РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ В УГОЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

Мазурова Е.В., Епифанцева Н.С., Петров В.С., Симкин Ю.Я.

(СибГТУ, г. Красноярск,  РФ)

 

There have been investigated some substances as catalyzing agents in activation process of char coal sorbents. There have been studied its influence upon the coals formation structure. There have been established the dependence of active coals characteristics on factions size. There have been researched some coals characteristics. There have been suggested the technologies of active coals obtaining with ion-changing characteristics with the usage of oil asphalt and persulpfuric ammonium.

 

Актуальная задача настоящего времени – глубокая, комплексная переработка растительного сырья, в том числе древесного. В решении данной проблемы заметная роль принадлежит лесохимической переработке древесных отходов. Одно из направлений – их пирогенетическая переработка на угольные материалы различного назначения. Перспективным является получение новых сорбентов, с ионообменными свойствами на основе древесного угля.

Известны химические и физико-химические способы превращения древесного угля в активный. При выборе способа активации учитывают многие параметры, как то: выход продукции (потери угольного материала), качественные адсорбционные характеристики получающегося конечного продукта, а также учитываются все характеристики всех компонентов, участвующих в процессе превращения в угли. Каждый из способов имеет свои преимущества и недостатки.

         Активация химическими способами проходит при низких температурах. Активация физическая (как правило, парогазовая) протекает при высоких температурах. Кроме того, химическая активация предусматривает наличие определенных мер безопасности при транспортировке, хранении и использовании химикатов, наличие охраняемых складов. Вторым важным аспектом оказывается конструкция и материал аппаратов для осуществления процесса активации угля. Высокотемпературные процессы требуют специальных металлических и неметаллических материалов. Они, как правило, дорогостоящие. Практика показывает, что наиболее удачные технологические решения возникают на стыке или при сочетании различных методов.

         Если активным углям придать ионообменные свойства, то  они могут быть эффективно использованы и как сорбенты, и как ионообменники. Наилучшим вариантом придания активным углям таких свойств будет сочетание применения химического и физико-химического воздействия. Задача исследований состояла в отыскании веществ, пригодных для применения в процессе улучшения их адсорбционно-ионных свойств активных углей.

         Из большого количества веществ для проведения работы были выбраны борная и ортофосфорная кислоты, нефтебитум и персульфат аммония. Применявшуюся в прежних работах перекись водорода мы отнесли к опасным веществам и исключили из перечня возможного применения.

         Из литературных источников известно, что борная и ортофосфорная кислоты воздействуют на формирование древесного угля, что приводит к увеличению его выхода из исходного материала. Наши исследования должны были установить, не связано ли увеличение выхода с другими характеристиками, например, адсорбционными свойствами. Результаты показали, что свойства угля не меняются.

Применение битума и персульфата аммония в качестве катализаторов привели к изменению структуры и свойств. Каждый из них оказывает своеобразное воздействие при обработке угля. Теоретически можно предположить, что роль битума заключается во внесении в реакционную зону имеющихся в нем каталитически воздействующих металлов, в частности ванадия, известного как сильный окислитель. Такой каталитический процесс приводит к формированию дополнительной пористой структуры в виде тонкой пленки на поверхности угольных частиц и придания углю ионообменных свойств.

Персульфат аммония, является хорошим окислителем за счет атомарного кислорода, выделяющегося в процессах реакции разложения в малых количествах. Этот кислород сразу вступает в реакцию, не накапливаясь в больших объемах. Поэтому персульфат аммония не представляет опасности. Он, воздействуя  на уголь, меняет его структуру, придавая углю ионообменные свойства.

Установленное каталитическое и окислительное воздействие использованных веществ позволили сделать выбор в их пользу и провести дальнейшие исследования по разработке принципиальных основ технологии активных углей-ионообменников.

Структурные изменения, установленные в образцах углей, полученных при действии химических регентов, играют существенную роль в процессе дальнейшего окисления. До 60 % поверхностных сильнокислотных групп образуется при действии персульфата аммония, тем самым повышая величину сорбционной обменной емкости углей по щелочи.

На основании проведенных исследований приняты принципиальные решения  по составу технологий получения активных углей с ионообменными свойствами. Предложение по технологии активных углей с применением персульфата аммония выглядит таким образом. Измельченный высококачественный древесный уголь в реакторе смешивают с порошкообразным персульфатом аммония, выдерживают определенное время, в течение которого атомарный кислород воздействует на помещенный уголь. Подобному воздействию подвергают и активный уголь. Таким образом, обработанные древесный и активный угли приобретают ионогенные группы. Для повышения содержания ионов в угле его продувают ионизированным воздухом.

Был поставлен эксперимент по установлению влияния размеров  зёрен угля и соотношения уголь-нефтебитум на характеристики активного угля. Температура процесса была постоянна и равна 850⁰С, что общепринято при активации древесноугольных материалов. Влияние нефтебитумной добавки экспериментально установлено только на фракции угля размером зёрен 1-2 мм. На более крупных фракциях это влияние незаметно. Изменение свойств активных углей проявилось при добавлении к углю 15, 30, 45% (массных) нефтебитума.

 

 

 

 

Технология получения активных углей с применением нефтебитума выглядит так. Дробленый уголь смешивают с нефтебитумом и помещают в реактор, медленно повышая температуру до 120⁰С (чтобы нефтебитум быстро не испарялся). Затем температуру поднимают до 850⁰С и осуществляют парогазовую активацию.

Применительно к различным областям потребления может быть рекомендована одна из описанных технологий превращения активного угля в сорбент с ионообменными свойствами.