CC BY
21
УДК 661.183.2
Мухин В.М., Курилкин А.А., Гурьянов В.В., Алябышев С.В., Калашникова Ю.В. ПОЛУЧЕНИЕ АКТИВНОГО УГЛЯ НА ОСНОВЕ УГЛЕ-ПЕКОВОЙ КОМПОЗИЦИИ
Мухин Виктор Михайлович, доктор технических наук, профессор, начальник лаборатории активных углей Курилкин Александр Александрович, кандидат технических наук, научный сотрудник Гурьянов Василий Васильевич, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Алябышев Сергей Вячеславович, доктор философии по химии, научный сотрудник Калашникова Юлия Витальевна, инженер
Акционерное общество «Электростальское научно-производственное объединение «Неорганика», Электросталь, Россия 144001, г. Электросталь, Московская область, ул. К.Маркса, д. 4 e-mail: info@,neorganika.ru
Известно, что активные угли являются основой для нанесения каталитических добавок, обеспечивающих поглощение отравляющих и сильнодействующих веществ. Получаемый по технологии угле-пековых композиций (технология УПК) активный уголь АУ-УПК помимо традиционного применения данного типа сорбентов в очистке газообразных и жидких сред на основании своих свойств может использоваться в качестве катализатора в некоторых промышленных условиях.
Ключевые слова: активный уголь, угле-пековые композиции, противогазовая техника, катализаторы.
THE PRODUCTION OF ACTIVE CARBON BASED ON COAL-PITCHED COMPOSITION
Mukhin V.M., Kurilkin A.A., Guryanov V.V., Alyabyshev S.V., Kalashnikova Yu.V.
Joint-stock company "Elektrostal scientific-production entertainment "Neorganika", Elektrostal, Russia
It is known, active carbons are good base for catalytic addition impregnation providing the sorption ofpoison-gassing and strong substances. The active carbon by the technology of coal-pitched composition (the technology - CPC) with its properties can be used such as in usual purification of gaseous and liquid spheres, such as catalyst in some industrial conditions.
Keywords: active carbon, coal-pitched composition, gas-masked technique, catalysts.
Активные угли (АУ) - это высокопористые твердые вещества, получаемые на основе углеродосодержащего сырья (каменные угли, древесина, торф и др.), обладающие развитой внутренней поверхностью, достигающей 2500 м2/г и имеющие высокие поглотительные характеристики по примесям, находящимся в очищаемых средах (воздух, вода, почва и др.). В пористой структуре активного угля (объёме микропор и мезопор) происходит поглощение любых типов органических микропримесей за счёт адсорбционных сил (сил поверхностного взаимодействия) [1].
Область применения активных углей велика: очистка промышленных выбросов, очистка и доочистка питьевой воды, рекуперация летучих растворителей, производство лекарственных препаратов (энтеро- и гемосорбенты), производство ликёроводочной, пищевой продукции, детоксикация почв, улавливание паров бензина из топливных систем автомобиля, извлечение благородных металлов (золото, серебро, платина). Активные угли являются также основой для нанесения каталитических добавок, обеспечивающих поглощение отравляющих и сильнодействующих веществ [2].
Активные угли на основе угле-пековых композиций позволяют наиболее широко
охватывать области их применения. Поэтому в мировой практике это самый распространённый способ получения углеродных адсорбентов на основе каменноугольного сырья. Такие АУ обеспечивают достижение требуемых на
современном рынке адсорбционных технологий основных показателей их качества: прочность не менее 85,0%, объём микропор не менее 0,35 см3/г (0,12 см3/см3), содержание золы не более 10,0% масс.
В то же время активные угли типа УПК являются хорошей основой для нанесения хемосорбционных и каталитических добавок. Это особенно важно в области противогазовой техники, особенно для фильтрующих средств защиты органов дыхания [3[.
Получение активного угля АУ-УПК
В качестве угольной основы использовали смесь каменного угля марки Д с влажностью 5,3%, зольностью 7,8% и выходом летучих веществ 34,8% и пека каменноугольного электродного марки «В» с температурой размягчения 85-90 °С, влажностью не более 4,0%, зольностью не более 0,3% и выходом летучих веществ 53-57%.
Технологический процесс получения активного дробленого угля на основе угольно-пековой композиции включает следующие стадии (приводимые параметры процесса были выбраны в результате оптимизации):
- подготовка сырья;
- совместное дробление каменного угля и пека;
- размол смеси каменного угля и пека;
- формование угольно-пековой композиции в брикеты;
- дробление брикетов и их рассев;
- карбонизация дробленых частиц;
- активизация карбонизата и отсев от пыли;
- анализ готового продукта.
Получение угля АУ-УПК на основе угольно-пековой композиции проводилось на лабораторном оборудовании.
Совместное дробление каменного угля и пека. В исходный каменный уголь, взятый в виде кусков размером до 20 мм, добавляли пек. Массовая доля пека в смеси составляла 5 %, т.к. анализ зарубежных угле-пековых технологий указывал на такой порядок величин доли пека в технологиях УПК. Смесь дробили на щековой дробилке ВВ 50 «И^сЬ». В загрузочный бункер дробилки загружали смесь каменного угля и пека в количестве от 50 до 100 г, устанавливали зазор дробилки 1,2 мм, включали питатель и электропривод дробилки и вели процесс до израсходования материала в приемном бункере.
Процесс дробления повторяли несколько раз с последующим уменьшением величины зазора дробилки на очередном этапе до получения частиц с размерами менее 1 мм.
