Способы получения активного угля

СЕМЕСТРОВАЯ РАБОТА

по экологии на тему: «Способы получения активного  угля»  
 
 
 
 
 
 
 
 

       СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….3

1 АКТИВНЫЙ УГОЛЬ….......................................................................................4

2 ПРОИЗВОДСТВО АКТИВНОГО УГЛЯ……………………………………...5

3 ПОСОБЫ МОДИФИКАЦИИ АКТИВНОГО УГЛЯ…………………………9

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….14

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………....15

        ВВЕДЕНИЕ

       Активный уголь является одним из наиболее важных адсорбентов. Адсорбентами называют высокодисперсные природные или искусственные материалы с большой поверхностью, на которой происходит адсорбция веществ из соприкасающихся с ней газов или жидкостей. Адсорбенты применяют в противогазах, в качестве носителей катализаторов, для очистки газов, спиртов, масел, для разделения спиртов, при переработке нефти, в медицине для поглощения газов и ядов.

       Активированный уголь нашел свое применение в качестве сорбента во многих областях жизни человека – в промышленности, медицине, сельском хозяйстве и др. Со временем стали появляется все более новые и улучшенные способы получения активного угля. При этом в качестве сырья уже использовался не только древесный уголь, но и вторсырье – фруктовые косточки, скорлупа орехов.

       Успешному развитию современной адсорбционной техники в значительной степени способствует постоянное повышение качества этого продукта, обусловленное усовершенствованием способов его производства.[1]

       Целью данной работы является обзор существующих способов получения модифицированных активный углей, обладающих высокими качественными показателями.  
 

        1 АКТИВНЫЙ УГОЛЬ

       Активный уголь (активированный уголь) является материалом с развитой пористой структурой. На 87-97% (по массе) состоит из углерода, оставшуюся долю составляют атомы водорода, кислорода и вещества, введенные в активный уголь при его получении. 

       Активный  уголь широко применяют как адсорбент для поглощения паров из газовых выбросов (для очистки воздуха от сероуглерода), улавливания паров летучих растворителей с целью их рекуперации, для очистки водных растворов (сахарных сиропов и спиртных напитков), питьевой и сточных вод, в противогазах, в вакуумной технике, например для создания сорбционных насосов, в газоадсорбционной хроматографии, для заполнения запахопоглотителей в холодильниках, очистки крови, поглощения вредных веществ из желудочно-кишечного тракта и др. 

       Сырьем  для получения активного угля могут служить различные растительные материалы:  древесная тюлька,  торф,  скорлупа различных видов орехов,  фруктовые косточки и т.д.,  а также карбонизованные материалы – древесный уголь, некоторые каменные и бурые угли, торфяной кокс и др. [1]

        2 ПРОИЗВОДСТВО АКТИВНОГО УГЛЯ

       Упрощённо процесс производства активного  угля можно свести к двум стадиям: карбонизация и активация. На первой стадии производства активного угля исходный  материал подвергается  термической обработке без доступа кислорода, в результате которой из него удаляются летучие (влага и частично смолы), он уплотняется, приобретает  прочность. Структура полученного материала крупнопористая, обладающая незначительной внутренней поверхностью, вследствие чего он не может быть использован как промышленный адсорбент.  Задача получения развитой микропористой структуры решается на стадии активации. Активация проводится двумя способами: окисление газом или паром и обработка химическими реагентами. Для активирования газами используются кислород (воздух), водяной пар и  диоксид углерода.

       Активация воздухом на практике применяется редко, из-за возможности внешнего обгара гранул, поэтому в производстве чаще применяется активация водяным  паром и диоксидом углерода. Для  обеспечения высокой скорости и  полноты протекания реакции процесс активации проводят при температуре от 800 до 1000 0С с использованием специального оборудования. В результате такой обработки в угле образуются многочисленные поры, и увеличивается удельная поверхность пор на единицу массы. Исходным сырьём для парогазовой активации служат карбонизованные природные материалы: уголь из скорлупы кокосового ореха, каменный и древесный уголь, торфяной кокс. При химической активации применяют такое сырьё, как древесные опилки, торф. Смесь последних  с неорганическими солями (хлорид цинка, сульфид калия), реже кислотами (фосфорная, серная кислоты), подвергается высокотемпературной обработке. Под воздействием дегидрирующих агентов и высоких температур (порядка 650 ˚С) из углеродсодержащего материала удаляются кислород и водород, и одновременно происходят карбонизация и активация.

