RU2184080C1 - Method of production of activated carbon - Google Patents

Abstract

FIELD: chemical technology. SUBSTANCE: invention relates to a field of production of activated carbons. Invention proposes a method of production of activated carbon including the combined grinding carbon- containing raw and pitch with a melting point 70-110 C as a solid binding agent and taken in the amount 8-20 wt.% followed by forming the obtained composition to make tablets, briquets or granules under specific pressure = 900-1500 kg/cm², carbonization in the range of temperatures from the room one to 550-650 C at the rate 20-25 C/min, crushing to particle size 0.3-2.0 mm and activation by steam. Method ensures to prepare super-strength activated carbons providing the high degree of treatment of drinking water from acetone as poorly sorbing component. Invention can be used in different carbon-adsorption processes: purification of liqueur and vodka production, drinking water, pharmaceutical and food industry and for recuperation of volatile solvents. EFFECT: improved method of production. 5 cl, 2 tbl, 3 ex

Description

Изобретение относится к области производства активных углей (а.у.) и может быть использовано для поглощения веществ из газов, паров и жидкостей. The invention relates to the field of production of activated carbons (a.u.) and can be used to absorb substances from gases, vapors and liquids.

Известен способ получения а.у., включающий измельчение бурого угля прессованием брикетов, их карбонизацию, дробление и активацию при 800-900^oС (патент ГДР 227946, 1983).A known method of producing a.u., including grinding brown coal by pressing briquettes, their carbonization, crushing and activation at 800-900 ^o With (patent GDR 227946, 1983).

Недостатком известного способа является высокая зольность получаемого а. у. и сложность проведения процесса карбонизации. The disadvantage of this method is the high ash content of a. at. and the complexity of the carbonization process.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является способ получения а.у. путем измельчения в пыль углеродсодержащего сырья, последующего смешения пыли со связующим (смесью каменноугольной и лесохимической смол), формования полученной композиции при давлении 80-110 кг/см², карбонизации сформованных продуктов в интервале температур 250-650^oС, активации карбонизата водяным паром и дробление активных углей до размера частиц 0,5-1,5 мм (см. патент РФ 2023663 от 21.10.1993, заявка 93048624, кл. С 01 В 31/08). Этот способ принят за прототип предлагаемого изобретения.Closest to the proposed technical essence and the achieved result is a method of obtaining a.u. by grinding carbon-containing raw materials into dust, then mixing dust with a binder (a mixture of coal and wood-chemical resins), molding the resulting composition at a pressure of 80-110 kg / cm ² , carbonizing the formed products in the temperature range 250-650 ^o С, activating the carbonizate with water vapor and crushing of active carbons to a particle size of 0.5-1.5 mm (see RF patent 2023663 from 10.21.1993, application 93048624, class C 01 B 31/08). This method is adopted as a prototype of the invention.

Недостатком прототипа является невысокая адсорбционная способность получаемого а.у. при очистке питьевой воды от ацетона, а также низкая механическая прочность. The disadvantage of the prototype is the low adsorption capacity of the obtained a.u. when cleaning drinking water from acetone, as well as low mechanical strength.

Целью изобретения является повышение адсорбционной способности по ацетону получаемого угля при очистке питьевой воды, а также повышение механической прочности с целью использования в золотодобывающей промышленности. The aim of the invention is to increase the adsorption capacity for acetone obtained coal in the purification of drinking water, as well as increasing mechanical strength for use in the gold mining industry.

Поставленная цель достигается предложенным способом, включающим использование твердого пека с температурой плавления 70-110^oС, совместное его измельчение в пыль с углеродсодержащим сырьем, формование смеси при удельном давлении, равном 900-1500 кг/см², карбонизацию до температуры 550-650^oС со скоростью нагрева 20-25^oС/мин, дробление карбонизата до размера частиц 0,3-2,0 мм, активацию в среде водяного пара. При этом используется пек в количестве 8-20 мас.%, а измельчение в пыль углепековой композиции проводят при температуре 20-50^oС.The goal is achieved by the proposed method, including the use of solid pitch with a melting point of 70-110 ^o C, its joint grinding into dust with carbon-containing raw materials, molding the mixture at a specific pressure of 900-1500 kg / cm ² , carbonization to a temperature of 550-650 ^o With a heating rate of 20-25 ^o C / min, crushing of the carbonizate to a particle size of 0.3-2.0 mm, activation in the environment of water vapor. In this case, the pitch is used in an amount of 8-20 wt.%, And grinding into dust of the carbon pitch composition is carried out at a temperature of 20-50 ^o C.

