СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВНОГО УГЛЯ ИЗ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОТХОДОВ
METHOD OF PRODUCING ACTIVATED CHARCOAL FROM PLANT WASTES

Изобретение относится к способам получения активных углей из сельскохозяйственных растительных отходов, которые могут использоваться в различных агротехнологиях, а также процессах защиты окружающей среды.
Известен способ получения активного угля для защиты сельскохозяйственных культур от остатков пестицидов в почве, включающий смешение измельченного каменного угля со связующим, гранулирование смеси, подсушку гранул, их карбонизацию со скоростью подъема температуры 10-19°С/мин до 550-650°С, а затем со скоростью подъема температуры 4-8°С/мин до 800-850°С и активацию водяным паром при 850-950°С, при его расходе 7-10 кг/кг карбонизованного продукта (см. патент №2167102, кл. С01В 31/08, опубл. 20.05.2001 г.).
Недостатками известного способа являются сложность осуществления процесса и большие энергозатраты.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения активного угля из сельскохозяйственных растительных отходов (соломы), включающий карбонизацию соломы при 100-500°С в инертной атмосфере со скоростью нагревания 1-20°С/мин и химическую активацию без доступа воздуха при 350-400°С (см. патент ES №8802448, кл. B27K 3/04, опубл. 01.10.1988 г.).
Недостатком прототипа является низкая адсорбционная способность получаемого активного угля (АУ) по поглощению полифенолов, в частности двухатомных полифенолов, таких как резоцин (м-диоксибензол) и гидрохинон (п-диоксибензол) и низкий выход готового продукта.
Адсорбция этих полифенолов АУ важна при выращивании многих растений их семян, так как входящий в дражеровочную оболочку АУ поглощает эти фитоксиканты, увеличивая рост проростков.
Поставленная цель достигается предлагаемым способом, включающим карбонизацию в инертной атмосфере при температуре 450-500°C со скоростью подъема температуры 1-20°C/мин и активацию, причем в качестве соломы используют солому рапса, которую предварительно измельчают на куски 1-10 см, а по завершении процесса карбонизации осуществляют выдержку при конечной температуре в течение 30-60 мин, а активацию проводят водяным паром при температуре 820-850°C, подаваемым с расходом (3-5) кг на 1 кг карбонизованного продукта.
Отличие предлагаемого способа от прототипа состоит в том, что в качестве соломы используют солому рапса, которую предварительно измельчают на куски 1-10 см, а по завершении процесса карбонизации осуществляют выдержку при конечной температуре в течение 30-60 мин, а активацию проводят водяным паром при температуре 820-850°C, подаваемым с расходом (3-5) кг на 1 кг карбонизованного продукта.
Из научно-технической и патентной литературы авторам не известен способ получения активного угля из растительных отходов, в котором в качестве соломы используют солому рапса, которую предварительно измельчают на куски 1-10 см, а по завершении процесса карбонизации осуществляют выдержку при конечной температуре в течение 30-60 мин, а активацию проводят водяным паром при температуре 820-850°C, подаваемым с расходом (3-5) кг на 1 кг карбонизованного продукта.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Порошковые активные угли получают путем измельчения активных зерненных углей, поэтому исходные зерненные активные угли могут иметь невысокую прочность, чтобы не увеличивать энергозатраты при размоле. Поэтому логично получать такие АУ из растительных сельскохозяйственных отходов, таких как солома рапса. Причем ее предварительное измельчение способствует оптимизации выхода готового АУ. Для формирования оптимальной пористой структуры для сорбции таких разветвленных молекул, какими являются двухатомные полифенолы, необходимо обеспечить не только требуемую температуру карбонизации 450-500°C, но и строго фиксированную выдержку при конечной температуре, чтобы закрепить сформировавшуюся структуру кристаллитов углерода - матрицу для формирования объема микропор.
Температура активации влияет на развитие объема микропор, обеспечивая преобладание в АУ объема микропор с размером 0,6-1,0 нм, наиболее благоприятных для адсорбции двухатомных полифенолов.
Варьируя расходом пара на 1 кг карбонизованного продукта, можно добиться нужного объема транстпортных пор, обеспечивая хорошую кинетику поглощения.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Берут соответствующее количество соломы рапса и измельчают ее до размера кусков 1-10 см. Затем нарезанные куски помещают в стальную реторту и ведут карбонизацию сырья в атмосфере азота со скоростью подъема температуры 1-20°C/мин до конечной температуры 450-500°C, и выдерживают при конечной температуре карбонизации в течение 30-60 мин.
По завершении процесса карбонизации реторту охлаждают, выгружают карбонизат и направляют его в печь активации (ретортную, вращающуюся барабанную, вихревого типа и др.), где ведут процесс активации перегретым водяным паром при 820-850°C и расходе пара 3-5 кг на 1 кг карбонизованного продукта.
