способ получения модифицированного активного угля

Формула изобретения

Способ получения модифицированного угля, включающий пропитку его химическими веществами и термическую обработку, отличающийся тем, что уголь берут с суммарным объемом пор 0,4-1,8 см³/г, а пропитку осуществляют сначала водой или раствором соляной кислоты концентрации 1-4 вес.% при соотношении суммарного объема пор угля и воды или раствора кислоты 1,0 : (0,7-1,0), выдерживают на воздухе до сыпучести, а затем пропитывают 9-15%-ным раствором термореактивной смолы в фурфуроле при весовом соотношении угля и раствора 1,0 : (0,35-0,68), снова выдерживают на воздухе до сыпучести и термическую обработку ведут в токе углекислого газа со скоростью подъема температуры 450-900 град. /ч до 700-900^oС с последующей выдержкой при этой температуре 0,2-0,5 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сорбционной техники и предназначается для очистки воздушных и жидких сред от высокотоксичных химических веществ.

Известен способ получения модифицированного угля, заключающийся в нанесении на гранулы угля гидрогеля алюмосиликата натрия путем напыления, обработке их раствором сульфата алюминия, промывке водой, высушивании, обработке 15-30% серной кислотой и прокаливании в инертной атмосфере при 800-1000 К. Получают активный уголь с оболочкой из алюмосиликата состава, мас.%: Al₂O₃ - 4-6, SiO₂ - остальное, толщина пленки 0,05-0,2 диаметра гранул (авт. св. СССР N 1350111, кл. С 01 В 31/08, заявл. 13.01.84). Недостатком этого способа является сложность технологии. Кроме того, оболочка представляет собой алюмосиликат, хорошо поглощающий влагу, что не позволяет эффективно использовать этот сорбент в газовоздушной среде, содержащей влагу, и в водных средах.

Известен также способ гидрофобизации угля, заключающийся в пропитывании его водной суспензией фторопласта с концентрацией 1-2 % и последующей термообработке при 355-360^oC в атмосфере инертного газа (СССР, авт.св. N 97160, кл. С 01 В 31/08, заявл. 25.08.84). Недостатком способа является невысокая адсорбционная способность угля, т.к. низкая температура термообработки не позволяет получить прочную пористую пленку на поверхности угля, в результате чего затрудняется доступ сорбента к поверхности угля, происходит блокирование микропор.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ модификации угля, заключающийся в пропитывании угля водным раствором поливиниловой или полиакриловой смолы и выдерживании частиц сначала в текучем состоянии, а затем при остекловывании (Россия, п. 2085486, кл. С 01 В 31/08 заявл. 01.01.94). Этот способ принят за прототип предлагаемого изобретения. Недостатком прототипа является образование на поверхности угля непористой пленки, которая препятствует проникновению сорбатов внутрь зерна, при этом сорбционная способность угля используется незначительно. Кроме того, применение поливиниловых и полиакриловых смол исключает использование полученного сорбента при повышенных температурах (разлагаются с выделением высокотоксичных веществ).

Техническим результатом изобретения является получение адсорбента с высокими адсорбционными свойствами, позволяющими использовать его для адсорбции высокотоксичных химических веществ, ацетона и др. Адсорбент, полученный по предлагаемому способу, обладает высокой прочностью при эксплуатации в воздушных и жидких средах, не выделяет пыли, что исключает унос адсорбируемых токсичных веществ с ней в окружающую среду.

Этот результат достигается тем, что берут уголь с суммарным объемом пор 0,4-1,8 см³/г, пропитывают сначала водой или раствором соляной кислоты концентрацией 1-4 вес.%, при соотношении суммарного объема пор угля и воды или раствора кислоты 1,0: (0,7-1,0), выдерживают на воздухе до сыпучести, а затем пропитывают 9-15% раствором термореактивной смолы в фурфуроле при весовом соотношении угля и раствора 1,0:(0,35-0,68), снова выдерживают на воздухе до сыпучести и термическую обработку ведут в токе углекислого газа со скоростью подъема температуры 450-900 град/ч до 700-900^oC с последующей выдержкой при этой температуре 0,2-0,5 ч.

Пример 1. Берут 100 г угля, пропитывают 110 мл воды или раствором соляной кислоты (соотношение суммарного объема пор угля и воды или кислоты 1,0: 0,7), выдерживают на воздухе до сыпучести, готовят 9%-ный раствор термореактивной смолы в фурфуроле (7,5 г смолы и 70 г фурфурола), 40 мл полученного раствора пропитывают уголь (весовое соотношение угля и раствора 1: 0,5), дают вылежаться на воздухе, затем подвергают термической обработке при 850^oC в течение 0,2 ч, скорость подъема температуры до заданной составляет 900 град/ч. Полученный адсорбент имеет прочность 64% и эффективный объем микропор 0,37 см³/г, другие характеристики приведены в таблице.

Пример 2. Все параметры, как в примере 1, за исключением пропиточного раствора. Готовят 15%-ный раствор смолы в фурфуроле (7,5 г смолы и 42,5 г фурфурола) и пропитывают уголь (соотношение угля и раствора 1:0,4). Полученный адсорбент имеет прочность 65,7 % и эффективный объем микропор 0,36 см³/г.

