Способ получения активного угля

Изобретение относится к способу получения активного угля на основе полимерных композиционных материалов и может быть использовано в жидкофазных и газофазных сорбционных технологиях. В качестве исходного сырья используют твердый композит полиамида со связующим, который пропитывают раствором гидроксида калия. Коэффициент пропитки композита гидроксидом калия составляет 1:(1,4-1,6). Далее проводят термообработку со скоростью нагрева 10-15°С/мин до конечной температуры 650-720°С. В качестве сырья используют твердый композит, содержащий 75-80 масс. % волокон полиамидбензимидазола и 20-25 масс. % эпоксидной смолы ЭД-20 в качестве связующего, измельчённый до размера зерен 0,5-3,0 мм. Изобретение позволяет повысить адсорбционную способность активного угля при сорбции из воды бензола и толуола. 2 з.п. ф-лы, 3 пр.

 

Изобретение относится к способу получения активного угля на основе полимерных композиционных материалов и может быть использовано в жидкофазных и газофазных сорбционных технологиях.

Известен способ получения дробленого активного угля на основе сополимеров фурфурола и эпоксидной смолы, включающий смешение фурфурола с эпоксидной смолой и серной кислотой, отверждение смеси, карбонизацию и активацию, причем отверждение проводят путем выдерживания смеси при 150-170°С в течение 12-15 часов, после чего осуществляют дробление брикета с получением зерен размером 0,2-3,5 мм, которые подвергают карбонизации при 450-500°С в потоке углекислого газа и активируют до достижения обгара 55-62% (см. Пат. РФ №2404919, кл. С01В 31/08, опубл. 27.11.2010).

Недостатком известного способа является опасность токсичных газовыделений продуктов термической деструкции серной кислоты.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения активного угля, включающий нагревание материала на основе волокна из ароматического полиамида в инертной среде с последующей выдержкой и охлаждением, причем перед нагреванием материал измельчают, пропитывают 25-50%-ным раствором гидроксида калия и сушат при температуре не выше 40°С, нагревание ведут до 500-600°С со скоростью подъема температуры 4-7°С/мин с выдержкой при конечной температуре 30-60 мин и после охлаждения осуществляют отмывку водой до нейтрального рН и сушку (АС СССР №1791377 Кл. С01В 31/08, опубл. 30.01.1989).

Целью изобретения является повышение адсорбционной активности получаемого активного угля по извлечению бензола и толуола из воды.

Поставленная цель достигается предлагаемым способом, включающим измельчение исходного сырья, его пропитку раствором гидроксида калия, сушку при температуре не выше 40°С, термическую обработку в токе азота с выдержкой при конечной температуре, охлаждение, отмывку дистиллированной водой до нейтрального рН и окончательную сушку, при этом в качестве исходного сырья используют твердый композит полиамида со связующим, коэффициент пропитки композита гидроксидом калия составляет 1:(1,4-1,6), термообработку ведут со скоростью нагрева 10-15°С/мин до конечной температуры 650-720°С, а в качестве исходного сырья используют твердый композит, содержащий 75-80 масс. % волокон полиамидбензимидазола и 20-25 масс. % эпоксидной смолы ЭД-20 (по ГОСТ 10587-84) в качестве связующего, и исходный твердый композит измельчают до размера зерен 0,5-3,0 мм.

Отличие предлагаемого способа от прототипа состоит в том, что в качестве исходного сырья используют твердый композит полиамида со связующим, коэффициент пропитки композита гидроксидом калия составляет 1:(1,4-1,6), термообработку ведут со скоростью нагрева 10-15°С/мин до конечной температуры 650-720°С, а в качестве исходного сырья используют твердый композит, содержащий 75-80 масс. % волокон полиамидбензимидазола и 20-25 масс. % эпоксидной смолы ЭД-20 в качестве связующего, и исходный твердый композит измельчают до размера зерен 0,5-3,0 мм.

Авторам из научно-технической и патентной литературы не известен способ получения дробленого активного угля, в котором в качестве исходного сырья используют твердый композит полиамида со связующим, коэффициент пропитки композита гидроксидом калия составляет 1:(1,4-1,6), термообработку ведут со скоростью нагрева 10-15°С/мин до конечной температуры 650-720°С, а в качестве исходного сырья используют твердый композит, содержащий 75-80 масс. % волокон полиамидбензимидазола и 20-25 масс. % эпоксидной смолы ЭД-20 в качестве связующего, и исходный твердый композит измельчают до размера зерен 0,5-3,0 мм.

Анализ сточных вод нефтехимических производств показывает, что характерными примесями в них являются бензол и толуол. Для поглощения из водных растворов ароматических углеводородов такого типа активными углями в них необходимо развивать достаточный объем сорбирующих микро- и мезопор с энергетически высоким адсорбционным потенциалом. При получении активных углей на основе полиамидных материалов модифицирование исходного материала перед термической обработкой гидроксидом калия в виде раствора приводит к его взаимодействию с функциональными группами полиамида, обусловливающему эффективное проникновение ионов калия в структуру композита. При этом на стадии термической обработки калий внедряется в межплоскостную структуру образующихся кристаллитов, что должно обеспечивать образование тонких микропор, благоприятных для сорбции бензола и толуола. Однако конкретные эффективные режимы операций модифицирования, термической обработки и отмывки могут быть установлены только экспериментально.

Способ осуществляют следующим образом.