Полученный активный уголь из соломы рапса оценивают на адсорбционную способность по поглощению из водного раствора резоцина и гидрохинона по стандартной методике.
Готовят водный раствор резоцина или гидрохинона с концентрацией 0,01 мг/л. Затем берут 1 литр раствора, куда добавляют 5 г угля и ведут перемешивание механической мешалкой в течение 30 мин. После чего уголь отфильтровывают от раствора и определяют остаточную концентрацию полифенола. Определение концентрации осуществляют на жидкостном хроматографе «Милихром 5-6». Адсорбционную способность по полифенолам определяют по формуле
исх
ост
а=((С-С)×1)/m,
где
а - адсорбционная способность, мг/г
исх
С - исходная концентрация полифенола, мг/г
ост
С - остаточная концентрация полифенола, мг/г
l - один литр раствора, л
m - масса навески АУ, г
Полученный по предлагаемому способу активный уголь имел адсорбционную способность по резоцину 0,0030-0,0050 мг/г, а по гидрохинону 0,0040-0,0050 мг/г; выход готового продукта составил 15-22% от веса карбонизата.
Активный уголь, получаемый по известному способу (пат.ES №8802448), имел адсорбционную способность по резоцину 0,0015 мг/г, а по гидрохинону 0,0020 мг/г, то есть значительно уступал АУ, полученному по предлагаемому способу. Выход готового продукта был 10-12% от веса карбонизата.
Пример 1
Берут 100 г соломы рапса, режут на куски 1 см, помещают в стальную реторту, которую закрывают крышкой с отводами, помещают в электропечь и подают в реторту азот для создания инертной атмосферы. Затем реторту нагревают со скоростью подъема температуры 5°C/мин до температуры 450°C и осуществляют выдержку при конечной температуре карбонизации в течение 30 мин. После завершения процесса карбонизации реторту охлаждают до комнатной температуры, выгружают карбонизат и, если требуется, доизмельчают его. Вес карбонизата составил 40 г.
Карбонизат загружают в ретортную печь активации и ведут процесс активации в ней перегретым водяным паром при температуре 820°С при расходе пара 3 кг на 1 кг карбонизованного продукта. После завершения активации ретортную печь охлаждают до комнатной температуры, выгружают из нее полученный активный уголь и определяют его адсорбционную способность. Адсорбционная способность полученного активного угля составила по резоцину 0,0030 мг/г, а по гидрохинону 0,0040 мг/г. Выход готового продукта составил 15% от веса карбонизата.
Пример 2
Проведение процесса как в примере 1 за исключением того, что солому рапса резали на куски размером 10 см, а карбонизацию осуществляли со скоростью подъема температуры 5°C/мин до температуры 500°C и осуществляли выдержку при конечной температуре в течение 60 мин. Активацию вели перегретым водяным паром при температуре 850°C при расходе пара 5 кг на 1 кг карбонизованного продукта. Полученный АУ имел адсорбционную способность по резоцину 0,0040 мл/г, а по гидрохинону 0,0045 мл/г. Выход готового продукта составил 22% от веса карбонизата.
Пример 3
Проведение процесса как в примере 1 за исключением того, что солому рапса резали на куски размером 5 см, а карбонизацию осуществляли со скоростью подъема температуры 5°С/мин до температуры 475°C и осуществляли выдержку при конечной температуре 45 мин. Активацию вели перегретым водяным паром при температуре 835°C при расходе пара 4 кг на 1 кг карбонизованного продукта. Полученный АУ имел адсорбционную способность по резоцину 0,0050 мл/г, а по гидрохинону 0,0050 мл/г. Выход готового продукта составил 18% от веса карбонизата.
Опыты показали, что при длине кусков соломы менее 1 см происходит разрушение структуры карбонизата и его невозможно активировать, а при длине более 10 см возникают технические трудности загрузки печей карбонизации, что в обоих случаях снижает выход готового продукта.
Многочисленные исследования термических режимов процесса получения АУ показали, что при времени выдержки при конечной температуре менее 30 мин не происходит полного формирования кристаллов и при активации развивается макропористость, а при времени выдержки боле 60 мин уже идут процессы графитизации, что также снижает развитие объема микропор.
Эксперименты показали, что при температуре активации ниже 820°С развиваются преимущественно микропоры размером менее 0,6 нм, что ухудшает поглощение полифенолов, а при температуре активации свыше 850°C увеличивается поверхностный обгар, а не развитие объема микропор, что и снижает адсорбционную способность получаемого АУ.
Относительно расхода перегретого пара на 1 кг карбонизата было показано, что если этот параметр ниже 3 кг на 1 кг карбонизата, то остается много непроактивированного карбонизата, а если этот параметр выше 5 кг на 1 кг карбонизата, то преимущественно идет развитие объема макропор и одновременно увеличивается поверхностный обгар, что снижает как адсорбционную способность так и выход готового продукта.
Таким образом, из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение поставленной цели, а вся совокупность является достаточной для характеристики заявленного технического решения.