2Получение активного угля

2.1Стадии получения

Технология получения активных углей включает три стадии: на начальной стадии осуществляется подготовка исходного сырья, затем следуют две стадии термической обработки – карбонизация (пиролиз) и активация (газификация), которые обеспечивают увеличение содержания углерода и создание пористой структуры поверхности.

Первичной стадией получения углеродных сорбентов является процесс карбонизации (термическая обработка исходного сырья без доступа воздуха при температуре 400º-600ºС). Полученный таким образом материал не проявляет заметной сорбционной активности, т.к. его поры либо слабо развиты, либо слабо блокированы высокомолекулярными продуктами (смолами).

Стадия карбонизации не обеспечивает получения высокопористых углеродных материалов. Синтезировать их можно лишь путем дальнейшей обработки (активирования). Существует два основных способа активирования углеродных сорбентов. Первый заключается в высокотемпературной обработке материала в атмосфере окисляющих газов, второй – в его прокаливании после пропитки различными химическими реагентами.

В качестве окисляющих газов применяются углекислый газ либо водяной пар. Активация воздухом на практике применяется редко. Взаимодействие кокса с газообразными окислителями при активации ведет к частичному выгоранию углерода, которое характеризуется степенью обгара. Пористая структура в большей степени зависит от текстуры исходного кокса, размеров его частиц, степени обгара, наличия минеральных примесей. При небольших степенях обгара (до 50%) образуются преимущественно микропоры, увеличение степени обгара приводит к появлению более широких мезо- и макропор. Также в качестве газов-активаторов могут использоваться смеси кислорода с различными газами, сернистый газ, аммиак.

Химическая активация проводится при температуре 200-600 ºС. Уголь обрабатывают карбонатами, сульфатами, нитратами, азотной, серной, фосфорной кислотами, горячими концентрированными растворами солей, в частности хлористым цинком. Важным показателем химической активации является коэффициент пропитки. Выбор оптимального значения коэффициента пропитки обеспечивает получение адсорбента с заданной пористой структурой.

2.2Активация активных углей

Карбонизованные материалы отличаются пониженным содер­жанием кислорода и водорода, поэтому они активируются не­органическими химическими агентами не так легко, как некар­бонизованные. В качестве активирующих агентов в технике в основ­ном используются фосфорная кислота, хлорид цинка и сульфид калия. Кроме того, можно использовать химические вещества, оказывающие дегидратирующее действие — роданид калия, серную кислоту и другие химические соединения, которые в на­стоящее время пока не получили широкого распространения. Ниже перечислены эти вещества, частично оказывающие также и каталическое действие: металлический натрий, металличе­ский калий, оксид натрия, гидроксид натрия, гидроксид калия, карбонат калия, оксид кальция, гидроксид кальция, аммиак, хлорид аммония, хлорид алюминия, соли железа, соли никеля, сера, хлор, хлористый водород, бромистый водород, азотная кислота, нитрозные газы (иногда вместе с диоксидом серы), оксид фосфора (V), оксид мышьяка (V), бораты, борная кис­лота, перманганат калия.

Активирование фосфорной кислотой можно осу­ществить следующим образом: тонкоизмельченное сырье сме­шивается с раствором фосфорной кислоты, смесь осушается и нагревается во вращающейся печи до 400—600 °С. Известны процессы, которые проводятся при более высокой температуре (до 1100 °С). Для получения широкопористых углей, исполь­зуемых преимущественно для осветления, требуется значитель­но большее количество фосфорной кислоты, чем в производстве углей для очистки газа или водоподготовки. При активировании хлоридом цинка 0,4—5 ч. ZnCh в виде концентрированного раствора смешивают с 1 ч. сырья и смесь нагревают до 600— 700 °С. Схема процесса показана на рис. 2

Использование хлорида цинка для активирования в послед­ние годы сократилось в связи с проблемой загрязнения окру­жающей среды.

Для получения медицинских углей используют сульфид калия и смеси гидроксида калия и серы. Активирование производится без доступа воздуха во вращающихся печах при 800—900 °С. После выщелачивания сернистых соединений калия, обработки разбавленной соляной кислотой и отмывания от иона хлора уголь подвергается термической обработке при 500—600 °С с целью удаления серы, что увеличивает произ­водственные затраты.

Химически активированные угли нередко содержат относительно большое количество золы. Другим недостатком этого способа получения активных углей является необходимость регенерации химических ре­агентов, повышающая стоимость всего процесса производства углей.

К преимуществам способа следует отнести сравнительно короткое время активирования исходных материалов, большой выход углеродного остатка, хорошие адсорбционные свойства активного угля.

Получаемые по этой технологии из природного сырья (древесины, торфа, ископаемых углей) активные угли обладают в основном микропористой структурой, ограничивающей их адсорбционную активность по отношению к веществам с молекулярной массой более 500 Д. Гранулы углей имеют произвольную форму и шероховатый рельеф поверхности; они непрочные, разрушаются с выделением в кровь тонкой пыли. В результате клетки крови травмируются, а количество тромбоцитов и лейкоцитов после контакта с сорбентом может снижаться на 80 %. Угли содержат в большом количестве минеральные примеси (соединения калия, кальция, натрия, магния, железа, алюминия, кремния и др.), которые ухудшают адсорбционные и структурные свойства угля.

Рисунок 2 - Технологическая схема химического активирования хлоридом цинка:

1 — пропитка; 2 — кальцинирование; 3 — выщелачивание; 4 — экстракция; 5 — отмывка; 6 —мокрый помол; 7 — фильтрование; 8 — сушка; 9 — упаковка.

При обработке углеродсодержащих веществ окисляющими газами в соответствующих условиях часть углерода выгорает и удаляется с летучими компонентами и внутренняя поверх­ность увеличивается. В качестве окисляющих агентов исполь­зуются преимущественно водяной пар, диоксид углерода и кислород или воздух.

Введение в технологию операций по снижению содержания минеральных примесей (деминерализация), повышению прочности гранул и улучшению рельефа поверхности (капсулирование и дополнительная обработка гранул) позволяют улучшить отдельные свойства углей, но при этом ухудшаются их сорбционные характеристики.