Берут фрагменты твердого композита полиамида и измельчают их до размеров зерен 0,5-3,0 мм. Затем зерна подвергают пропитке раствором гидроксида калия концентрацией 40 масс. %, обеспечивая массовое соотношение композита и гидроксида калия в пределах 1:(1,4-1,6). Продукт пропитки сушат при 35-40°С в течение 30-35 часов, после чего продукт нагревают в токе азота со скоростью нагрева 10-15°С/мин до конечной температуры 650-720°С и выдерживают при ней 40-60 мин. Затем материал промывают дистиллированной водой до нейтрального рН и сушат в сушильном шкафу при 110-115°С в течение 2 часов. Готовый активный уголь выгружают, охлаждают и оценивают его адсорбционную активность при извлечении бензола и толуола из их водных растворов концентрацией 1 ммоль/л. Полученный активный уголь имел адсорбционную способность по бензолу 3-4 ммоль/г и по толуолу 4-6 ммоль/г.

Пример 1.

Берут 1 кг фрагментов отвержденного композита, содержащего 75 г волокон полиамидбензимидазола и 25 г эпоксидной смолы ЭД-20, и измельчают их до размера зерен 0,5-3,0 мм. Затем зерна подвергают пропитке раствором гидроксида калия концентрацией 40%, обеспечивая соотношение композита и гидроксида калия 1:1,4. Продукт пропитки сушат при 40°С в течение 30 часов, после чего нагревают в токе азота со скоростью 10°С/мин. до конечной температуры 650°С и выдерживают при ней 40 мин. После этого обуглероженный материал промывают дистиллированной водой до нейтрального рН и сушат в сушильном шкафу при 110°С в течение двух часов. Готовый активный уголь выгружают, охлаждают и оценивают его адсорбционную способность по бензолу и толуолу при их извлечении из растворов концентрацией 1 ммоль/л. Его адсорбционная способность составила 3 ммоль/г по бензолу и 4 ммоль/г по толуолу.

Пример 2.

Осуществление процесса как в примере 1, за исключением того, что при пропитке обеспечивают соотношение композита, содержащего 80 г волокон полиамидбензимидазола и 20 г эпоксидной смолы ЭД-20, и гидроксида калия 1:1,6, нагрев высушенного продукта осуществляют со скоростью 15°С/мин до конечной температуры 720°С и выдерживают при ней 60 мин. Готовый активный уголь имел адсорбционную активность по бензолу и толуолу при извлечении из растворов концентрацией 1 ммоль/л 3,8 и 5,2 ммоль/г соответственно.

Пример 3.

Осуществление процесса как в примере 1, за исключением того, что при пропитке обеспечивают соотношение композита, содержащего 80 г волокон полиамидбензимидазола и 20 г эпоксидной смолы ЭД-20, и гидроксида калия 1:1,5, нагрев высушенного продукта осуществляют со скоростью 12°С/мин до конечной температуры 700°С и выдерживают при ней 60 мин. Готовый активный уголь имел адсорбционную активность по бензолу и толуолу 3,8 и 5,2 ммоль/г соответственно при их извлечении из растворов концентрацией 1 ммоль/л.

Экспериментально было установлено, что если соотношение композита и гидроксида калия меньше, чем 1:1,4, адсорбционная активность получаемого активного угля снижается вследствие недостаточного развития микропор. А если это соотношение выше, чем 1:1,6, существенно увеличивается время отмывки.

Активный уголь, полученный по прототипу (АС №1791377), имел адсорбционную активность по бензолу и толуолу 1,8 и 2,4 ммоль/г соответственно при их извлечении из растворов концентрацией 1 ммоль/л.

Относительно скорости нагрева импрегнированного высушенного материала установлено, что, если она превышает 15°С/мин, идет его вспучивание и увеличение объема макропор. В случае сокращения скорости нагревания ниже 10°С/мин происходит сильное уплотнение кристаллитов вследствие уменьшения расстояния между их макромолекулярными плоскостями, приводящее к формированию тонких микропор, недоступных молекулам бензола и толуола, что в обоих случаях снижает адсорбционную активность по этим молекулам.

Изучение влияния конечной температуры на адсорбционную активность показало, что ее увеличение выше 720°С ведет к графитизации обрабатываемого материала, а сокращение ниже 650°С повышает в нем содержание летучих веществ, не образующих кристаллитов, что в обоих случаях снижает адсорбционную активность по бензолу и толуолу.

Использование отвержденного композита на основе полиамидбензимидазола и эпоксидной смолы ЭД-20 позволяет получать зерненные формы активного угля, имеющие повышенную адсорбционную способность по сравнению с порошковой формой.

Выделение фракции зерен 0,5-3,0 мм наиболее благоприятно для гидродинамики процесса их термической обработки.

Из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение поставленной цели, а вся совокупность является достаточной для характеристики заявленного технического решения.

1. Способ получения активного угля, включающий измельчение твёрдого композита на основе волокон полиамидбензимидазола, пропитку раствором гидроксида калия, сушку пропитанного продукта, термическую обработку в токе азота с выдержкой при конечной температуре, промывку дистиллированной водой до нейтрального рН и окончательную сушку, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используют композит полиамидбензимидазола с эпоксидным связующим, пропитку осуществляют 40%-ным раствором гидроксида калия при массовом соотношении твёрдого композита и гидроксида калия, равном 1:(1,4-1,6), сушку пропитанного продукта проводят при 35-40°С в течение 30-35 часов, термическую обработку осуществляют при скорости нагрева 10-15°С/мин до температуры, равной 650-720°С, с выдержкой при конечной температуре в течение 40-60 минут.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используют твердый композит, содержащий 75-80 масс. % волокон полиамидбензимидазола и 20-25 масс. % эпоксидной смолы ЭД-20 в качестве связующего.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что исходный твердый композит измельчают до размера зерен 0,5-3,0 мм.