ПРОИЗВОДСТВО АКТИВИРОВАННОГО ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «БИОЭНЕРГЕТИКА»

Баранов А. В.,

инженер-технолог,

Белорусский государственный технологический университет

Активированный (активный) уголь — это востребованный вид продукции, пористое вещество, которое получают из различных углеродсодержащих материалов органического происхождения: древесный уголь, каменноугольный кокс, нефтяной кокс, кокосовый уголь и др. Он содержит огромное количество пор и поэтому обладает очень большой удельной поверх­ностью на единицу массы и, как следствие, высокой адсорбцией. Его применяют во многих сферах народного хозяйства. Чаще всего — в медицине и промышленности для очистки, разделения и извлечения различных веществ. В данной ста­тье речь пойдет о технологии про­изводства активированного угля.

 

ОТЛИЧИЕ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ ОТ ОБЫЧНОГО ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ

Активированный уголь, как и древесный уголь, — это продукты пиролиза древесины при высокой температуре. Их отличие состо­ит в различии структуры: в активированном угле намного больше пор, и поэтому он об­ладает очень большой удельной поверхно­стью. Так, один грамм активированного угля в зависимости от технологии изготовления имеет поверхность от 500 до 1500 м², другими словами, площадь поверхности трех грам­мов активного угля больше, чем площадь футбольного поля! Благодаря этому свойству активированный уголь способен поглощать и задерживать в себе большое количество различных веществ.

 

Рис. 1. Активированный уголь

В активированных углях различают макро-, мезо- и микропоры. В зависимости от размеров молекул, которые нужно удер­живать на поверхности, уголь изготавли­вается с разным соотношением размеров пор. Поры в активном угле классифицируют по их линейным размерам на:

  • макропоры > 50 нм;
  • мезопоры 2–50 нм;
  • микропоры < 2 нм.

Микро-и мезопоры составляют наи­большую часть поверхности активирован­ных углей. Соответственно, именно они вно­сят наибольший вклад в их адсорбционные свойства. Микропоры особенно хорошо подходят для адсорбции молекул неболь­шого размера, а мезопоры — для адсорбции более крупных органических молекул.

Молекулы удаляемых загрязнителей удерживаются на поверхности активиро­ванного угля межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса. Таким образом, активиро­ванные угли удаляют загрязнители из очи­щаемых веществ (в отличие, например, от обесцвечивания, когда молекулы цвет­ных примесей не удаляются, а химически превращаются в бесцветные молекулы).

Эффективность угля как адсорбента за­висит от величины его доступной площади поверхности. На эффективность адсорбции могут также влиять такие факторы, как раз­мер молекул адсорбата, размер пор и гра­нул угля, температура и кислотность обра­батываемой среды.

НОРМИРУЕМЫЕ ФИЗИКО- ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ

На активированный древесный уголь действует ГОСТ 6217–74 «Уголь активный древесный дробленый. Технические усло­вия». По стандарту изготовление активного угля производится из древесного угля мар­ки А путем обработки его водяным паром при температуре выше 800 °C и предвари­тельного или последующего дробления.

В зависимости от назначения активный древесный дробленый уголь изготавливают четырех марок:

  • БАУ-А — в ликероводочном производ­стве и для адсорбции из растворов и водных сред;
  • БАУ-Ац — для наполнения ацетилено­вых баллонов;
  • ДАК — для очистки парового конденса­та от масла и других примесей;
  • БАУ-МФ — для адсорбции из водных сред в фильтровальных установках.

 По физико-химическим показателям активный древесный дробленый уголь дол­жен соответствовать требованиям и нор­мам, указанным в табл. 1.

Таблица 1. Физико-химические характеристики активного древесного дробленого угля

 

Примечания:

1. Массовая доля остатка на поддоне активного древесного дробленого угля марки БАУ-А, предназначенно­го для ликероводочной промышленности, должна быть не более 1,0 %.

2. По согласованию изготовителя с потребителем допускается массовая доля влаги в угле до 15 % с пересче­том фактической массы на 10 %-ную влажность.

Поясним назначение используемых показателей качества активных углей. Так, адсорбционная активность по йоду харак­теризует развитие микропористой струк­туры угля. В зависимости от полученных результатов делается вывод о пригодности угля для извлечения йода из водных раство­ров, а также о возможности использования его для очистки сточных и природных вод от многих классов органических и неорга­нических загрязнений.

