Углеродные материалы на основе карбонизованной рисовой шелухи

Углеродные материалы на основе карбонизованной рисовой шелухи

Была изучена способность материалов на основе карбонизованной рисовой шелухи извлекать из воды ионы токсичных элементов – меди и кадмия в зависимости от температуры карбонизации и времени сорбции. Исследование проводилось в статических условиях. Полученный карбонизованный образец в количестве 0,5 г помещался в стакан, содержащий 50 см3 раствора со следующей концентрацией соли металла: медь – 5 мкг/см3, кадмий – 0,1 мкг/см3. По истечении фиксированного периода времени определяли остаточное содержание иона металла в воде методом атомно-адсорбционной спектроскопии. Далее по разнице исходной и полученной концентрации находили степень сорбции. Результаты сорбции меди и кадмия представлены в таблицах 10, 11. 

Таблица 10 - Зависимость степени поглощения ионов двухвалентной меди из раствора в зависимости от температуры карбонизации сорбента и времени контакта с раствором 

Продолжение таблицы 10 

Таблица 11 - Зависимость степени поглощения ионов двухвалентного кадмия из раствора от температуры карбонизации сорбента и времени контакта 

Продолжение таблицы 11 

Продолжение таблицы 11 

Температура карбонизации: 400 (1), 450 (2), 500 (3); 550 (4), 600 (5), 650 (6); 700 (7), 750 (8), 800 ºС (9) 

Рисунок 25 - Влияние продолжительности сорбции на степень поглощения ионов меди образцами карбонизованной РШ

Если представить результаты сорбции в графическом виде, то отчетливо видно, что большая часть ионов меди (рис. 25) сорбируется в первые 5 минут. Также четко просматривается влияние температуры карбонизации. Так, например, образцы, синтезированные при температурах ниже 600 ºС, обладают относительно низкой поглотительной способностью. Если же использовать совокупность всех вышеперечисленных факторов, то наиболее перспективным является углеродный материал, полученный при 650 ºС и времени процесса 60 минут. 

Температура карбонизации: 400 (1), 450 (2), 500 (3); 550 (4), 600 (5), 650 (6); 700 (7), 750 (8), 800 ºС (9) 

Рисунок 26 - Влияние продолжительности сорбции на степень поглощения ионов кадмия образцами карбонизованной РШ 

На рисунке 26 показана зависимость степени извлечения ионов кадмия от времени сорбции для рисовой шелухи, карбонизованной при различных температурах. Так же, как и в случае с сорбцией меди, наблюдается определённая пороговая температура, ниже которой сорбция проходит менее эффективно. В данном случае - это образцы, карбонизованные при температурах ниже 650 ºС. При анализе всех образцов можно отметить, что наиболее эффективным является РШ-750 при длительности сорбции 30 минут.

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что наноструктурированные углеродные материалы на основе РШ проявляют высокие сорбционные свойства, по отношению к ионам кадмия и меди. Известно, что процессы, протекающие на поверхности модифицированного сорбента при взаимодействии с ионами токсичных металлов, извлекаемых из водных растворов, характеризуются несколькими видами взаимодействий: сорбционными, ионообменными и комплексообразующими. Все виды взаимодействий имеют обратимый характер, что дает возможность многократно применять эти сорбенты.

Изобретение относится к области получения активного угля с повышенными показателями адсорбционной емкости при очистке водных сред от органических кислот, альдегидов и кетонов. Способ получения активного угля из косточек плодов и скорлупы орехов включает дробление сырья, карбонизацию в потоке диоксида углерода в интервале температур 400 - 750oС при соотношении косточки и газа 1 : 100 - 120, охлаждение карбонизата до 20 - 50oC и повторную карбонизацию при 750 - 900oC со скоростью нагрева 2 - 7 град/мин, парогазовую активацию и рассев готового продукта. Способ позволяет значительно повысить выход годного угля, до 48%, а а также объем микропор с преобладающим радиусом 0,5 - 0,7 нм, что делает перспективным его использование при поглощении уксусной кислоты, ацетона и других органических примесей.

Изобретение относится к технологии получения активного угля на основе косточек плодов и скорлупы орехов и может быть использовано для очистки водных сред питьевой воды, ликеро-водочных изделий и др., в медицине, а также для поглощения газов и паров.

Известен способ получения активного угля из скорлупы кокосовых орехов и плодов масличной пальмы путем карбонизации в вакууме при остаточном давлении менее 1 мм рт.ст., последующей активации и рассеве (заявка Великобритании N 2086867, опубл. 19 мая 1982, кл. C 01 B 31/08).

Недостатком известного способа является значительная сложность технологического процесса и аппаратуры, низкий выход углеродного остатка, узкий спектр пористой структуры получаемых углей.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения активного угля из скорлупы орехов, шелухи хлопковых семян, рисовой шелухи, включающий дробление, карбонизацию при 400-750oC, рассев и активацию при 900-1100oC без охлаждения карбонизата (патент Великобритании N 1233784, опубл. 05.05.1971. кл. C 1 A: C 01 B 31/10).

