Получение активного угля из скорлупы кедрового ореха

Химия растительного сырья. 2003. №4. С. 61-64

УДК 630.867

ПОЛУЧЕНИЕ АКТИВНОГО УГЛЯ ИЗ СКОРЛУПЫ КЕДРОВОГО ОРЕХА

© Ю.Р. Савельева , А.Н. Кряжов, М.С. Богомолов, \В.Л. Ивасенко В. Т. Новиков

Томский политехнический университет, пр. Ленина 30, Томск, 634050 (Россия) E-mail: pheniks-100@rambler.ru

Рассмотрен способ получения активного угля из скорлупы кедрового ореха совмещением по продолжительности процессов карбонизации и активации в атмосфере водяного пара. Показано влияние температуры и продолжительности процесса на качество получаемого продукта.

Введение

В настоящее время активный уголь используется во многих процессах химической промышленности, для очистки отходящих газов и сточных вод, в ликероводочном производстве и медицинской отрасли. Только активный уголь позволяет удовлетворить постоянно возрастающие требования к чистоте питьевой воды. Успешному развитию современной адсорбционной техники в значительной степени способствует постоянное повышение качества этого продукта, обусловленное усовершенствованием способов его производства.

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.

Традиционно процесс производства активных углей состоит из двух стадий: пиролиза (карбонизации) и активации. Процесс активации осуществляется химическими и парогазовыми методами. Химические методы заключаются в прокаливании сырья в присутствии неорганического активатора (ZnCl2, H3PO4 и т.д.). В процессе химического активирования получают уголь с высокой активностью, но загрязненный различными неорганическими примесями и такой продукт не может быть использован в медицинской и пищевой промышленности. Парогазовые методы дают чистый продукт, не нуждающийся в дополнительной обработке, но при этом уменьшается выход активного угля. Активирующими агентами могут являться: инертные газы, диоксид углерода, воздух, водяной пар и др.

Представляет интерес возможность совмещения стадий пиролиза и активации по продолжительности процессов в одном аппарате [1], что имеет явные преимущества с экономической точки зрения по сравнению с классическими методами. В качестве активирующего агента был выбран водяной пар ввиду его доступности и дешевизны.

Выбор скорлупы кедровых орехов обусловливается тем, что получаемые при этом зерненные активные угли отличаются отсутствием вредных примесей (при парогазовом методе активации), высокой механической прочностью и очень тонкими порами, что делает их идеальными для медицинских, пищевых и других аналогичных целей. При этом также решается проблема рационального использования растительного сырья, в частности, отходов переработки кедрового ореха, которые в большом количестве образуются на территории Сибирского региона. Скорлупа кедрового ореха - это прекрасное вторичное сырье, с низкой себестоимостью [2, 3].

* Автор, с котормы следует вести переписку.

62

Ю.Р. Савельева, А.Н. Кряжов, М.С. Богомолов, В.Л. Ивасенко, В.Т. Новиков

Экспериментальная часть

В качестве исходного сырья использовали измельченную до размера 2,0-8,0 мм скорлупу кедровых орехов, высушенную до постоянного веса при температуре 105 °С. Процессы пиролиза и активации проводились в трубчатом реакторе, оснащённом системой подачи пара. Расход пара (взятый с избытком) был равен 0,048 м3/час. Обогрев реактора производился с помощью электропечи. Подача пара осуществлялась в первом варианте в начале процесса пиролиза, для удаления воздуха из реактора и в конце для активации полученного угля. Активация проводилась при температурах 600, 650, 700 °С с продолжительностью от 1 до 3 ч. В качестве параметров, регулирующих процесс, были выбраны температура активации и продолжительность процесса.

Во втором варианте подача пара была непрерывной для совмещения процессов пиролиза и активации.

Пиролиз скорлупы кедровых орехов (в количестве 30 г) проводился до прекращения выделения жидких и газообразных продуктов, состав которых был изучен ранее [4]. Объём образующихся газов пиролиза был выбран в качестве параметра, контролирующего протекание процесса.

Охлаждение готового активного угля происходило в реакторе. Его выгрузка осуществлялась при температуре 40 °С.

Для контроля за качеством полученного активного угля были выбраны метод определения суммарной пористости по ГОСТу 17219-71 и метод определения адсорбционной активности угля по метиленовому голубому в соответствии с ГОСТом 4453-74.

Обсуждение результатов

Процессы пиролиза различного лигноцеллюлозного сырья достаточно хорошо изучены, и при этом идентифицировано большинство химических соединений, образующихся при различных условиях [2-5]. Выделение газов пиролиза из древесины начинается при температурах 200-250 °С. В этой области температур протекают реакции термического разложения гемицеллюлоз. В интервале температур 250350 °С происходит разложение целлюлозы. Максимальный объем газов выделяется при температурах около 350-450 °С, при которых происходит реакция термического разложения лигнина. В состав газов входят оксид углерода, диоксид углерода и метан.