       Усовершенствование  промышленных способов получения активного  угля позволяет постоянно повышать качество продуктов. 

       Так, известный способ получения дробленого активного угля [3] из скорлупы орехов, включающий сушку, частичное сжигание, активирование смесью водяного пара, диоксида углерода и кислорода, отмывку угля кислотой, сушку и повторную активацию, претерпел изменения вследствие сложности и многостадийности технологического процесса, образования кислотных отходов, низкого выхода углеродного остатка и узкого спектра пористой структуры получаемых углей.

       Существует  способ получения дробленого активного угля [4], включающий в себя карбонизацию скорлупы орехов и косточек плодов в интервале температур 200-700 ˚С со скоростью нагрева более 100 град/мин, активацию продукта при 900 ˚С водяным паром, углекислым газом и воздухами или их смесью.  Однако, эта технология не лишена недостатков. Важным условием является невозможность получения этим методом активных углей с высокой адсорбционной емкостью по отношению к среднемолекулярным метаболитам.

       Усовершенствование  способа предложили Мухин В.М., Зубова И.Д., Жуков Д.С., и др.[2] По технической сущности метод близок к предыдущему. Однако продукт, получаемый данным способом с высоким выходом, имеет более высокую адсорбционную емкость по цианокобаламину и радиоактивному йоду. Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.

       Берут косточки, например слив, абрикосов, персиков, вишни или скорлупу грецкого, кокосового, миндального орехов и помещают их в стационарную или вращающуюся печь, которую начинают нагревать от комнатной (20^oC) температуры до 750^oC со скоростью подъема 30-50 град/мин. Полученный карбонизат (с содержанием летучих не более 15%) дробят до частиц с размером 0,5-3,5 мм. Эти частицы помещают во вращающуюся печь, нагретую до 850^oC и активируют их смесью водяного пара и диоксида углерода (75±10:25±10) в течение 70-120 мин до обгара 40-60%. Затем уголь выгружают и после остывания заливают 15 кратным объемом воды при 70-100^oC, выдерживают его в воде 30-90 мин при тщательном перемешивании, после чего воду сливают, а уголь сушат и анализируют. В предложенном способе пористая структура углеродного адсорбента формируется за счет постепенного, плавного удаления летучих веществ ароматического характера. В результате проведения многочисленных экспериментов было установлено, что на качество получаемого угля существенное влияние оказывает размер кусков углеродсодержащей массы (7-10 мм), скорость подъема температуры при нагревании (30-50 град/мин) и температурный интервал нагрева (20-750˚С).

       Предложенный  способ, помимо высокого выхода продукта и повышенной адсорбционной активности, является экологически чистым, не требует  дефицитного и дорогостоящего оборудования и обеспечен сырьевой базой отходами предприятий по переработке косточковых фруктов и орехов.

       Впоследствии, Ивасенко В.Л., Новиков В.Т.,  и Савельева  Ю.Р. [5] отметили в своей работе недостатки вышеописанного метода. Задачей данного изобретения являлось увеличение выхода продукта и улучшение его качественных характеристик: адсорбционной активности и суммарной пористости. Отличие данного способа состоит в том, что процесс получения активного угля происходит в атмосфере водяного пара, при этом процессы пиролиза и активации протекают одновременно и совмещены в одном реакторе с внешним обогревом.

       Активный  уголь получают следующим образом. Скорлупу кедрового ореха помещают в реактор с внешним обогревом. В реактор подают влажный водяной  пар. Нагревают реактор до температуры 600-700^oС. Поддерживают эту температуру в течение 1-3 часов. Затем нагрев реактора прекращают, температура в нем постепенно снижают до 200^oС и тогда завершают подачу пара. Выгрузку готового активного угля проводят после остывания продукта (около 100^oС). В предложенном способе пористая структура активного угля образуется за счет удаления содержащихся в скорлупе ореха и образующихся в результате пиролиза летучих компонентов вместе с паром. Условия процесса - температура 650^oС и время выдержки 2 часа - позволяют достигнуть высокого выхода продукта (до 27%), обладающего пористым углеродным скелетом. При активации сеть тончайших канальцев развивается за счет деструкции древесины и удаления продуктов деструкции. Обгара пор древесины не происходит благодаря предварительной паровой обработке.  Выход продукта составил 27%.