Недостатком прототипа является не возможность получения активных углей с высокой адсорбционной емкостью по отношению к таким примесям в водных растворах, как органические кислоты (например, уксусная кислота) и альдегиды или кетоны (например, ацетон).

Другим недостатком является низкий выход угля, сильное пылевыделение, плохая воспроизводимость качественных характеристик, обусловленная низкой плотностью карбонизата.

Цель изобретения - повышение адсорбционной емкости угля по таким плохосорбирующимся веществам, как уксусная кислота и ацетон, а также увеличение выхода готового продукта.

Поставленная цель достигается предлагаемым способом, включающим карбонизацию косточек плодов и скорлупы орехов, которую осуществляют при 400-750oC в потоке диоксида углерода при соотношении объема косточки и газа, равном 1: 100 - 120, после чего зерна охлаждают до 20-50oC и подвергают повторной карбонизации при 750-900oC со скоростью нагрева 2-7 град/мин, а рассев ведут после активации.

Отличие предлагаемого способа от прототипа состоит в том, что карбонизацию плодовых косточек и скорлупы орехов осуществляют в потоке диоксида углерода при соотношении объема косточки и газа, равном 1:100 - 120, после чего зерна охлаждают до 20-50oC и подвергают повторной карбонизации при 750-900oC со скоростью нагрева 2-7 град/мин, а рассев осуществляют после активации.

Осуществление карбонизации в потоке диоксида углерода при объемном соотношении частиц и газа, равном 1:100 - 120, с последующим охлаждением до комнатной температуры и повторной карбонизацией при 750-900oC со скоростью подъема температуры 2-7 град/мин в практике производства дробленых углей из уплотненного растительного сырья: косточек плодов и скорлупы орехов неизвестно.

Неизвестен и способ осуществления рассева таких углей после их активации.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.

Берут косточку сливы, абрикоса, персика, вишни или скорлуру орехов, которые дробят до размера частиц 0,3-5,0 мм и помещают их в печь (кипящего слоя, стационарную, вращающуюся), нагретую до 400oC и начинают пропускать диоксид углерода в объеме, равном 100-120 объемов взятой косточки. Печь нагревают до 750oC со скоростью 30-40 град/мин. После достижения 750oC карбонизат выгружают, охлаждают до 20-50oC, выдерживают при этой температуре не менее 60-80 мин, затем карбонизат снова загружают в печь, нагретую до 750oC и снова карбонизуют, медленно поднимая температуру до 900oC со скоростью 2-7 град/мин. После достижения 900oC в печь подают парогазовую смесь, состоящую из смеси диоксида углерода и водяного пара, и начинают активацию в течение не менее 6-10 ч. После достижения обгаров до 40-65% уголь выгружают, рассеивают и анализируют.

В предложенном способе пористая структура углеродных адсорбентов формируется в процессе карбонизации за счет удаления летучих и адсорбции диоксида углерода, который препятствует образованию трещин, пузырей и вздутий в частицах угля после выхода различных углеводородов, органических радикалов, водорода и др.

При охлаждении карбонизата заканчивается формирование первичной пористой структуры угля и образование монолитного каркаса.

Вторичная карбонизация с медленным подъемом температуры до 900oC обусловливает рекристаллизацию атомов углерода и образование продукта с высокой насыпной плотностью до 0,5-0,7 г/см3, что дает возможность при последующей активации сформировать большой объем микропор с преобладающим размером X = 0,5-0,7 нм, что и обеспечивает высокую степень поглощения таких органических веществ - загрязнителей водных сред - как ацетон и уксусная кислота.

В результате проведения многочисленных экспериментов было установлено, что на качество получаемого активного угля существенное влияние оказывает объем диоксида углерода, в присутствии которого проводят карбонизацию косточкового сырья, интервал температуры карбонизации, охлаждение после полного удаления летучих, а также скорость нагрева при вторичной карбонизации.

Определяющими являются: использование дробленого косточкового или орехового сырья, не отсеянного от пыли и мелкой фракции, интервал температуры карбонизации, которая должна находиться в пределах 400-750oC, охлаждение карбонизата до комнатной температуры 20-50oC, вторичная карбонизация при 750-900oC с медленным подъемом температуры 2-7 град/мин.

Карбонизация косточкового или орехового сырья при вышеуказанных параметрах дает возможность получать плотный, монолитный углеродный каркас с короткими неразветвленными каналами, которые при активации (окислении парогазовой смесью) увеличиваются до размеров 0,5-0,7 нм. Микропоры именно этих размеров и обеспечивают высокую эффективность получаемых углей по плохосорбирующимся веществам - уксусной кислоте и ацетону и др. (при очистке водных сред).

Рассев продукта от пыли после активации (а не после карбонизации) улучшает диффузионный процесс окисления карбонизованного продукта до активного угля и обеспечивает возможность воспроизводимости структурных характеристик углей.

