Способ получения активированного угля из отходов сельского хозяйства

Изобретение относится к области получения сорбентов. Предложен способ получения активированного угля из отходов ячменя. Отходы подвергают предварительной сушке при температуре 90-120°С в течение 2 часов с последующим подъемом температуры со скоростью 5-10°С в мин и карбонизации при 290-320°С в течение 7-15 минут. Способ позволяет получить сорбент с высокой емкостью и пористостью. 1 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к новому подходу получения активных углей (АУ) из отходов сельского хозяйства (шелуха ячменя и некондиционное зерно ячменя) при одностадийной карбонизации и относительно невысоких температурах (290-320°С) минуя процесс активации. Полученные таким образом АУ применяют в качестве сорбентов для очистки питьевой воды от красителей (фотокатализаторов-фотосенсибилизаторов) и гидросферы от нефтепродуктов. Новый способ позволяет повысить адсорбционную емкость и удельную поверхность за счет значительного увеличения объемов мезопор и макропор.

Известный способ получения АУ представляет собой метод пропускания исходных растительных материалов вдоль вертикального реактора сверху вниз против потока тепла, который идет снизу вверх (российские патенты: №20318449, №2041436).

Прототипом, наиболее близким к изобретению по технологической сущности, является способ получения активного угля из лузги риса (RS), состоящий в получении АУ при температуре 450-650°С в течение 15 мин (российский патент №RU 2036843, 6 С02F 1/28).

Недостатком способа, выбранного в качестве прототипа, является следующее. Активный уголь, полученный из лузги риса (RS) по режимам, указанным в прототипе, имеет большое количество мезопор и макропор (фиг.1) с радиусами R_мез=316 Å и R_мак=31622 Å. При температурах 450-600°С до 66% каркаса исходного материала разрушается в ходе процесса карбонизации. В результате такой обработки выход АУ составляет не более 23-30% активного угля с прочностью по истиранию не более 60%. Таким образом, полученные указанным способом углеродные сорбенты обладают узким спектром действия.

Цель изобретения: разработка способа получения АУ из отходов сельского хозяйства с низкой удельной плотностью (ρ=0,13-0,32 г/см³), высокой величиной мезопор (не менее 60%), при меньшей температуре карбонизации и меньшего времени пребывания материалов в реакторе, следовательно, при меньших затратах энергии и сырья с прочностью не менее 3,5-4,5 кг/см².

Сущность изобретения: поставленная цель достигается описываемым ниже способом обработки исходных материалов: шелухи ячменя и некондиционного зерна ячменя (примеры 1-10).

Способ заключается в следующем:

а) Проводится предварительная сушка сырья в горячем воздухе в течение 2 часов при Т=90-120°С.

б) Карбонизация подготовленного сырья проводится при Т=290-320°С в течение 7-15 минут со скоростью подъема температуры 5°С/мин. Использование указанных признаков в предложенном способе получения углей позволяет достичь высокого качества первичного угля - углеродных сорбентов, расширить возможность их применения не только для удаления нефтепродуктов от воды, но и для очистки воды от ионов тяжелых металлов, красителей и других органических веществ. При этом для получения углеродного сорбента используют отходы сельского хозяйства: шелуху ячменя и некондиционное зерно ячменя с предварительной сушкой сырья перед его карбонизацией. При этом значения радиусов мезопор и макропор составляют R_мез.=23-157 Å и R_{супермез}=1738 Å (фиг.2).

Отличительными признаками предложенного способа от известного является то, что предварительная сушка шелухи ячменя и некондиционного зерно ячменя приводится в горячем воздухе в течение 2 часов при Т=90-120°С, а карбонизация подготовленного сырья проводится при Т=290-320°С в течение 7-15 минут со скоростью подъема температуры 5°С/мин.

Пример 1: 20 дм³ шелухи ячменя периодический загружаются в цилиндрический реактор с размером 200/60 (мм) с последующей сушкой под горячим потоком воздуха при Т=90°С в течение 2 часов, затем реактор помещается в электрическую печь и проводится процесс карбонизации при Т=290°С в течение 10 мин. Время проведения карбонизации считается с момента достижения температуры Т=290°С. Скорость подъема температуры 5°С в минуту начиная со 120 до 290°С. Полученный уголь имеет удельную поверхность 298 м²/г, плотность d=0,320 г/см³ и адсорбционную емкость по метиленовому голубому 400,0 мл/г (начальная концентрация С°_н=0,002 г/л) за время 7 мин (в статических условиях) и 3 мин 15 сек (в динамических условиях), механическая прочность равна 3,75 кг/см².

