Патент на изобретение №2303569

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВИРОВАННЫХ УГЛЕЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к способу получения активированных углей (АУ) на основе антрацита. Предлагается способ получения АУ из антрацита, заключающийся в обработке исходного сырья при температуре 50-60°С раствором соляной кислоты и/или аммиака, фильтрации, сушке с последующим постепенным (со скоростью 10-30°С в минуту) подъемом температуры до 750-800°С, при которой проводят активацию. Полученные по предлагаемому способу АУ имеют высокую удельную поверхность, адсорбционную емкость и прочность на раздавливание, при этом предложенная технология сокращает время получения активированного угля. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к способу получения активированных углей (АУ) на основе антрацита. Полученные предлагаемым способом АУ могут применяться в качестве сорбентов для очистки питьевой воды от красителей и технологической воды от ионов тяжелых металлов и органических соединений.

Известный способ получения АУ (на основе каменного угля) активацией первичного угля – карбонизата (угля, прошедшего карбонизацию) представляет собой метод пропускания водяного пара вдоль горизонтального реактора (при высоких температурах активации-1250°С) вместе с потоком СО₂ и воздуха [патент Японский №1317113 от 21.12.1989 г.]. Недостатком описанной технологии является неравномерное распределение температур вдоль реактора, в результате чего по этой технологии получаются недоактивированные угли (адсорбционная емкость по бензолу 118-123 г/л при стандартной – не менее 150 г/л) при высокой удельной поверхности 900-1000 м²·г^-1.

Известен способ получения активированного угля из бурого угля, заключающийся в карбонизации исходного сырья с последующей активацией парогазовой смесью, содержащей 20 мас.% водяного пара и 80 мас.% дымовых газов в печи кипящего слоя при температуре 750°С [патент СССР №1699914, С01В 31/08, 23.12.1991].

Недостатками данного способа являются следующие:

а) из-за резкого подъема температуры при переходе от стадии карбонизации к активации полученные АУ имеют низкую механическую прочность по раздавливанию (˜6 кг/см²);

б) из-за использования топочных газов при активации АУ имеют не высокую поверхность (<750 м²/г), низкую активность по бензолу (123 г/л, стандартная величина 150 г/л) и низкую емкость по метиленовому голубому (<250 мг/г при концентрации метиленового голубого в воде 0,15%);

в) предлагаемый способ не позволяет очистить уголь от примесей солей тяжелых металлов и других микроэлементов, вследствие чего они не могут быть использованы для очистки питьевой воды.

Наиболее близким способом к предлагаемому способу по технологической сущности (прототипом) является способ получения активированного угля из антрацита, заключающийся в активации водяным паром в кипящем слое в течение 40-60 мин с последующей обработкой 3-5% раствором бифторида аммония в 5% соляной кислоте в течение 30-40 мин, промывке водой и сушке [патент РФ №2177906, С01В 31/08, 10.01.2002]. Недостатками данного способа являются следующие:

а) технологическая сложность процесса ввиду использования кипящего слоя;

б) недостаточная механическая прочность полученных АУ (˜80%) из-за относительно резкого подъема температуры при загрузке угля в кипящий слой;

в) недостаточный суммарный объем пор АУ (менее 0,5 см³/г).

Задача изобретения: разработка способа активирования углей, позволяющего упростить технологию и обеспечить получение АУ с увеличенными механической прочностью и суммарным объемом пор.

Поставленная задача достигается тем, что предварительную обработку проводят путем выдерживания антрацита сначала в растворе соляной кислоты, или в водном растворе аммиака, или последовательно в растворе соляной кислоты и в водном растворе аммиака при 50-60°С с последующей фильтрацией и сушкой горячим воздухом, после чего поднимают температуру со скоростью 10-30°С в мин до 750-800°С и активируют при конечной температуре в течение 130-190 мин.

Поставленная задача решается также тем, что сушку осуществляют при 280°С в течение 3-х часов.

Если при переходе к стадии активации скорость подъема температуры составляет менее 10°С в минуту, то наблюдается недоактивация АУ, тогда как при скорости подъема температуры выше 30°С в минуту происходит переактивация, приводящая к значительному снижению прочности на раздавливание и уменьшению пористости. При температуре активации, выходящей за рамки указанного интервала, получаются некачественные угли.