Пример 1. Берут 1,0 кг косточки сливы, с влажностью 5,0%, выходом летучих 74,0%, содержанием золы 0,5%. Эти косточки раздрабливают до размера частиц 0,3-5,0 мм. Косточку загружают во вращающуюся электропечь, нагретую до 400oC, куда пускают диоксид углерода, при соотношении косточка: диоксид, равном 1:100. Температуру поднимают до 750oC и выдерживают 10-20 мин, затем карбонизат выгружают и охлаждают до температуры 20oC. После выдержки в течение 60 мин, карбонизованные частицы снова загружают во вращающуюся печь и вторично карбонизуют при 750oC со скоростью подъема 2,0 град/мин. Затем при 900oC в печь пускают смесь водяного пара и диоксида углерода, т.е. проводят активацию в течение 6 ч. После этого продукт выгружают и рассеивают на фракции.

Полученный уголь характеризуется высокими показателями по уксусной кислоте - 40 мг/г (МИ 205-72); ацетону - 30 мг/г (МИ 6-16-01-149-74).

Выход активного угля при этом составляет 45%.

Аналогичные показатели для угля по прототипу (патент Великобритании N 1233784): 33 мг/г (уксусная кислота); 19 мг/г (ацетон); выход угля - 28-33%, Пример 2. Берут 5,0 кг скорлупы грецкого ореха с влажностью 3,0%, выходом летучих 71,0%, содержанием золы 0,1%. Скорлупу раздрабливают до размера частиц 0,3-5,0 мм и помещают в стационарную печь. Печь нагревают до 400oC и подают диоксид в соотношении 1:120. Температуру поднимают до 750oC со скоростью 500 град/мин. После выдержки в течение 20 мин уголь выгружают в охлаждающий барабан и понижают температуру до 50oC. Выдержав уголь при этой температуре в течение 2 ч, его снова загружают в печь и начинают подъем температуры до 900oC со скоростью 7 град/мин. При 900oC в печь подают активатор в течение 6 ч.

Проактивированный продукт выгружают, рассеивают и анализируют.

Адсорбционная емкость таких углей по уксусной кислоте равна 41 мг/г, по ацетону - 32 мг/г, выход - 48%.

Пример 3. Берут 0,5 кг раздробленной до зернения 0,3-5,0 косточки абрикоса. Косточку помещают в печь кипящего слоя, нагретую до 425oC и подают туда диоксид в соотношении 1:110 (1 - косточка, 110 - диоксид объемных). Затем температуру поднимают до 750oC в течение 20 мин. После выдержки в течение 30 мин, уголь остужают до 35oC выгружают, выдерживают при этой температуре 1,5 ч и снова загружают в печь кипящего слоя, нагретую до 750oC и начинают нагревать до 900oC со скоростью нагрева 4,5 град/мин. При 900oC в печь подают активатор в течение 7 ч. Проактивированный продукт выгружают, рассеивают и анализируют.

Адсорбционная емкость таких углей по уксусной кислоте составляет 42 мг/г, ацетону 33 мг/г, выход угля - 46%.

Экспериментами установлено, что снижение объемной подачи диоксида углерода при карбонизации ниже 100 (на 1 объем косточки) приводит к уменьшению показателей по уксусной кислоте (до 32 мг/г) и ацетону (до 19 мг/г) получаемых углей.

Аналогичное понижение емкости по вышеуказанным веществам до 31 кг/г и 20 мг/г отмечено и при снижении темпа нагрева температуры до 0,5-1,5 град/мин во второй стадии карбонизации.

Опыты, проведенные по изучению влияния повышенного объема диоксида - выше 120 объемов на 1 объем частиц, показали, что повышенный расход его приводит к незначительному повышению емкости по исследуемым веществам. А повышение скорости подъема температуры во второй стадии карбонизации выше 7,0 град/мин приводит к уменьшению емкости поглощения этих углей до 19-20 мг/г по ацетону и 30-31 мг/г по уксусной кислоте.

Из вышеизложенного следует, что каждый из признаков предлагаемой совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение поставленной цели, а именно: повышение адсорбционной емкости по плохосорбирующимся веществам, например, по уксусной кислоте и ацетону, увеличение выхода готового продукта, а вся совокупность является достаточной для характеристики предлагаемого технического решения.

Способ является экологически чистым, не требует дефицитного и дорогостоящего оборудования, обеспечен сырьевой базой - отходами предприятий по переработке косточковых фруктов и орехов.

Формула изобретения

Способ получения активного угля из косточек плодов и скорлупы орехов, включающий дробление, карбонизацию при 400 - 750oС зерен, рассев и парогазовую активацию, отличающийся тем, что карбонизацию осуществляют в потоке диоксида углерода при объемном соотношении косточки и газа 1 : 100 - 120, после чего зерна охлаждают до 20 - 50oС и подвергают повторной карбонизации при 750 - 900oС со скоростью нагрева 2 - 7 град./мин, а рассев осуществляют после активации.

http://www.findpatent.ru/patent/211/2111923.html

© FindPatent.ru - патентный поиск, 2012-2016