Отличие предлагаемого способа от известного состоит в использовании твердого связующего с температурой плавления (70-110^oС) вместо жидких смол, совместном измельчении угольной основы и связующего при определенной температуре (не выше 50^oС), осуществлении формования угольно-пековой композиции при высоких удельных давлениях 900-1500 кг/см², проведении измельчения до 0,3-2,0 мм перед активацией.The difference of the proposed method from the known one consists in using a solid binder with a melting point (70-110 ^o С) instead of liquid resins, co-grinding the coal base and a binder at a certain temperature (not higher than 50 ^o С), forming a coal-pitch composition at high specific pressures of 900-1500 kg / cm ² , grinding to 0.3-2.0 mm before activation.

Анализ патентной и научной литературы показывает, что предлагаемый способ получения а.у. является новым. Analysis of patent and scientific literature shows that the proposed method for obtaining a.u. is new.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. The essence of the proposed method is as follows.

Использование твердого связующего - каменноугольного, древесного, нефтяного, полимерного пека с температурой плавления 70-110^oС (т.е. допускающей), совместное измельчение с угольной основой - ископаемыми углями, полукоксами и др., в сочетании с высокими удельными давлениями, применяемыми при формовании смеси в таблетки, пластины, гранулы, шарики и т.д. позволяет сформировать пористую структуру углей с заданными параметрами, а также получать угли с высокой механической прочностью (суперпрочные).The use of a solid binder - coal, wood, oil, polymer pitch with a melting point of 70-110 ^o C (i.e. allowing), co-grinding with a coal base - fossil coals, semi-coke, etc., in combination with high specific pressures used when molding the mixture into tablets, plates, granules, balls, etc. allows you to form a porous structure of coals with specified parameters, as well as to obtain coals with high mechanical strength (super strong).

Для адсорбции плохосорбирующегося вещества - ацетона необходимо иметь развитый объем микропор с размерами 0,3-0,6 нм ("ультрамикропор"). Кроме того, установлено, что осуществление измельчения сырья при относительно низких температурах (20-50^oС) при содержании пека 8-20% обусловливает повышение насыпной плотности получаемых адсорбентов, а следовательно, увеличивает адсорбционную активность слоя угля (при расчетах см³/см³ ).For adsorption of a poorly sorbed substance - acetone, it is necessary to have a developed micropore volume with sizes of 0.3-0.6 nm ("ultramikropor"). In addition, it was found that the implementation of the grinding of raw materials at relatively low temperatures (20-50 ^o C) with a pitch of 8-20% leads to an increase in the bulk density of the obtained adsorbents, and therefore, increases the adsorption activity of the coal layer (when calculating cm ³ / cm ³ )

Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.

Берут каменный уголь, полукокс, древесный уголь-сырец и т.д., смешивают с твердым пеком в количестве 8-20%. Смесь измельчают в шаровой, дисковой или вибромельнице в течение 6-8 часов до получения тонкой пыли (менее 90 микрон). Затем угольно-пековую пыль формуют на гидравлических, шнековых или других типах прессов при удельном давлении 900-1500 кг/см² в гранулы, таблетки, брикеты, пластины, шарики и т.д. Полученный формованный продукт помещают в печь и подвергают нагреванию от комнатной температуры до 550-650^oС со скоростью нагрева 20-25^oС/мин. После выгрузки из печи карбонизат дробят до размера частиц 0,3-2,0 мм и активируют в среде водяного пара 5-6 кг/кг а.у. при 870-900^oС.Take coal, semi-coke, raw charcoal, etc., mixed with solid pitch in an amount of 8-20%. The mixture is ground in a ball, disk or vibration mill for 6-8 hours to obtain fine dust (less than 90 microns). Then, coal-pitch dust is formed on hydraulic, screw or other types of presses at a specific pressure of 900-1500 kg / cm ² into granules, tablets, briquettes, plates, balls, etc. The obtained molded product is placed in an oven and subjected to heating from room temperature to 550-650 ^o With a heating rate of 20-25 ^o C / min After unloading from the furnace, the carbonizate is crushed to a particle size of 0.3-2.0 mm and activated in the medium of water vapor 5-6 kg / kg a.u. at 870-900 ^o C.

