способ получения активного угля

Формула изобретения

Способ получения активного угля, включающий смешение измельченного каменноугольного сырья со связующим, гранулирование смеси, карбонизацию при 450 - 600^oC, двухстадийную активацию при 850 - 950^oC в начале до обгара 20 - 40 мас.%, а затем до обгара 40 - 70 мас.% и охлаждение гранул, отличающийся тем, что после охлаждения гранулы пропитывают раствором термореактивного синтетического углеродного материала в количестве 8 - 20 мас.% и проводят термообработку при 600 - 750^oC в атмосфере инертного газа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сорбционной техники, в частности к способам получения гранулированных активных углей, и может быть использовано для получения активных углей и углеродных адсорбентов, используемых в газоочистке, рекуперации летучих растворителей, водоподготовке и водоочистке, очистке почв, противогазовой технике, а также для других индустриальных и природоохранных целей.

Известен способ получения активного угля, включающий измельчение углеродсодержащего материала с низкой спекаемостью и его прессование на вальцевом прессе при температуре 50-250^oC до частиц размером 0,25-3,0 мм, карбонизацию и активацию при 950-1000^oC до обгара 30-35 мас.% в одну стадию в псевдоожиженном слое, охлаждение до 80-110^oC в среде инертного газа со скоростью снижения температуры 60^oC/мин (Пат. Великобритании N 1552112 от 02.10.75 г., кл. C 01 B 31/10).

Недостатком известного способа являются значительная сложность технологического процесса получения активного угля и аппаратуры, обусловленная необходимостью проведения операций карбонизации и активации в псевдоожиженном слое, а также низкая адсорбционная способность полученного активного угля по парам органических веществ с температурой кипения 60-100^oC вследствие значительного развития крупных пор.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения гранулированного активного угля, включающий смешение измельченного углеродсодержащего материала со связующим при 40-60^oC в течение 10-15 мин, гранулирование смеси, карбонизацию гранул при 450-600^oC в течение 20-30 мин, активацию при 850-950^oC водяным паром, охлаждение до 20-50^oC со скоростью снижения температуры 10-40^oC/мин без доступа воздуха и повторную активацию при тех же режимах с последующим охлаждением до 20-50^oC со скоростью снижения температуры 10-40^oC/мин без доступа воздуха (Пат. РФ N 2086504 от 09.11.94 г., кл. C 01 B 31/10).

Недостатком указанного способа является низкая механическая прочность полученного активного угля.

Заявляемое изобретение направлено на решение следующей задачи: повышение механической прочности активного угля при сохранении на высоком уровне адсорбционной способности по парам органических веществ с температурой кипения 60-100^oC, что достигается предложенным способом, включающим смешение измельченного углеродсодержащего материала со связующим, гранулирование смеси, карбонизацию, активацию и охлаждение гранул.

Отличие предложенного способа от известного заключается в том, что после охлаждения гранулы пропитывают раствором термореактивного синтетического углеродного материала в количестве 8-20 мас.% и проводят термообработку при температуре 600-750^oC в атмосфере инертного газа.

Из научно-технической литературы авторам неизвестна операция пропитки гранул активного угля раствором термореактивного синтетического углеродного материала в количестве 8-20 мас.% и последующей термообработки в атмосфере инертного газа при 600-750^oC.

Для оценки адсорбционной способности активного угля в качестве эталонного органического вещества с температурой кипения 60-100^oC выбран бензол.

Способ осуществляется следующим образом.