При дальнейшем повышении температуры наблюдается заметное снижение выделения газов, что говорит о полноте разложения органических веществ. Небольшое повышение выхода газов, при достижении температуры 800 °С обусловлено окончательным разложением высококипящих компонентов лигнина [5].

Для корректной оценки предлагаемого способа получения активного угля из скорлупы кедрового ореха, в первом варианте он был получен по классической технологии. Результаты представлены в таблицах 1 и 2.

Из полученных результатов видно, что с увеличением температуры процесса происходит рост качества продукта по 2 анализируемым параметрам, но выход продукта снижается. В области, где величина адсорбционной активности достигает ГОСТа (225 мг/г), выход составляет 20-23%, что соответствует ранее полученным результатам [4]. Небольшой выход продукта может быть объяснен тем, что в процессе пиролиза происходит обгар скорлупы, разрушение её пор за счёт кислорода воздуха, содержащегося в порах свежей скорлупы.

Влияние этого фактора может быть устранено непрерывной подачей пара при совмещённом процессе пиролиза и активации. Соответствующие результаты представлены в таблицах 3 и 4.

Таблица 1. Выход активного угля при разных температурах и продолжительностях термообработки по классической технологии

Продолжительность термообработки, ч

°С 1 2 3

г % г % г %

600 9,24 30 8,69 28 8,22 27

650 7,98 26 6,85 23 5,97 20

700 5,31 18 3,06 10 1,3 4

Таблица 2. Изменение свойств активного угля в зависимости от условий его получения по классической технологии

Продолжительность термообработки, ч

Температура, °С 1 2 3

суммарная адсорбционная суммарная адсорбционная суммарная адсорбционная

пористость, активность, пористость, активность, пористость, активность,

см3/г мг/г см3/г мг/г см3/г мг/г

600 0,683 125 0,848 159 0,984 187

650 0,879 162 1,192 221 1,407 264

700 1,043 193 1,516 282 336

Таблица 3. Выход активного угля при разных температурах и продолжительностях термообработки при совмещенном процессе

Продолжительность термообработки, ч

°С 1 2 3

г % г % г %

600 9,27 31 8,65 29 8,31 28

650 8,71 29 8,22 27 6,86 23

700 5,94 20 3,06 13 2,65 9

Таблица 4. Изменение свойств активного угля в зависимости от условий его получения при совмещённом процессе

Продолжительность термообработки, ч

Температура, °С 1 2 3

суммарная адсорбционная суммарная адсорбционная суммарная адсорбционная

пористость, активность, пористость, активность, мг/г пористость, активность,

см3/г мг/г см3/г см3/г мг/г

600 1,168 214 1,354 249 1,552 286

650 1,339 245 1,990 290 2,005 301

700 1,623 291 2,087 312 2,281 330

Полученные результаты показывают, что при температуре активации 650 °С и продолжительности процесса 1-2 ч происходит увеличение выхода (на 4-6%) и адсорбционной активности продукта, по сравнению с предыдущим способом (табл. 1, 2). Дальнейшее увеличение температуры или

продолжительности процесса активации (в этом режиме) дает незначительный рост показателей продукта, но ведет к увеличению энергозатрат и расхода пара. При снижении температуры и продолжительности процесса активации качество полученного продукта не достигает значений ГоСТа.

В предложенном способе пористая структура активного угля образуется также за счет удаления образующихся в результате пиролиза летучих компонентов вместе с паром.

Выводы

Предложен новый способ получения активного угля путем совмещения стадий пиролиза и активации скорлупы кедрового ореха.

Способ позволяет увеличить выход активного угля на 4-6%, по сравнению с аналогичным показателем классического способа.

Способ не требует дорогостоящего оборудования, обеспечен сырьевой базой - отходами предприятий по переработки кедрового ореха.

Список литературы

1. Патент РФ №2196732. Способ получения активного угля из скорлупы кедрового ореха / Ивасенко В.Л., Новиков В.Т., Савельева Ю.Р. // БИ. 2003. №2.

2. Ефремов А.А., Павлова Е.С., Оффан К.Б., Кротова И.В. Получение целлюлозосодержащих продуктов из скорлупы кедровых орехов в условиях органосольвентного способа в среде уксусной кислоты // Химия растительного сырья. 1998. №3. С. 87-91.

64 Ю.Р. Савельева, А.Н. Кряжов, М.С. Богомолов,

В. Л. Ивасенко

, В.Т. Новиков

3. Оффан К.Б., Петров В.С., Ефремов А.А. Закономерности пиролиза скорлупы кедровых орехов с образованием древесного угля в интервале температур 200-500 °С // Химия растительного сырья. 1999. №2. С. 61-64.

4. Ефремов А.А., Оффан К.Б., Киселев В.П. Исследование состава жидких и газообразных продуктов пиролиза кедровых орехов //Химия растительного сырья. 2002. №3. С. 43-47.

5. Козлов В.Н. Пиролиз древесины. М., 1972. 456 с.

Поступило в редакцию 3 декабря 2003 г.

После переработки 25 января 2004 г.