Теоретическое обоснование. Промышленные отходы, содержащие различные виды органических веществ (например

Промышленные отходы, содержащие различные виды органических веществ (например, опилки, стружки, обрезки в деревообрабатывающей промышленности, косточки и скорлупа плодов, остатки стеблей, кора и стержни початков в сельском хозяйстве, кости животных в пищевой промышленности и др.) могут служить наряду с другими естественными и искусственными органическими материалами прекрасным сырьем для получения пористых углеродных адсорбентов – активных углей, широко используемых в промышленности с целью очистки жидких и газообразных сред, рекуперации содержащихся в них ценных компонентов и производства катализаторов.

Активные угли выпускаются промышленностью в двух видах – порошкообразном и гранулированном. Производство активных углей обычно включает ряд операций, основными из которых являются термическая обработка сырья без доступа воздуха (карбонизация, сухая перегонка, пиролиз, термолиз, пирогенетическое разложение) с получением угля-сырца и активация последнего при повышенных температурах с использованием различных агентов активации, приводящая к образованию товарного продукта.

Целью первого этапа производства является удаление из сырья летучих веществ, влаги и, частично, смолы. Максимальная температура в стадии пиролиза зависит от типа используемого сырья. Для наиболее часто применяемой древесины она, как правило, составляет 450 - 550⁰С. Скорость нагревания сырья при карбонизации должна быть невысокой: при форсировании осуществления процесса, как отмечает академик Дубинин М.М., распределение образующихся первичных пор резко смещается в сторону более крупных разновидностей, которые при активировании образуют преимущественно мезо- и макропоры. По мере повышения температуры (до 150⁰С) пиролиз древесины сопровождается удалением влаги, при 170 - 270⁰С начинается образование оксида и диоксида углерода, небольших количеств паров уксусной кислоты и метилового спирта. При 270-280 ⁰С начинают происходить экзотермические реакции, причем выделение СО и СО₂ сокращается, а СН₃СООН и СН₃ОН – усиливается, интенсивно выделяются другие парообразные и газообразные вещества. Отгонка летучих продуктов завершается при более высоких температурах. Выход важнейших продуктов при пиролизе древесины иллюстрируется характеристиками, представленными в таблице 15. Образующаяся в стадии пиролиза структура угля-сырца обычно не позволяет использовать его по целевому назначению ввиду низкой сорбционной емкости и возможного загрязнения очищаемых жидких сред и рекуперируемых веществ продуктами выщелачивания.

В среднем пиролиз дает 32 — 38 % угля, 45 — 50 % жидких веществ и 16,5 — 18 % газообразных продуктов. Выход продуктов пиролиза древесины зависит от размеров и влажности сырья, температуры процесса и его скорости. Повышение температуры ведет к получению угля с более высоким содержанием углерода с одновременным увеличением выхода газов и смолы и снижением выхода уксусной кислоты и спиртовых продуктов. Увеличение скорости процесса ведет к уменьшению выхода угля и кислоты и возрастанию выхода смолы.

Активация угля-сырца, имеющая целью развитие в нем микропористой структуры, осуществляется, в основном, либо окислением угля-сырца при повышенных температурах газом или паром, либо его обработкой различными реактивами.

Наиболее часто агентами парогазовой активации являются диоксид углерода и водяной пар.

Таблица 14

ВЫХОДЫ ВАЖНЕЙШИХ ПРОДУКТОВ ПРИ СУХОЙ ПЕРЕГОНКЕ ДРЕВЕСИНЫ

Название продукта	Выход продукта в % от абсолютно сухой древесины
Береза	Сосна
Уголь древесный	31,80	37,83
Углекислый газ	9,96	10,13
Оксид углерода	3,32	3,74
Метан	0,54	0,59
Непредельные углеводороды	0,19	0,23
Уксусная кислота	7,08	3,50
Метиловый спирт	1,60	0,88
Ацетон	0,19	0,18
Метилацетат	0,02	0,01
Смола растворимая	8,15	8,03
Смола отстойная	7,93	11,79
Вода	27,81	22,27

При использовании СО₂ активацию осуществляют при температуре около 900⁰С. Часть угля в этих условиях выгорает (С + СО₂ → 2СО). Долю выгоревшего угля обозначают как «степень обгара», характеризующую внутреннюю структуру получаемого активного угля. Так, значительные степени обгара (>75%) приводят к получению макропористых структур, угли с достаточно развитой микро- и макропористой структурой получают при степенях обгара 60—75 %, степень обгара - 60% приводит к образованию наиболее микропористых углей.

Окисление водяным паром (взаимодействие водяного пара с углеродистым материалом: С + Н₂О → СО + Н₂; СО + Н₂О → СО₂ + Н₂), несмотря на довольно глубокую его изученность, остается процессом, подход к расчету режима которого является, в основном, эмпирическим (общая методика такого расчета отсутствует). В связи с этим на практике в большинстве случаев процесс осуществляют при 800…1000 ⁰С и расходе пара 2 - 4 кг/кг сырья, зачастую повышая производительность установки и в ущерб качества вырабатываемого адсорбента. Ввиду того, что взаимодействие угля с парами воды катализируется оксидами и карбонатами щелочных металлов, а также соединениями железа и меди, эти вещества иногда вводят в сырье в небольших количествах.

Активация воздухом или другими кислородсодержащими газами (С + О₂ → СО₂, 2С + О₂ → 2СО) в практике используется редко. Трудности создания равномерного температурного режима в реакторе приводят обычно к получению при парогазовой активации неоднороднопористых активных углей.

Химическую активацию осуществляют обычно при 200…650 ⁰С (в технологии производства ряда специальных активных углей – при 900…1000 ⁰С), подвергая уголь-сырец пропитке растворами солей, выделяющих при высоких температурах газ-окислитель, кислот-окислителей, ряда хлоридов и некоторых других веществ. Такие реагенты переводят целлюлозу в раствор, из которого при повышении температуры выделяется высокодисперсный аморфный углерод, формирующий микропористую структуру. Регулирование характера внутренней структуры адсорбентов в этом случае осуществляется вариацией коэффициента пропитки — отношения сухих масс активатора и угля-сырца. С увеличением этого коэффициента вначале развивается микропористость и происходит рост суммарного объема пор, при высоких значениях коэффициента пропитки развивается макропористость, сопровождающаяся уменьшением объема микропор. Получаемые химической активацией активные угли характеризуются большей однородностью структуры, как приготовляемой партии в целом, так и отдельных ее гранул (структурная идентичность периферийных и внутренних участков).

Технологические схемы получения порошкообразных активных углей принципиально мало отличаются от таковых для гранулированных адсорбентов. Более сложными, ввиду наличия экстракционного (удаление избытка активатора) и смежного оборудования являются схемы, работающие по принципу химической активации. Основным оборудованием являются печи-реакторы пиролиза и активации, смесители, формовочные машины, сушилки, промывные аппараты, экстракторы, классификаторы, устройства для затаривания готовой продукции, рекуперации ценных компонентов и обезвреживания отходов производства. Себестоимость производства порошкообразных активных углей является обычно более низкой, чем гранулированных.

Дата добавления: 2015-08-10