Берут измельченный углеродсодержащий материал в количестве 2,0-2,5 кг и смешивают его со связующим (каменноугольной или лесохимической смолой или их смесью) в количестве 0,83-1,05 кг в смесителе при 40-60^oC в течение 10-15 мин. Полученную угольно-смоляную пасту гранулируют на шнековом прессе через фильеры с диаметром отверстий 1,0-3,5 мм при 60-100^oC и давлении 80-100 кг/см². Сформованные гранулы подсушивают на воздухе в течение 20-60 мин и направляют на карбонизацию, которую проводят во вращающейся, шахтной или полочной печи при температуре 450-600^oC в течение 20-30 мин. Карбонизованные гранулы направляют на активацию, которую ведут во вращающейся или шахтной печи водяным паром при температуре 850-950^oC до обгара 20-40 мас.%, после чего охлаждают до 20-50^oC со скоростью снижения температуры 10-40^oC/мин без доступа воздуха. Охлажденный уголь направляют на повторную активацию, которую ведут при тех же режимах до обгара 40-70 мас.%, а затем охлаждают до 20-50^oC со скоростью снижения температуры 10-40^oC/мин без доступа воздуха. Отсеивают фракцию 1,5-3,0 мм и пропитывают гранулы раствором термореактивного синтетического углеродного материала (фенолформальдегидная смола марки СФ 432-А (ГОСТ 18694-73), фурфурол-ацетоновый мономер ФА-15 (ТУ 6-05-1618-73), резол 1-300 (ГОСТ 10759-64), аминопласты марок А и Б (ГОСТ 9359-69), мономер Дифа (ТУ П-730-71)) в соотношении активный уголь:термореактивный синтетический углеродный материал 100:(8-20). Гранулы выдерживают на воздухе в течение 5-10 ч при комнатной температуре, затем проводят термообработку при 600-750^oC в атмосфере инертного газа в течение 30-60 мин. Механическая прочность активного угля, полученного по предлагаемому способу, составила 81-87%; адсорбционная способность по парам бензола составила 183-196 мг/г. Механическая прочность активного угля, полученного по известному способу, составила 60-72%; адсорбционная способность по парам бензола составила 182-204 мг/г.

Пример 1. Берут 2 кг каменного угля марки СС (ГОСТ 10355-76) и 2 кг каменноугольного полукокса длиннопламенного угля марки Д (ГОСТ 5442-74), измельченных в шаровой мельнице до частиц размером 5-90 мкм, и смешивают их с 1,3 кг лесохимической смолы (ТУ 13-4000-77-160-84). Процесс смешения осуществляют в смесителе при 50^oC в течение 10 мин. Полученную угольную смоляную пасту подают в загрузочную камеру шнекового пресса и ведут гранулирование при 85^oC и давлении 90 кг/см² через фильеры с диаметром отверстий 1,7 мм. Сформованные гранулы подсушивают на воздухе в течение 40 мин и направляют на карбонизацию, которую ведут при 500^oC в течение 25 мин. Карбонизованные гранулы активируют водяным паром при 900^oC до обгара 30 мас.%, после чего охлаждают до 40^oC со скоростью снижения температуры 30^oC/мин. Затем уголь направляют на повторную активацию, которую ведут при тех же режимах до обгара 60 мас.% Полученный активный уголь охлаждают до 40^oC со скоростью снижения температуры 30^oC/мин. После охлаждения гранулы пропитывают раствором термореактивного синтетического углеродного материала в количестве 8 мас. % и выдерживают на воздухе в течение 5 ч при комнатной температуре. Затем проводят термообработку гранул при 600^oC в атмосфере инертного газа. Механическая прочность полученного активного угля составила 83%, адсорбционная способность по парам бензола составила 189 мг/г.

Пример 2. Ведение процесса как в примере 1, за исключением количества термореактивного синтетического углеродного материала, взятого для пропитки активного угля, которое составило 15 мас.%. Механическая прочность полученного активного угля составила 85%, адсорбционная способность по парам бензола составила 189 мг/г.

Пример 3. Ведение процесса как в примере 1, за исключением количества термореактивного синтетического углеродного материала, взятого для пропитки активного угля, которое составило 20 мас.%. Механическая прочность полученного активного угля составила 88%, адсорбционная способность по парам бензола составила 196 мг/г.

Пример 4. Ведение процесса как в примере 1, за исключением температуры термообработки активного угля, пропитанного раствором термореактивного синтетического углеродного материала, которая составила 670^oC. Механическая прочность полученного активного угля составила 86%, адсорбционная способность по парам бензола составила 187 мг/г.

Пример 5. Ведение процесса как в примере 1, за исключением температуры термообработки активного угля, пропитанного раствором термореактивного синтетического углеродного материала, которая составила 750^oC. Механическая прочность полученного активного угля составила 81%, адсорбционная способность по парам бензола составила 184 мг/г.