Адсорбционные свойства по воде по­зволяют судить о гидрофильности углей и об удельном объеме пор в них. Метод опре­деления этого показателя основан на запол­нении водой пор активного угля размером от 0,5 до 104 нм при кипячении навески угля в воде. В конце испытаний проводится удале­ние избытка воды с поверхности зерен путем отсасывания её при определенных условиях.

Показатель прочности регламентиру­ется для активных углей марки БАУ-Ац, ис­пользуемых для наполнения ацетиленовых баллонов. Испытания проводят в специаль­ном аппарате, общий вид которого пред­ставлен на рис. 3.

 

Отметим, что означенные физико-хими­ческие показатели качества активного угля могут корректироваться путем изменения технологии его изготовления: температурой предпиролиза, средой и температурой акти­вации, её временем и другими факторами.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКТИВИРОВАННОГО ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ

  • В общем случае технология производ­ства активирования древесного угля вклю­чает в себя следующие последовательные стадии:
  • подготовка и дробление сырья (пре­имущественно — сырая щепа лиственных пород) до фракции 3…5 мм;
  • сушка древесного сырья в барабанной сушилке;
  • пиролиз сухого сырья при температуре 400…500 °C в специальной роторной печи;
  • активация пиролизованного угля в пе­чи активации при температуре 800…850 °C в парогазовой среде;
  • охлаждение активированного угля;
  • предварительная сортировка и рассев угля;
  • дополнительная обработка при необ­ходимости (отмывка кислотой, импрегниро­вание, измельчение, досушка);
  • упаковка готовой продукции в про­мышленную тару.

По химическому составу получаемый активированный уголь представляет со­бой: 93–94 % углерода, 4,7–5,3 % кислорода, 0,7–1 % водорода, 0,3–0,6 % азота, а также некоторые другие элементы в микроколи­чествах, например хлор или серу.

 

Рис. 4. Печь активации барабанного типа «КВАРК‑500» производительностью 0,25…2,7 т/сутки

Как видим, процесс изготовления акти­вированного угля является довольно слож­ным многостадийным процессом, требую­щим постоянного контроля на всех этапах производства. С другой стороны, все эти процессы поддаются автоматизации и мас­штабированию под необходимую произво­дительность в современных условиях раз­вития технологии и техники.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Активированный уголь имеет довольно широкую сферу применения:

  • металлургическая промышленность: в золотодобывающей промышленности, а также в производстве редкоземельных ме­таллов, таких как молибден и уран;
  • топливно-энергетическая промышлен­ность: для очистки питьевой воды и про­мышленных стоков от органических, хло­рорганических соединений и других загряз­нений;
  • нефте-и газодобывающая промыш­ленность: для ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов;
  • химическая промышленность: активи­рованный уголь применяется как носитель катализаторов, а во многих реакциях сам действует в качестве катализатора;
  • пищевая и медицинская промышлен­ность;
  • охрана окружающей среды. Порошко­образные активные угли используют для очистки воды однократно на городских станциях водоподготовки, вводя их во вре­мя или после коагуляции. Зернистые угли применяются для очистки воды фильтраци­ей в аппаратах со сплошным слоем сорбента типа механического фильтра воды. Волок­нистые активные угли имеют наибольшую эффективную площадь поверхности и могут применяться в фильтрах воды специальной конструкции. Они нашли широкое примене­ние в бытовых фильтрах очистки воды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Активированный уголь — это очень перспективный продукт глубокой пере­работки древесины. Привлекательность его производства заключается как в высо­кой отпускной цене готовой продукции, которая на сегодняшний день составляет 1400…2000 USD/т, так и в широкой сфере его применения. Также к несомненным плюсам следует отнести возможность переработки древесных отходов деревообрабатываю­щих производств, содержащих кору.

С другой стороны, следует учитывать, что из тонны сырой цепы выход активно­го угля составит не более 10…15 %, а также принимать во внимание сложность и насы­щенность оборудованием всех стадий тех­нологического процесса. Что, как следствие, приводит к значительным расходам на ор­ганизацию такого производства и необхо­димости детального расчета бизнес-пла­на. В настоящее время промышленность не производит малогабаритные печи для активации древесного угля, что затрудняет изготовление этого продукта на средних и малых предприятиях отрасли.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.