Многочисленными экспериментами установлено, что если температура пека ниже 70^oС, то совместное измельчение с каменноугольной основой не обеспечивает получение угольно-пековой пыли, способной сформировать ультрамикропористую структуру изготавливаемых сорбентов и тем более высокую механическую прочность. Использование пеков с темпеpaтурой плавления выше 110^oС приводит к развитию микропор более крупных размеров (0,8-1,5 нм), что снижает их адсорбционную активность по ацетону.Numerous experiments have established that if the pitch temperature is below 70 ^o C, then co-grinding with a coal base does not provide coal-pitch dust, capable of forming an ultramicro-porous structure of the manufactured sorbents and, all the more, high mechanical strength. The use of pitch with a melting point above 110 ^o C leads to the development of larger micropores (0.8-1.5 nm), which reduces their adsorption activity for acetone.

Относительно удельного давления при формовании было установлено, что если оно менее 900 кг/см², то получают развитие только транспортные поры ( V_ма). При более высоких давлениях (более 1500 кг/см²) поры полностью как бы захлопываются, их объем уменьшается в несколько раз.Regarding the specific pressure during molding, it was found that if it is less than 900 kg / cm ² , only transport pores (V _ma ) are developed. At higher pressures (more than 1500 kg / cm ² ), the pores are completely closed as if, their volume decreases several times.

В результате детальных исследований были установлены параметры и режимы размола углепековой композиции, ее процентный состав, определяющий характер развития пористой структуры и механической прочности углей, а именно наилучшей емкостью поглощения ацетона при очистке питьевой воды, а также наибольшей механической прочностью характеризуются угли, полученные при:
- использовании пеков с температурой плавления 70-110^oС, взятых в количестве 8-20 мас.% по отношению к угольной основе;
- проведении совместного измельчения, а не отдельно каждого компонента;
- измельчении при 20-50^oС;
- удельном давлении при формовании 900-1500 кг/см²;
- дроблении карбонизата, прошедшего только стадию низкотемпературного пиролиза.As a result of detailed studies, the parameters and grinding regimes of the carbon-black composition were established, its percentage composition, which determines the development of the porous structure and mechanical strength of the coals, namely, the coals obtained by:
- the use of pitch with a melting point of 70-110 ^o C, taken in an amount of 8-20 wt.% in relation to the coal base;
- conducting joint grinding, and not separately of each component;
- grinding at 20-50 ^o C;
- specific pressure during molding 900-1500 kg / cm ² ;
- crushing of carbonizate, which has passed only the stage of low-temperature pyrolysis.

Пример 1. Берут 5,0 кг слабоспекающегося каменного угля марки СС(2СС), ГОСТ 10355-84 и 0,42 кг каменноугольного пека, имеющего температуру плавления 70^oС. Смесь измельчают в шаровой мельнице до размера частиц 5-90 микрон, температура проведения размола 25^oС. Полученную углепековую композицию формуют в таблетку 2•5 мм на гидропрессе при удельном давления 900 кг/см² и выдержке 3 мин. Влажность пасты поддерживалась на уровне 2%. Таблетки нагревают во вращающейся печи до 550-650^oС, после чего дробят до размера частиц 0,3 мм и направляют в печь для проведения активации при 875^oС в атмосфере водяного пара. Расход пара поддерживают в пределах 5,0-5,1 кг/кг а.у. Через 3,0 часа уголь выгружают и анализируют.Example 1. Take 5.0 kg of low-caking coal brand CC (2СС), GOST 10355-84 and 0.42 kg of coal tar pitch having a melting point of 70 ^o C. The mixture is ground in a ball mill to a particle size of 5-90 microns, temperature milling at 25 ^° C. The resulting carbon-peel composition is molded into a 2 × 5 mm tablet using a hydraulic press at a specific pressure of 900 kg / cm ² and holding for 3 minutes. The moisture content of the paste was maintained at 2%. The tablets are heated in a rotary kiln to 550-650 ^o C, then crushed to a particle size of 0.3 mm and sent to the furnace for activation at 875 ^o C in an atmosphere of water vapor. Steam consumption is maintained within the range of 5.0-5.1 kg / kg a.u. After 3.0 hours, the coal is unloaded and analyzed.

