Способ получения пористого углерод-углеродного материала для производства гемо- и энтеросорбента
Владельцы патента RU 2275237:
Институт проблем переработки углеводородов Сибирского отделения Российской академии наук (ИППУ СО РАН) (RU)
Изобретение относится к технологии получения углеродных адсорбентов, в частности, гемо- и энтеросорбентов для использовании в медицинской промышленности и клинической практике. Осуществляют пиролитическое уплотнение нагретого до 700-900°С подвижного слоя гранулированной сажи с удельной поверхностью 35-80 м2/г путем подачи в слой сажи газообразных или парообразных углеводородов и отложении на частицах сажи слоев пиролитического углерода в две стадии. Сначала сажу уплотняют до достижения насыпной плотности гранул 0,45-0,65 г/см3, затем выделяют фракцию гранул, имеющих диаметр 0,50-1,20 мм, которую уплотняют до достижения насыпной плотности 0,95-1,05 г/см3. После этого проводят активацию движущегося слоя материала водяным паром при температуре слоя 800-900°С до достижения суммарного объема пор продукта 0,3-0,5 см3/г. Способ позволяет получить материал с однородными по размеру гранулами и сниженным содержанием пыли внутри пор и на поверхности гранул. 2 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к технологии получения углеродных адсорбентов, в частности гемо- и энтеросорбентов, которые используются в медицинской промышленности и клинической практике.
Известен способ получения углеродного материала для производства гемо- и энтеросорбента ФАС, основанный на использовании в качестве сырья синтетического мономера-фурфурола. Получение сферических гранул углеродного сорбента осуществляют путем жидкостного формирования гранул фурфурола, их карбонизацию и парогазовую активацию с последующей отмывкой материала дистиллированной водой. Технология производства ФАС включает также стадии деминерализации углей с использованием растворов кислот и щелочей и обеспыливания путем обработки растворами ПАВ. (Автореферат диссертации на соискание ученой степени, доктор химических наук Картель Н.Т., Киев, 1989 г.; ТУ 6-16-3096-89; Временная фармакопейная статья ВФС 42-2843-94).
Недостатком известного способа получения углеродного материала для производства гемо- и энтеросорбента является образование в процессе деминерализации и обеспыливания готового продукта большого количества сточных вод, содержащих кислоты, щелочи и растворы ПАВ различной природы, что отрицательно влияет на состояние окружающей среды.
Известен способ получения углерод-углеродного материала, который используют в качестве сырья для производства гемосорбента, включающий пиролитическое уплотнение гранулированной сажи ПМ-50 путем подачи в нагретый до 900-1100°С и вращающийся слой сажи потока газообразных или парообразных углеводородов до достижения насыпной плотности 0,8-1,0 г/см3 с последующей высокотемпературной активацией материала водяным паром. (Авторское свидетельство СССР №1319475, 31/08, B 01 J 20/20).
Недостатком указанного способа является наличие трудноудаляемой пыли в порах и на поверхности полученных гранул углеродного материала, а также недостаточно высокая производительность оборудования.
Целью настоящего изобретения является повышение производительности оборудования и технологии и получение материала с однородными по размеру гранулами и сниженным содержанием пыли внутри пор и на поверхности гранул.
Предлагаемый способ получения пористого углерод-углеродного материала для производства гемо- и энтеросорбента включает пиролитическое уплотнение нагретого до 700-900°С подвижного слоя гранулированной сажи с удельной поверхностью 35-80 м2/г путем подачи в слой сажи газообразных или парообразных углеводородов и отложении на частицах сажи слоев пиролитического углерода. Причем пиролитическое уплотнение гранулированной сажи проводят в две стадии. Сначала сажу уплотняют до достижения насыпной плотности гранул 0,45-0,65 г/см3, затем из общей массы материала выделяют фракцию гранул, имеющих диаметр 0,50-1,20 мм, которую уплотняют до достижения насыпной плотности 0,95-1,05 г/см3. После этого проводят активацию движущегося слоя материала водяным паром при температуре слоя 800-900°С до достижения суммарного объема пор продукта 0,3-0,5 см3/г.