Размол смеси каменного угля и пека. Для размола дробленой смеси каменного угля и пека в тонкую пыль использовали планетарную шаровую мельницу РМ 200 «Я^сЬ». В распределительную воронку дозатора засыпали дробленую смесь в количестве от 100 до 200 г, устанавливали частоту вращения барабана мельницы в диапазоне от 6 до 10 тыс. оборотов в минуту. Включали дозатор и, исходя из показаний загрузки электропривода на пульте управления, настраивали частоту вибраций в диапазоне от 10 до 40 с-1. При размоле периодически (каждые 5-10 мин) выключали дозатор и мельницу, проверяли отсутствие обратного выбрасывания размалываемого материала из области размола, при необходимости проводили подстройку частоты вращения и скорости подачи материала и прочистку сит. Массовая доля остатка на сетке по ГОСТ
6613-86 с размером ячеек 0,09 мм не должна была превышать 2 %.
Формование угольно-пековой композиции в брикеты. Из смеси каменного угля и пека формовали брикеты (таблетки) на таблеточном прессе РР 25 «я^сь». В пресс-форму диаметром 40 мм загружали от 15 до 20 г смеси и прессовали с усилием прессования 20 т (2,5 т/см2) при комнатной температуре. Продолжительность изобарической
выдержки составляла от 15 до 30 сек. Толщина таблеток составляла от 5 до 10 мм, диаметр таблеток 32 мм.
Дробление брикетов и их рассев. Дробление брикетов, полученных на основе угольно-пековой композиции, производили на щековой дробилке ВВ 50 «Ке^сЬ» до размера частиц от 0,5 до 3,5 мм. Продукт дробления рассеивали на просеивающей машине ЛБ 200 «КезсЬ». Образующуюся мелкую фракцию собирали, накапливали в специальной емкости, измельчали в шаровой мельнице и направляли для использования в технологической стадии формования угольно-пековой композиции в брикеты. Зёрна дроблёного продукта с размером более 3,5 мм подавали обратно в дробилку для повторного измельчения.
Карбонизация дроблёных зёрен. Угольно-пековые зёрна размером от 0,5 до 3,5 мм карбонизовали в среде углекислого газа в ретортной печи, изготовленной из нержавеющей стали при температуре 600 °С со скоростью подъёма температуры 10 °С/мин и продолжительностью изотермической выдержки 30 мин. Температурный режим контролировали терморегулятором с термопарой.
Выделяющиеся в процессе термической обработки гранул паро- и газообразные вещества направляли через гидрозатвор в атмосферу.
Активация карбонизата и отсев от пыли. Активацию карбонизата проводили в среде водяного пара в ретортной печи, изготовленной из нержавеющей стали, при температуре 860 °С, со скоростью подъема температуры 10 °С/мин и продолжительностью изотермической выдержки 5-6 часов. Температурный режим контролировали терморегулятором с термопарой.
Выделяющиеся в процессе термической обработки гранул газообразные вещества направляли через гидрозатвор в атмосферу.
Исследование свойств полученного активного угля АУ-УПК
Полученный активный уголь АУ-УПК был испытан по ГОСТ и методикам, принятым в сорбционной технике:
- Насыпная плотность - по ГОСТ 16190-70;
- Прочность при истирании - по ГОСТ 1618870;
- Суммарный объём пор по воде - по ГОСТ 17219-71;
- Объём (эффективный) микропор - по ОСТ В 6-16-28-1652-2002;
- Время защитного действия по бензолу - по ГОСТ 17218-71;
- Массовая доля воды - по ГОСТ 12597-67;
- Сопротивление потоку воздуха - по МИ 00404838763-2016.
Результаты испытания в сравнении с отечественным и импортным аналогами приведены в таблице.
Таблица. Показатели качества активных углей
Показатель АУ-УПК АД-4* Р-400**
1. Насыпная плотность, г/дм3 458 480 470
2. Прочность при истирании, % 88,3 70,0 72,5
3. Суммарный объём пор, см3/г 0,90 0,75 0,78
4. Объём микропор, см3/см3 0,18 0,12 0,14
5. Время защитного действия по бензолу, мин 56 40 48
6. Массовая доля воды, % 4, 2 10,0 5, 0
7. Сопротивление потоку воздуха, мм вод. ст. 20,2 24,0 23,6
* - отечественный аналог, ** - зарубежный аналог
Как следует из результатов, представленных в таблице, образец АУ-УПК, полученный по угле-пековой технологии, обладает улучшенной микропористостью по сравнению с аналогами ~ на 15-17%, что повышает его адсорбционную способность по сравнению с отечественным аналогом на 40,0%, а по сравнению с зарубежным аналогом - на 16,7%. При этом прочностные свойства также возросли на 21 -27% по сравнению как с отечественным, так и с зарубежным аналогами. Стоит отметить, что относительно невысокое содержание влаги также даёт хорошие перспективы к использованию данного активного угля в промышленности.
На основе проведённых исследований был составлен лабораторный регламент на производство активных углей на основе угле-пековой композиции
[4].
Образцы полученного активного угля АУ-УПК были отправлены на дальнейшие исследования в
различные отрасли промышленности для использования в газо- и жидкофазных адсорбционных технологиях.
Список литературы
1. Мухин В.М., Клушин В.Н. Производство и применение углеродных адсорбентов. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012. - 307 с.
2. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. - М.: Химия, 1976. - 511 с.
3. Мухин В.М., Тарасов А.В., Клушин В.Н. Активные угли России. - М.: Металлургия, 2000. -352 с.
4. Лабораторный технологический регламент изготовления активного дроблёного угля на основе угольно-пековой композиции УПК ЛТР 2568-47604838763-2017 (утверждён генеральным директором АО «ЭНПО «Неорганика» 15.08.2017 г.).