        3 СПОСОБЫ МОДИФИКАЦИИ АКТИВНОГО  УГЛЯ 

       В химической, нефтехимической, металлургической промышленности, а также при очистке сточных вод необходимо извлекать определенные вещества. Для подобных целей используют модифицированный активный уголь, обладающий высокой избирательной сорбционной емкостью по отношению к определенным веществам.  При адсорбции на углях ионов из растворов большую роль играют поверхностные химические соединения, которыми могут быть насыщены свободные валентности атомов углерода на поверхности активного угля. Поверхностные соединения оказывают влияние на адсорбционные свойства углей, что особенно заметно при их использовании в растворах электролитов и органических веществ. Известны методы модификации активных углей соединениями кислорода, которые заключаются в их низкотемпературной обработке кислородом воздуха или окислителями (перекись водорода, перманганат калия и т. д.) в жидкой среде. Известен метод модификации поверхности активного угля соединениями азота, который заключается в обработке слоя угля аммиаком. Однако этот способ характеризуется получением азотосодержащих углей с недостаточным положительным зарядом поверхности, что не обеспечивает удовлетворительного извлечения органических соединений из водных растворов.

       Сергеев, В.В. Лоскутов, А.И. и др.[7], [8] разработали эффективный безопасный способ получения гранулированного модифицированного угля, обладающего высокой сорбционной емкостью по отношению к органическим соединениям. Предложенный метод заключается в следующем.

       Уголь сырец древесный или каменный карбонизированный дробят до фракции 1-5 м и пропитывают насыщенным водным раствором роданистого аммония, роданистого калия или натрия, мочевины или тиомочевины, взятых в количестве 10-20% от массы угля, выдерживают 5-6 ч и подвергают термообработке при 310 - 370^oC в течение 2,5-3 ч. Далее осуществляют активацию угля при 800 - 850^oC перегретым водяным паром или углекислым газом в течение 0,5-6 ч до степени обгара 5-30%. 
При нагревании активного угля, пропитанного указанными растворами, происходит химическая реакция восстановления азотосодержащих соединений (роданида, тиомочевины и т.д.) углеродом, находящимся на его поверхности, при этом азот закрепляется преимущественно в виде аминогрупп, что подтверждается ИК-спектрами.

       Разработанный способ позволил значительно повысить сорбционную емкость активного угля по отношению к органическим веществам, находящимся в водном растворе, не меняя пористой структуры сорбента, значительно упростить процесс получения модифицированного угля из сырца.

       В качестве адсорбентов для очистки  воздуха, газовых промышленных выбросов и жидких сред также применяют  модифицированный активный уголь, отличающийся высокими адсорбционными свойствами и прочностью. При этом наблюдается тенденция постоянного улучшения качественных характеристик активного угля благодаря проводимым исследованиям.

       Изобретение Бучнева С.И., Гольдина М.М. и др. [9]  относится к области сорбционной техники и может быть использовано для получения модифицированных активных углей, применяемых в водоочистке и водоподготовке, а также в медицинской технике. Целью исследования являлось повышение эффективности работы модифицированного активного угля по ионам тяжелых металлов (свинцу, меди, цинку, железу и др.) в системах очистки питьевой и технической воды при сохранении сорбционных свойств активного угля. Способ осуществляется следующим образом. Берут активный уголь с отношением объема микропор к суммарному объему 0,3 - 0,4. Для приготовления раствора модификатора берут воду или смесь воды с этиловым спиртом в соотношении 1:1 при температуре 20 - 40^oC и растворяют в них модификатор: кверцетин (Quercetin), альгиновую кислоту или соли щелочных металлов с тем, чтобы концентрация раствора составила 0,2 - 0,5 мас.%. Пропитку осуществляют в смесителе, выполненном из не корродирующих материалов при соотношении объемов пропиточного раствора и угля 0,8 - 1,0. Затем пропитанный уголь выдерживают на воздухе 1,5 - 2,0 ч при температуре 25 - 30^oC. После этого уголь сушат в сушильном шкафу в течение 1,5 - 2,0 ч при температуре 115 - 120^oC.