Отличительными признаками предлагаемого технического решения является проведение пиролитического уплотнения подвижного слоя гранулированной сажи с удельной поверхностью 35-80 м2/г в две стадии. На 1-й стадии гранулы сажи уплотняют до достижения насыпной плотности 0,45-0,65 г/см3, затем проводят выделение фракции гранул диаметром 0,50-1,20 мм, которые на 2-й стадии уплотняют до достижения насыпной плотности 0,95-1,05 г/см3.
Другим отличием предлагаемого способа является использование в качестве подложки гранулированной сажи с удельной поверхностью 35-80 м2/г.
Еще одним отличием предлагаемого изобретения является проведение активации гранул после их уплотнения при температуре слоя 800-900°С до достижения суммарного объема пор продукта 0,3-0,5 см3/г.
Предлагаемая совокупность существенных признаков позволит существенно повысить производительность оборудования и получить продукт с однородными по свойствам гранулами и низким содержанием пыли, которая легко удаляется с минимальными затратами труда и материалов.
В промышленном процессе производства углерод-углеродного материала условия изотермичности, как правило, не соблюдаются, и по высоте слоя существует градиент температур (до 100°С), обусловленный сегрегацией гранул по размерам. В результате сегрегации загружаемая масса гранулированной сажи (0,2-6,0 мм) делится на несколько слоев, находящихся в неодинаковых температурных условиях. При этом не происходит равномерного перемешивания слоя подложки. Гранулы крупных размеров образуют верхний слой перемешиваемой массы и имеют наибольшую температуру, гранулы размером 1,0-3,0 мм занимают положение прослойки между мелкими 0,2-1,0 мм и крупными гранулами и имеют более низкую температуру вследствие низкой теплопроводности сажи. Кроме того, градиент температур усиливается за счет введения газообразных или парообразных углеводородов с относительно низкой температурой. При этом мелкие гранулы, находящиеся на дне реактора, оказываются в наименее низких температурных условиях. Отсюда при реализации процесса уплотнения скорости науглероживания различных фракций различны и при заданной продолжительности процесса каждая фракция имеет отличные друг от друга значения насыпной плотности. В результате продукт получается неоднородным. Для повышения однородности продукта проводят пиролитическое уплотнение сажи в две стадии. На первой стадии уплотнение гранул сажи ведут до достижения насыпной плотности 0,45-0,65 г/см3, затем процесс прерывают. Из общей массы материала выделяют узкую фракцию гранул размером 0,50-1,20 мм и продолжают науглероживание этой фракции до достижения насыпной плотности 0,95-1,05 г/см3, что позволяет провести процесс в наиболее оптимальных температурных условиях. Этим обеспечивается необходимая однородность целевого продукта, резко снижается содержание скрытой и поверхностной пыли и повышается производительность оборудования.
При этом прерывание процесса при достижении насыпной плотности 0,45-0,65 г/см3 обусловлено выбранным температурным режимом ведения процесса, при котором поддерживается температура слоя в пределах 700-900°С. Прерывание процесса при достижении определенной величины насыпной плотности материала дает возможность выделения целевой фракции и повышает эффективность процесса за счет экономии углеводородного газа, который термически разлагается с отложением пироуглерода на частицах гранул целевой фракции.
При этом снижение величины насыпной плотности отбираемых для дальнейшей обработки гранул ниже 0,45 г/см3 может привести к частичному их разрушению и снижению эффективности процесса.
Отбор гранул с насыпной плотностью выше 0,65 г/см3 лимитируется повышением расхода углеводородного газа.
Выбор фракции гранул размером 0,50-1,20 мм обусловлен тем, что эта фракция является предпочтительной при производстве качественного гемо- и энтеросорбента.
Насыпная плотность гранул целевого продукта в пределах 0,95-1,05 г/см3 обеспечивает гранулам высокую механическую прочность, которая диктуется требованиями, предъявляемыми потребителями при его использовании в медицинской практике в качестве сорбента, особенно в качестве гемосорбента.
Этим же обусловлен размер суммарного объема пор материала в пределах 0,3-0,5 см3/г, позволяющих обеспечить при его использовании в качестве изделия медицинской техники и лекарственного средства эффективную сорбцию токсических веществ средней и высокой молекулярной массы.
Температурный интервал процесса активации в пределах 800-900°С обусловлен требованиями к качеству получаемого продукта и экономическими параметрами технологического процесса.