Адсорбционная активность по ацетону составляет 42 мг/г, механическая прочность 96,5%,
Пример 2. Аналогично примеру 1 за исключением того, что берут пек с температурой плавления 110^oС, в количестве 20% к массе углепековой смеси. Смесь измельчают при 50^oС, влажность поддерживают на уровне 10% и формуют на гидравлическом прессе в брикеты при давлении 1500 кг/см², которые после карбонизации дробят до размеров 2,0 мм.The acetone adsorption activity is 42 mg / g, the mechanical strength is 96.5%,
Example 2. Analogously to example 1, except that they take the pitch with a melting point of 110 ^o C, in an amount of 20% by weight of the carbon mixture. The mixture is crushed at 50 ^o C, the humidity is maintained at 10% and molded in a hydraulic press into briquettes at a pressure of 1500 kg / cm ² , which, after carbonization, is crushed to a size of 2.0 mm.

Адсорбционная активность а.у. по ацетону составляет 43 мг/г, механическая прочность 97,0%. Adsorption activity a.u. acetone is 43 mg / g, mechanical strength 97.0%.

Пример 3. Аналогично примеру 1 за исключением того, что берут пек с температурой плавления 90^oС в количестве 14%, размол осуществляют при 37,5^oС, массу с влажностью 5% формуют на специальных вертикальных прессах в гранулы при давлении 1200 кг/см². Гранулы карбонизуют, дробят до 1,1 мм и активируют.Example 3. Analogously to example 1, except that they take pitch with a melting point of 90 ^o C in the amount of 14%, grinding is carried out at 37.5 ^o C, the mass with a moisture content of 5% is formed on special vertical presses into granules at a pressure of 1200 kg / cm ² . The granules are carbonized, crushed to 1.1 mm and activated.

Адсорбционная способность по ацетону 44 мг/г, прочность 97,1%. Acetone adsorption capacity 44 mg / g, strength 97.1%.

В табл. 1 представлены примеры 4-9, полученные аналогично примеру 1 по влиянию температуры пека на адсорбционную активность и механическую прочность углей. In the table. 1 presents examples 4-9, obtained analogously to example 1 on the influence of pitch temperature on the adsorption activity and mechanical strength of coals.

Как следует из полученных данных, при температуре плавления, равной 70-110^oС, достигается повышение адсорбционной емкости по ацетону в 1,6-1,8 раза и на 16-20% механической прочности. Это объясняется тем, что при понижении температуры пека в углях не развиваются ультрамикропоры, обеспечивающие высокую емкость по ацетону, а при использовании твердоплавких пеков ухудшаются кинетические свойства углей, что также ведет и к снижению их механических свойств.As follows from the obtained data, at a melting point of 70-110 ^o C, an increase in the adsorption capacity for acetone in 1.6-1.8 times and by 16-20% mechanical strength. This is explained by the fact that when the pitch temperature is lowered, ultramicropores do not develop in the coals, which provide a high acetone capacity, and when using hard-melting pitch, the kinetic properties of the coals deteriorate, which also leads to a decrease in their mechanical properties.

В табл.2 представлены данные, иллюстрирующие влияние совместного и раздельного размолов углепековых компонентов, а также влияние удельного давления при формовании гранул на достижение цели изобретения. Table 2 presents data illustrating the effect of joint and separate grinding of carbon components, as well as the influence of specific pressure during the formation of granules on the achievement of the purpose of the invention.