При температуре обработки исходного сырья раствором соляной кислоты или аммиака или при последовательной обработке растворами соляной кислоты и водным раствором аммиака, выходящей за рамки указанного интервала, получают некачественные угли.

Предлагаемый способ иллюстрируется нижеприведенными примерами.

Пример 1

500 см³ антрацита с размером частиц 3-5 мм загружали в емкость 1500 мл и заливали туда же 1000 мл 0,5% раствора соляной кислоты. Смесь нагревали до 50-60°С и выдерживали при этой температуре в течение 3-х часов. Затем угли отфильтровывали, загружали в цилиндрический реактор размером 600×60 мм и сушили горячим воздухом при температуре 280°С в течение 3-х часов. После этого температуру поднимали со скоростью 30°С в мин до 800°С, при которой в течение 100 мин проводили активацию угля водяным паром. Скорость подачи пара и воздуха при активации составляла 3,5-4,0 нл·ч^-1. Характеристики полученного активированного угля приведены в таблице.

Пример 2

Технология получения активированного угля отличается от приведенной в примере 1 тем, что уголь перед активацией предварительно обрабатывают 1000 мл 0,75% водного раствора аммиака и активацию проводят при температуре 800°С в течение 190 мин. Характеристики полученного активированного угля приведены в таблице.

Пример 3

Технология получения активированного угля отличается от описанной в примерах 1 и 2 тем, что предварительная обработка антрацита производится 0,5% раствором соляной кислоты, затем 0,75% раствором аммиака в течение 2-х часов при температуре 60°С. Температура активации – 750°С (скорость подъема температуры 20°С в мин), время активации – 160 минут. Характеристики полученного активированного угля приведены в таблице.

Примеры 4-9

Технология получения активированного угля соответствует примерам 1, 2 или 3. Меняют условия обработки (скорость подъема температуры, температуру и время активации). Условия активации и характеристики полученных активированных углей приведены в таблице.

Таблица Условия активации и характеристики активированных углей
№ примера	Режим обработки	T°C акт.	ак, мин	Vпод, Т°С/ мин	Механическая прочность на истирание, %	Суммарный объем пор по адсорбции азота, см3/г
1	HCl	800	130	30	88,5	0,52
2	NH4OH	800	190	30	86,8	0,50
3	HCl, NH4OH	750	160	20	92,7	0.63
4	HCl, NH4OH	800	160	20	89,2	0,53
5	HCl	800	130	25	85,3	0,49
6	HCl	800	160	25	91,6	0,59
7	HCl	800	190	25	89,6	0,54
8	HCl, NH4OH	750	130	10	87,2	0,51
9	HCl, NH4OH	750	190	10	90,4	0,57
Прототип
1			50		80,4	0,48
6			60		80,1	0,46
7			45		80,6	0,49
Исходный антрацит		800	130	25	74,2	0,45

Из данных таблицы следует, что полученные по примерам №1-9 угли имеют суммарный объем пор до 0.63 см³/г (по прототипу – менее 0,50 см³/г) при прочности АУ на истирание, достигающей 92,7% (по прототипу максимальная прочность 80,6%).

Предлагаемый способ позволяет значительно упростить технологию ввиду его проведения в стационарном режиме, повысить суммарный объем пор АУ и увеличить их прочность на истирание.

Предлагаемый способ, кроме того, обеспечивает удаление вредных микроэлементов, ионов тяжелых металлов и уменьшает количеств смол, выделяющихся при активации.

Плавный подъем температуры при переходе к стадии активации приводит к равномерному температурному распределению в реакторе, что обеспечивает укрепление внутреннего каркаса углей.

Таким образом, использование предлагаемого способа получения углей позволяет улучшить качество углеродных сорбентов и расширить область их применения. Полученные угли можно использовать не только для удаления нефтепродуктов из воды, но и для очистки воды от ионов тяжелых металлов, красителей и других органических веществ.

Формула изобретения

1. Способ получения активированного угля, включающий активацию антрацита водяным паром, сушку и выдержку в растворе кислоты и/или щелочи, отличающийся тем, что антрацит сначала выдерживают в растворе соляной кислоты, или в водном растворе аммиака, или последовательно в растворе соляной кислоты и водном растворе аммиака при 50-60°С, затем отфильтровывают и подвергают сушке горячим воздухом, после чего поднимают температуру со скоростью 10-30°С/мин до 750-800°С и активируют при конечной температуре в течение 130-190 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сушку осуществляют при 280°С в течение 3 ч.