CC BY
42
УДК 661.183.2
Еремина Е.А., Мухин В.М., Курилкин А.А., Королев Н.В.
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВНЫХ УГЛЕЙ НА ОСНОВЕ УГЛЕПЕКОВОЙ КОМПОЗИЦИИ
Еремина Елена Александровна, студентка 1 курса магистратуры факультета биотехнологии и промышленной экологии, e-mail: ereminaea.eco@vandex.ru; Мухин Виктор Михайлович, д.т.н., профессор;
Курилкин Александр Александрович, к.т.н., инженер I категории кафедры промышленной экологии; Королев Николай Владимирович, к.э.н., генеральный директор АО «ТопПром»; Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В данной работе анализируется состояние рынка углеродных адсорбентов в России и предлагается технология их производства, основанная на процессе брикетировании и использовании отечественного сырья - каменного угля и каменноугольного пека. Внедрение предложенной технологии должно решить проблему закупок качественных активных углей за рубежом, улучшить экономическое и экологическое состояние страны.
Ключевые слова: активные угли, технология, сорбенты, адсорбенты, сорбция.
TECHNOLOGY OF OBTAINING ACTIVE CARBONS IS BASED ON MIXTURE OF COAL AND COAL-TAR PITCH
Eremina E.A., Mukhin V.M., Kurilkin A.A., Korolev N.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In this paper the state is analyzed of the market of carbon adsorbents in Russia and offers the technology of their production, based on the process of briquetting and the use of domestic raw materials - coal and coal-tar pitch. The introduction of the proposed technology should solve the problem of purchasing high-quality active coal abroad, improve the economic and environmental condition of the country.
Keywords: active carbons, technology, sorbents, adsorbents, sorption.
95:5
В современном мире, в связи с интенсивным развитием всех отраслей промышленности, большое внимание уделяется углеадсорбционным технология, в частности активным углям. С помощью их пористой структуры возможно поглощать широкий спектр загрязняющих веществ из различных сред. Такие экологические угрозы, как загрязнение питьевой воды, почв пестицидами, угнетение состояния атмосферы, можно решить с помощью активных углей.С экономической точки зрения наша страна отстает от США, Японии и Европы в производстве активных углей на душу населения. В Европе этот показатель приблизительно равен 0,5 кг на человека в год, в России - 0,02 кг на человека в год. Данные показатели говорят о том, что нашей стране необходимо наращивать темпы роста производства активных углей для решения ряда экономических проблем и проблем, связанных с охраной окружающей среды и здоровьем человека [1]. В разработанной технологии использовался каменный уголь марки «Д» и пек каменноугольный электродный. Обусловлено это достаточными запасами каменного угля в России и доступность каменноугольного пека, который является остатком переработки каменноугольной смолы [2]. Предложенная технология заключается в следующих стадиях: приготовление смеси каменного угля и пека в процентном соотношении
соответственно, дроблении, размоле, брикетировании, дроблении брикетов, рассеве на фракции 0,5-3,5 мм, карбонизации, активации, охлаждении полученного продукта и рассеве его фракции, характерные для марки УПК-3 - 0,5 - 2,5 мм. По данной схеме получения определены оптимальные технологические параметры производства. Полученный образец соответствует
основным
показателям
качества:
насыпная
плотность - 430 г/дм , суммарный объем пор - 0,92 см3/г, прочность при истирании - 90,3%, объем микропор 0,35 см3/г. Полученные активные угли могут быть использованы при получении высокоэффективных блочных, противогазовых и зерненых катализаторов, химпоглотителей, создании средств индивидуальной защиты, санитарной очистки воздуха, в бытовых фильтрах и еще целом ряде важных производств. В мировой практике метод получения углеродных сорбентов на основе углепековой композиции является одним из самых распространенных. В США, Бельгии, Китае функционируют заводы такого типа, и продукция имеет высокие показатели качества [3].
Установлено, что при давлении менее 4 т/см2 получают развитие преимущественно транспортные поры. При более высоком давлении снижается реакционная способность композиции и возрастает время активации. Поэтому предпочтение отдается давлению в 4 т/см2.
Таблица 1. Характеристика активных углей, полученных при разном давлении прессования
Давление прессования, кг/см2 г/дм3 П, % V х , Адсорбционная способность по 0, по бензолу, мин
3/ см /г см3/см3 3/ см /г см3/см3 йоду, % МГ, мг/г
1000 437 71 0,90 0,43 0,30 0,16 81 233 50
2000 444 82 0,89 0,42 0,33 0,19 82 241 53
4000 464 88 0,88 0,45 0,36 0,20 84 243 56
6000 472 93 0,74 0,40 0,34 0,21 86 248 58
Д - насыпная плотность, П - прочность при истирании, V х _ суммарный объем пор, Уми - эффективный объем микропор, МГ _ метиленовый голубой, 0 _ время защитного действия.
Таблица 2. Характеристика активных углей, полученных при разной температуре карбонизации
Температура карбонизации, °С Выход, % г/дм3 П, % V х , ^^ми Адсорбционная способность по 0, по бензолу, мин
см3/г см3/см3 см3/г см3/см3 йоду, % МГ, мг/г
500 32,0 437 83 0,71 0,31 0,31 0,13 78 229 51
550 29,4 460 86 0,82 0,38 0,37 0,17 82 240 56
600 28,8 462 88 0,91 0,42 0,39 0,18 85 253 57
650 28,1 471 88 0,87 0,41 0,38 0,18 84 250 55
700 26,3 482 89 0,83 0,40 0,36 0,17 81 243 52
Д _ насыпная плотность, П _ прочность при истирании, V х _ суммарный объем пор, Уми _ эффективный объем микропор, МГ _ метиленовый голубой, 0 _ время защитного действия.