Пример 3. Количество воды или раствора соляной кислоты и пропиточного раствора равны соответственно 134 мл и 68 мл (соотношение суммарного объема пор угля и воды или кислоты 1: 0,68), остальные параметры, как в примере 2. Полученный адсорбент имеет прочность 68% и эффективный объем микропор 0,29 см³/г.

Пример 4. Соотношение угля и пропиточного раствора 1:0,35, все остальные параметры, как в примере 1. Полученный адсорбент имеет довольно высокую прочность - 62% и эффективный объем микропор, близкий к исходному углю - 0,38 см³/г.

Пример 5. Соотношение угля и пропиточного раствора 1:0,25, все остальные параметры, как в примере 1. Полученный адсорбент имеет пористость, близкую к исходному углю, прочность является низкой - всего лишь 57%.

Пример 6. Все параметры, как в примере 2, за исключением температуры термообработки, она равна 700^oC. Полученный адсорбент имеет прочность 64% и эффективный объем микропор 0,32 см³/г.

Пример 7. Все параметры, как в примере 2, за исключением температуры термообработки, она равна 900^oC. Полученный адсорбент имеет прочность 60% и эффективный объем микропор 0,37 см²/г.

Другие технологические параметры и характеристики сорбентов приведены в таблице.

Полученные данные показывают, что при весовом соотношении угля и пропиточного раствора 1: (0,35-0,6) и концентрации смолы в пропиточном растворе 9-15 вес.% прочность увеличивается на 17,5-24%, объем пор при этом уменьшается незначительно.

При концентрации смолы в пропиточном растворе 15% и весовом соотношении угля и пропиточного раствора 1:0,68 прочность увеличивается на 29%, объем пор уменьшается, но остается еще на достаточно высоком уровне.

Дальнейшее увеличение концентрации смолы в фурфуроле выше 15 % и весового соотношения угля и пропиточного раствора нецелесообразно, так как при незначительном увеличении прочности будет происходить значительное снижение объема пор.

За оптимальное весовое соотношение угля и пропиточного раствора принимаем 1,0:(0,35-0,68) при концентрации смолы в фурфуроле 9-15 вес.%.

При соотношении угля и раствора 1:0,25 получается адсорбент с низкой прочностью, при соотношении выше 1:0,68 - с низким объемом пор.

При изготовлении образцов пропиточный раствор должен располагаться на поверхности гранул, поэтому перед пропитыванием уголь пропитывается водой или раствором соляной кислоты концентрации 1-4 вес.% при соотношении суммарного объема пор угля и воды или раствора соляной кислоты 1,0:(0,7-1,0), чтобы пропиточный раствор не проникал внутрь гранул. При соотношении менее 0,7 какая-то часть пропиточного раствора проникает внутрь гранул, что приводит к некоторому снижению пористости и прочности готового продукта. При соотношении, большем 1, уголь будет очень влажным и перед пропитыванием потребуется его дополнительное подсушивание.

Введение раствора соляной кислоты повышает выход углеродной массы при активации смолы и фурфурола при концентрации кислоты ниже 1% эффект очень незначительный, повышение концентрации выше 4% делает пленку менее пористой (более толстой), что затрудняет доступ сорбируемых веществ внутрь гранул.

Термообработка осуществляется в течение 0,2-0,5 ч. При термообработке в течение менее 0,2 ч происходит частичная активация, не все количество веществ (смола и фурфурол) успевает проактивироваться. При времени термообработки более 0,5 ч происходит слишком большой обгар, и углеродная пленка, образующаяся на поверхности гранул, не обладает необходимой прочностью.

В результате многочисленных исследований экспериментально установлено, что оптимальной скоростью подъема температуры при термообработке является 450-900 град/ч. При скорости подъема ниже 450 град/ч происходит большой обгар ввиду значительного увеличения времени термообработки, при скорости выше 900 град/ч. идет неполное протекание процесса формирования пленки.

Как уже указывалось, суммарная пористость исходных углей составляет 0,4-1,8 см³/г. При суммарном объеме пор ниже 0,4 см³/г продукт будет иметь низкую адсорбционную емкость, при объеме пор выше 1,8 см³/г прочность продукта будет более низкая.

Термическая обработка проводилась при 700-900^oC. При 700^oC прочность повышается на 21%, объем пор, хотя и имеет тенденцию к снижению, но остается достаточно высоким для использования адсорбента в целях адсорбции. При 900^oC объем пор на уровне образцов, полученных при 850^oC, а прочность, хоть и понижается, но остается достаточно высокой. Из полученных данных оптимальной температурой термообработки считаем 700-900^oC. При температуре ниже 700^oC объем пор недостаточен, так как процесс активации нанесенных на гранулы веществ только еще начинается, а выше 900^oC прочность будет понижаться в результате увеличения обгара. И в том, и в другом случае адсорбент обладает более широкими показателями по адсорбции и прочности.

В результате вышеуказанных действий на поверхности гранул угля образуется прочная пористая углеродная пленка (карбонизат), увеличивающая прочность исходного угля. Содержание карбонизата составляет 3-15 вес.%.

Как показывают данные таблицы, в результате предложенного способа получен адсорбент, прочность и адсорбционные свойства которого выше, чем у адсорбента, полученного по способу-прототипу.

Реализация предложенного способа позволит значительно расширить область применения активных углей, используемых для очистки газов и жидкостей от вредных примесей в индустриальных и природоохранительных целях, что даст возможность эффективно решить широкий круг экологических и технологических проблем.