.

Исследования показали также, что процесс активации должен осуществляться до соотношения объема микропор к суммарному объему пор, равного 0,65-0,85.

Из изложенного следует, что каждый из признаков в большей или меньшей степени влияет на достижение поставленной цели, а именно: повышение адсорбционной активности угля по аммиаку при его высокой механической прочности. Это обеспечивает эффективное использование получаемых углей для очистки питьевой воды, что в современных условиях загрязнения окружающей среды имеет огромное значение.

Формула изобретения

1. Способ получения дробленого активного угля, включающий карбонизацию скорлупы орехов, активацию, охлаждение и рассев готового продукта, отличающийся тем, что после карбонизации осуществляют термообработку карбонизата без доступа воздуха при температуре 780-850°С в течение 15-24 ч, после чего неохлажденный продукт подают на активацию водяным паром при 920-1050°С при расходе водяного пара, равном 8,5-12,0 кг/кг угля.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют скорлупу кокосового ореха.