Примечание _ изотермическая выдержка 30 мин., массовая доля воды полученных образцов _ 1,2%, массовая доля золы _ 7,8-8,4%, выход летучих веществ _ 5,6-9,2%
Из табличных данных следует, что оптимальной температурой карбонизации является 600 °С. При такой температуре сохраняются высокие
прочностные свойства и закладывается наибольшее количества кристаллитов углерода, что обеспечивает развитие высокой микропористости.
При выбранной температуре 600 ° и изотермической выдержке 30 мин. было изучено влияние скорости нагрева на свойства получаемых углей.
Таблица 3. Характеристика активных углей, полученных при разной скорости подъема температуры
Скорость подъема температуры °С/мин Выход, % г/дм3 П, % V х , Vми Адсорбционная способность по 0, по бензолу, мин
см3/г см3/см3 см3/г см3/см3 йоду, % МГ, мг/г
5 32,4 480 87 0,88 0,42 0,38 0,18 86 252 56
10 28,8 462 88 0,91 0,42 0,39 0,18 85 253 57
15 22,1 451 83 0,96 0,43 0,33 0,15 81 244 50
20 20,4 420 80 1,04 0,43 0,29 0,12 74 218 48
Д _ насыпная плотность, П _ прочность при истирании, V х _ суммарный объем пор, Уми _ эффективный объем микропор, МГ _ метиленовый голубой, 0 _ время защитного действия.
Примечание _ изотермическая выдержка 30 мин., массовая доля воды полученных образцов _ 1,2%, массовая доля золы _ 7,8-8,4%, выход летучих веществ _ 5,6-9,2%
Из приведенных в таблице данных следует, что оптимальной скоростью подъема температуры является 10°С/мин. При скорости подъема выше
Таблица 4. Характеристика активных углей,
этого значения идет бурное выделение летучих веществ и выход продукта снижается, ухудшаются его характеристики. Скорость нагрева ниже 10°С/мин дает такие же показатели качества и выхода, как и при скорости нагрева 10°С/мин, но экономически не оправдана так как процесс протекает слишком долго. полученных при различном расходе пара
Расход водяного пара (в пересчете на воду), мл/час Выход, % Д, г/дм3 П, % V х , Vми Адсорбционная способность по 0, по бензолу, мин
см3/г см3/см3 см3/г см3/см3 йоду, % МГ, мг/г
40 27,9 443 82 0,88 0,39 0,35 0,15 81 233 52
50 28,2 458 86 0,90 0,41 0,35 0,16 83 241 55
60 28,8 462 88 0,91 0,42 0,39 0,18 85 253 57
70 24,9 460 84 0,86 0,40 0,36 0,16 83 235 54
Д _ насыпная плотность, П _ прочность при истирании, V х _ суммарный объем пор, Уми _ эффективный объем микропор, МГ _ метиленовый голубой, 0 _ время защитного действия.
Как следует из данных, приведенных в таблице 4, оптимальным расходом водяного пара в пересчете на воду является 60 мл/час. Уменьшение подачи пара ниже этого значения приводит к недостаточному развитию микропор, хотя выход продукта остается на высоком уровне. А повышение
Как следует из данных, приведенных в таблице 5, оптимальной температурой активации является 860 °С. При повышении температуры возрастает поверхностный обгар и снижается развитие микропористой структуры, что ухудшает адсорбционные свойства активных углей. Снижение температуры до 800 ° позволяет увеличить выход продукта и сохранить качественные показатели, однако значительно увеличивает время активации (в 1,5-1,8 раза), что не оправдано в производственных условиях.
На основании результатов опытов даны предложения по разработке проекта получения активных углей из углепековой композиции методом брикетирования:
• Исходное сырье: каменный уголь марки Д и каменноугольный пек;
расхода пара приводит к снижению выхода продукта за счет интенсивного обгара.
При выбранном расходе пара на активацию -60 мл/час было изучено, как влияет температура активации на качество продукта.
• Соотношение каменного угля и пека - 95:5;
• Карбонизация смеси при температуре 600 °С;
• Скорость подъема температуры при карбонизации - 10 °С/мин;
• Активация при температуре 860 °С;
• Расход пара при активации 60 мл/час в пересчете на воду.
Список литературы
1. Мухин В.М., Тарасов А.В., Клушин В.Н. Активные угли России. М.: Металлургия, 2000 352 с.
2. Экономика России, цифры и факты. [Электронный ресурс]. URL: https://utmagazine.ru/posts/10449-ekonomika-rossii-cifry-i-fakty-chast-5-ugolnaya-promyshlennost
3. Каталог Chemviron Carbon, 2001 - 24 с.
Таблица 5. Характеристика активных углей, полученных при различной температуре активации
Температура активации, °С Выход, % г/дм3 П, % V х , Vми Адсорбционная способность по 0, по бензолу, мин
см3/г см3/см3 см3/г см3/см3 йоду, % МГ, мг/г
800 29,4 460 88 0,90 0,41 0,38 0,17 84 249 56
860 28,8 462 88 0,91 0,42 0,39 0,18 85 253 57
950 23,3 444 81 0,96 0,43 0,34 0,15 81 241 53
Д - насыпная плотность, П - прочность при истирании, V 2 _ суммарный объем пор, Уми - эффективный объем
микропор, МГ - метиленовый голубой, 0 - время защитного действия.