Экспериментальные данные убедительно показывают необходимость осуществления совместного помола твердого связующего (пека) и твердой угольной основы, при получении углей с высокими показателями адсорбционной активности и механической прочности, что объясняется равномерным обволакиванием угольных частиц частицами связующего. The experimental data convincingly show the need for joint grinding of a solid binder (pitch) and a solid coal base when producing coals with high adsorption activity and mechanical strength, which is explained by the uniform enveloping of coal particles by binder particles.

Опыты показали, что удельное давление при формовании играет важную роль при образовании пористой системы а.у. Наилучшие показатели обеспечиваются при удельных давлениях 900-1500 кг/см². При меньших давлениях формируются крупные разновидности пор, не адсорбирующие молекулы ацетона. При давлениях больше чем 1500 кг/см³ образуются очень мелкие поры, не доступные молекулам ацетона.Experiments have shown that the specific pressure during molding plays an important role in the formation of a porous a.u. The best performance is ensured at specific pressures of 900-1500 kg / cm ² . At lower pressures, large pore species are formed that do not adsorb acetone molecules. At pressures greater than 1500 kg / cm ³ very small pores are formed that are not accessible to acetone molecules.

Серией дополнительных экспериментов показано, что влажность пыли 2-10%, выдержка при прессовании, равная 5-20 минутам, также играет роль при получении а.у. с заданными свойствами. A series of additional experiments showed that dust humidity of 2-10%, holding time during pressing, equal to 5-20 minutes, also plays a role in obtaining a.u. with desired properties.

Из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение поставленной цели, а именно повышение адсорбционной емкости по ацетону и механической прочности. It follows from the foregoing that each of the signs of the claimed combination to a greater or lesser extent affects the achievement of the goal, namely, an increase in the adsorption capacity for acetone and mechanical strength.

А вся совокупность:
- использование твердых связующих, в количестве 8-20 мас.% с температурой плавления 70-110^oС;
- совместное измельчение угольно-пековой композиции при температурах 25-50^oС;
- повышение удельного давления при формовании до 900-1500 кг/см², является достаточной для характеристики заявляемого технического решения.And the whole set:
- the use of solid binders, in an amount of 8-20 wt.% with a melting point of 70-110 ^o C;
- joint grinding of coal-pitch composition at temperatures of 25-50 ^o C;
- the increase in specific pressure during molding to 900-1500 kg / cm ² is sufficient to characterize the claimed technical solution.

Claims (5)

1. Способ получения активного угля, включающий измельчение сырья, формование, карбонизацию, активацию и дробление, отличающийся тем, что измельчению подвергают смесь угольной основы и твердого связующего - пека с температурой плавления 70-110^oС, а формование измельченной смеси ведут при удельном давлении 900-1500 кг/см².1. The method of producing activated carbon, including grinding raw materials, molding, carbonization, activation and crushing, characterized in that the grinding is subjected to a mixture of a carbon base and a solid binder - pitch with a melting point of 70-110 ^o C, and the formation of the crushed mixture is carried out at specific pressure 900-1500 kg / cm ² . 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пек берут в количестве 8-20 мас. %. 2. The method according to p. 1, characterized in that the pitch is taken in an amount of 8-20 wt. % 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что совместное измельчение осуществляют при температуре 20-50^oС.3. The method according to p. 1, characterized in that the joint grinding is carried out at a temperature of 20-50 ^o C. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дробление ведут после карбонизации до размера частиц 0,3-2,0 мм. 4. The method according to p. 1, characterized in that the crushing is carried out after carbonization to a particle size of 0.3-2.0 mm 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что карбонизацию осуществляют со скоростью повышения температуры 20-25^oС/мин до температуры 550-650^oС, а активацию ведут в среде водяного пара при 870-900^oС.5. The method according to p. 1, characterized in that the carbonization is carried out at a rate of temperature increase of 20-25 ^o C / min to a temperature of 550-650 ^o C, and activation is carried out in a medium of water vapor at 870-900 ^o C.

Images