Пример 2: 20 дм³ шелухи ячменя загружается в реактор (например 1) с последующей сушкой под горячим потоком воздуха при Т=120°С в течение 2 часов. Далее (примере 1) и проводили карбонизацию при Т=300°С в течение 10 мин. Скорость подъема температуры 5°С/мин. Полученный уголь имеет удельную поверхность 310 м²/г, плотность 0,26 г/см³ и адсорбционную емкость по метиленовому голубому 430,0 мл/г (С°_н=0,002 г/л) за 9 мин (в статических условиях) и 4 мин (в динамических условиях), механическая прочность 3,68 кг/см²

Пример 3: подход к процессу, как в примерах 1,2, но отличается температурой карбонизации Т=320°С, время карбонизации 7 мин. Скорость подъема температуры 5°С/мин. Полученный уголь имеет удельную поверхность 320 м²/г, удельную плотность 0,25 г/см³ и адсорбционную емкость по метиленовому голубому 460,0 мл/г (С°_н=0,002 г/л) за 6 мин (в статических условиях) и 3,5 мин (в динамических условиях), механическая прочность 3,46 кг/см².

Пример 4: подход к процессу, как в примере 3, но отличие в скорости подъема температуры (10°С/мин). Полученный уголь имеет поверхность 379 м²/г, удельную плотность 0,16 г/см³ и адсорбционную емкость по метиленовому голубому 485,0 мл/г (С°_н=0,002 г/л) за 10 мин (в статических условиях) и 7 мин (в динамических условиях), механическая прочность 3,75 кг/см².

Пример 5 подход к процессу как в примере 2, но отличие в скорости подъема температуры (10°С/мин). Полученный уголь имеет поверхность 400 м²/г, удельную плотность 0,21 г/см³ и адсорбционную емкость по метиленовому голубому 500,0 мл/г (С°_н=0,002 г/л) за 8 мин (в статических условиях) и 3 мин (в динамических условиях), механическая прочность 4,5 кг/см².

Пример 6, 7: подход к процессу как в примере 1, но отличается температурой сушки исходных материалов под горячим потоком воздуха Т=110°С, однако примеры 6 и 7 отличаются скоростью подъема температур: 10°C/мин и 5°C/мин.

Полученные угли (АС_{6, 7}) имеют удельную поверхность 373 и 390 м²/г, удельную плотность 0,15 и 0,14 г/см³ и адсорбционную емкость по метиленовому голубому 480,0 и 460,0 мл/г (С°_н=0,002 г/л),а механическая прочность составляет ≈4,0-4,3 кг/см² соответственно.

Пример 8, 9, 10: подход к процессу, как в примере 2, но отличается температурой сушки исходных материалов Т=100°С, время карбонизации (t=15 мин) однако примеры 8,9 и 10 отличаются скоростью подъема температур: 15-20-25°С/мин соответственно.

Полученные угли (AC_{8, 9, 10}) имеют удельную поверхность 370, 345 и 305 м²/г, удельную плотность 0,23; 0,24 и 0,30 г/см³ и адсорбционную емкость по метиленовому голубому 420,0; 400,0 и 380,0 мл/г (С°_н=0,002 г/л),а механическая прочность составляет 3,98; 3,9 и 3,8 кг/см² соответственно. Характеристики полученных нами углей приведены в таблице:

Образцы АУ	Т°С карб.	τ мин карб.	Vподъема °С/мин	Sуд м2/г	αад. емк мл/г*	αад.емк г/г**	ρ г/см3	Рмех. проч
АС1	290	10	5	298	400	6.3	0,32	3,70
АС2	300	10	5	310	430	6,5	0,26	3,68
АС3	320	10	5	320	460	6,2	0,25	3,46
AC4	300	10	10	379	485	5,3	0,16	3,75
AC5	300	7	10	400	500	4,5	0,13	4,50
АС6	290	10	10	373	480	5,2	0,15	4,00
АС7	290	10	5	390	460	4,8	0,14	4,30
AC8	290	10	15	370	420	5,4	0,23	3,98
AC9	300	15	20	345	400	5,5	0,24	3,90
AC10	300	15	25	305	380	5,6	0,30	3,80
Прототип	500			33,4	123	3,7	0,39	1,98
* - Адсорбционная емкость по метиленовому голубому. ** - Адсорбционная емкость по нефти.

Способ получения активированного угля из отходов сельского хозяйства, включающий их карбонизацию, отличающийся тем, что в качестве отходов используют шелуху и некондиционное зерно ячменя, которые предварительно сушат до 90-120°С до постоянного веса, затем повышают температуру со скоростью 5-10°С в мин до температуры карбонизации и проводят карбонизацию при 290-320°С в течение 7-15 мин.