Результаты исследования влияния количества термореактивного синтетического углеродного материала, взятого для пропитки, и температуры термообработки активного угля, пропитанного раствором термореактивного синтетического углеродного материала, на механическую прочность и адсорбционную способность активного угля, полученного по предлагаемому способу, приведены в таблице.

Как следует из результатов, приведенных в таблице, наибольшая механическая прочность при сохранении на высоком уровне адсорбционной способности по парам органических веществ с температурой кипения 60-100^oC наблюдается при пропитке активного угля раствором термореактивного синтетического углеродного материала в количестве 8-20 мас.% и последующей термообработке гранул при температуре 600-750^oC в атмосфере инертного газа. При уменьшении количества термореактивного синтетического углеродного материала, взятого для пропитки гранул активного угля, менее 8 мас.% существенного повышения механической прочности не наблюдается. Увеличение количества термореактивного синтетического углеродного материала более 20 мас.% не приводит к сколько-нибудь заметному изменению механической прочности активного угля. При температуре термообработки менее 600^oC механическая прочность активного угля повышается незначительно, а при температуре термообработки более 750^oC наблюдается заметное снижение механической прочности.

Сущность предложенного способа заключается в следующем.

Повышение механической прочности активного угля при сохранении на высоком уровне адсорбционной способности по парам органических веществ с температурой кипения 60-100^oC при пропитке активного угля раствором термореактивного синтетического углеродного материала в количестве 8-20 мас.% и последующей термообработке гранул при 600-750^oC в атмосфере инертного газа обусловлено, вероятно, следующими причинами.

При проведении термообработки термореактивный синтетический углеродный материал подвергается термодеструкции и продукты термодеструкции, фактически являясь армирующим элементом в составе угольно-смоляной композиции, пронизывают гранулу активного угля во всех направлениях и на всем протяжении, образуя прочные связи с частицами угля. В результате образуется надмолекулярная пространственная структура из фрагментов термодеструктурированного термореактивного синтетического углеродного материала, связанных с углеродной матрицей исходного активного угля. При воздействии механических нагрузок на такие гранулы внешние напряжения перераспределяются по всему объему гранулы с использованием высокого прочностного модуля самих фрагментов термодеструктурированного термореактивного синтетического углеродного материала, что и приводит к повышению механической прочности активного угля.

При уменьшении количества термореактивного синтетического углеродного материала, взятого для пропитки гранул активного угля, менее 8 мас.% снижение механической прочности обусловлено недостаточным количеством армирующих элементов, связывающих угольные частицы в составе угольно-смоляной композиции. Увеличение количества термореактивного синтетического углеродного материала, взятого для пропитки гранул активного угля, более 20 мас.% не приводит к сколько-нибудь заметному изменению механической прочности активного угля вследствие насыщенности объема гранул армирующим элементом.

Как было отмечено выше, термообработка активного угля, пропитанного раствором термореактивного синтетического углеродного материала, в атмосфере инертного газа приводит к образованию надмолекулярной пространственной структуры, связанной с углеродной матрицей исходного активного угля, что является причиной повышения механической прочности. Однако при температуре термообработки менее 600^oC механическая прочность активного угля повышается незначительно вследствие недостаточно высокого прочностного модуля образующихся при таких температурах фрагментов термодеструктурированного термореактивного синтетического углеродного материала. При температуре термообработки более 750^oC имеет место снижение механической прочности активного угля вследствие ослабления связей между фрагментами термодеструктурированного термореактивного синтетического углеродного материала и частицами углеродной матрицы исходного активного угля.

Таким образом, предложенный способ позволяет в значительной степени повысить механическую прочность гранулированного активного угля при сохранении на высоком уровне адсорбционной способности по парам органических веществ с температурой кипения 60-100^oC.

Реализация предложенного способа позволит значительно расширить область применения активных углей, используемых для очистки газов и жидкостей от вредных примесей, рекуперации летучих растворителей, водоподготовке и водоочистке, очистке почв, противогазовой технике, а также для других индустриальных и природоохранных целей, что даст возможность эффективно решить широкий круг экологических и технологических проблем.

Из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на решение поставленной задачи, а именно: на повышение механической прочности активного угля при сохранении на высоком уровне адсорбционной способности по парам органических веществ с температурой кипения 60-100^oC, а вся совокупность является достаточной для характеристики заявленного технического решения.