Эффективность предлагаемого способа и необходимость режимов его осуществления для достижения цели иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1 (по прототипу). Гранулированную сажу в количестве 1 кг с удельной поверхностью 50 м2/г загружают во вращающийся барабан диаметром 320 мм и длиной 500 мм. В газовую горелку предварительного смешения подают углеводородный газ в количестве 0,4 нм3/ч и воздух в количестве 23,0 нм3/ч. При достижении в барабане температуры 850°С под слой сажи в течение 5 часов подают 0,425 м3/ч углеводородное сырье (смесь пропан-бутана).
После науглероживания получают продукт со следующими характеристиками:
| Насыпная плотность | 0,95 г/см3 |
| Суммарный объем пор | 0,01 см3/г |
| Фракционный состав гранул | 0,3-2,0 мм |
После этого под слой материала подают 3,0 кг/ч водяного пара в течение 5 часов. Гранулы полученного конечного продукта имеют суммарный объем пор 0,35 см3/г.
После этого полученный образец подвергают гидромеханической обработке дистиллированной водой в течение 36 часов, продукт выделяют из суспензии и подвергают анализу методом светопропускания.
В результате получено, что светопропускание суспензии образца в растворе ПАВ после 1-минутного встряхивания составляет 82%, а после 30-минутного встряхивания - 65%. Это является свидетельством наличия в исследуемом образце скрытой пыли, что может негативно сказаться при использовании данного материла в качестве гемосорбента при лечении, например, перитонита.
Пример 2. Проводят получение адсорбента по примеру 1, но при этом поддерживается температура слоя сажи, равная 800°С, и в качестве подложки используют сажу с удельной поверхностью 47 м2/г. После достижения насыпной плотности материала 0,50 г/см3 процесс науглероживания прерывают. Продукт охлаждают и производят выделение фракции гранул с размером гранул 0,5-1,2 мм, которые загружают в реактор и продолжают процесс уплотнения.
После науглероживания получают продукт со следующими характеристиками:
- насыпная плотность - 0,98 г/см3;
- суммарный объем пор - 0,01 см3/г;
- фракционный состав гранул - 0,5-1,2 мм
При достижении насыпной плотности материала 0,95-1,05 г/см3 при поддержании температуры слоя 800°С начинают активацию материала водяным паром, подаваемым под слой сажи в количестве 3,0 кг/ч в течение 5 часов.
Гранулы полученного конечного продукта имеют суммарный объем пор 0,5 см3/г.
Образец материала, полученный по примеру 2, подвергли гидромеханической обработке дистиллированной водой в течение 8 часов.
В результате: светопропускание суспензии образца в растворе ПАВ после 1-минутного встряхивания составляет 90%, а после 30-минутного встряхивания - 86%, что свидетельствует о практически полном отсутствии в исследуемом образце скрытой пыли.
Степень обеспыливания материала определяют с использованием концентрационного фотоэлектроколориметра КФК-2 по различию величин светопропускной способности свежеприготовленной суспензии образцов, полученных различными способами, в растворе ПАВ.
Применение изобретения в промышленности, медицинской технике и клинической практике позволит повысить производительность изготовления готовых форм гемо- и энтеросорбента, а также улучшить клинические свойства гемосорбента, ликвидируя возможность попадания пыли в кровяное русло.
1. Способ получения пористого углерод-углеродного материала для производства гемо- и энтеросорбента, включающий уплотнение нагретого до 700-900°С подвижного слоя гранулированной сажи пиролитическим углеродом путем подачи в слой сажи газообразных или парообразных углеводородов, активацию движущегося слоя материала водяным паром, отличающийся тем, что пиролитическое уплотнение слоя гранулированной сажи ведут сначала до достижения насыпной плотности продукта 0,45-0,65 г/см3, затем проводят выделение фракции гранул размером 0,50-1,20 мм, которые уплотняют до достижения насыпной плотности 0,95-1,05 г/см3.
2. Способ получения пористого углерод-углеродного материала для производства гемо- и энтеросорбента по п.1, отличающийся тем, что гранулированная сажа, используемая в качестве подложки, имеет удельную поверхность 35-80 м2/г.
3. Способ получения пористого углерод-углеродного материала для производства гемо- и энтеросорбента по пп.1 и 2, отличающийся тем, что активацию гранул после их уплотнения ведут при температуре слоя 800-900°С до достижения суммарного объема пор продукта 0,3-0,5 см3/г.
