DE2202174B2

DE2202174B2 - Verfahren zur herstellung mikrokugelfoermiger kohlenstoffteilchen

Info

Publication number: DE2202174B2
Application number: DE19722202174
Authority: DE
Inventors: Yasuo Nishimura Yasushi Uehara Yasuo Tokio Amagi
Original assignee: Kureha Kagaku Kogyo KK, Tokio, Toyo Boseki K K, Osaka, (Japan)
Priority date: 1971-08-27
Filing date: 1972-01-18
Publication date: 1977-09-08
Also published as: CA966618A; DE2202174C3; GB1383085A; DE2202174A1; JPS5018879B2; JPS4831195A

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung mikrokugelförmiger Kohlenstoffteilchen durch Schmelzen und Dispergieren eines verkokbaren Ausgangsmaterials in Wasser zu kugelförmigen Teilchen, Behandlung dieser Teilchen zur Erhöhung ihres Erweichungspunktes und anschließende Karbonisierung derselben.

Kohlenstoffhaltige Materialien besitzen im allgemeinen spezielle Eigenschaften, die nicht bei anderen technischen Werkstoffen gefunden werden, wie z. B. hervorragende Wärmebeständigkeit, Korrosionsbe-' ständigkeit, Abriebfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit, und sie wurden dementsprechend auf verschiedenen Anwendungsgebieten, die gerade diese speziellen Eigenschaften erfordern, verwendet. Kohlenstoffhaltige Materialien werden als ausgeformte Gegenstände, wie z. B. Platten, Zylinder, fein verteilte Pulver, Splitter, kugelförmige Körner, Fasern und dergleichen verwendet. Kohlenstoffmaterialien in Mikrokugelform besitzen zusätzlich zu den obenerwähnten Eigenschaften hervorragende Isotropie, Formbeständigkeit und Verarbeitbarkeit, und ihnen wird daher große Aufmerksamkeit als Ausgangsmaterialien für die Herstellung verschiedener zusammengesetzter technischer Werkstoffe gewidmet.

Bei herkömmlichen Verfahren zur Herstellung kugelförmiger Kohlenstoffteilchen wurde unter anderem dem Kohlenstoffpulver ein Bindemittel beigemengt, und die Mischung in Kugelform ausgeformt. Diese Verfahren haben sowohl den Nachteil der schlechten Verarbeitbarkeit, die von der Notwendigkeit herrührt, die Pulver in dem Verfahrensschritt der Ausformung zu bearbeiten, als auch den Nachteil, daß die entstehenden Teilchen nicht einheitlich in der Größe sind, d. h. es ist schwierig, wirklich kugelförmige Teilchen zu erhalten. Außerdem ergeben die herkömmlichen Verfahren selten feine kugelförmige Kohlenstoff-

eilchen mit Größen, die kleiner als 1 mm bis herab zu einigen ΙΟμιη Durchmesser sind. Die nach den ierkömmlichen Verfahren hergestellten mikrokugelförnigep Kohlenstoffteilchen besitzen den Nachteil geringer Oberflächenfestigkeit, was beim Gebrauch Häufig zu Bruch führt.

Gemäß einem anderen, in der österreichischen Patentschrift 1 98 238 beschriebenen Verfahren werden _Zur Herstellung von vorwiegend aus Kohlenstoff bestehenden Materialien polymerisierbare Stoffe verwendet, die nach der Dispergierung in einer nicht lösenden Suspensionsflüssigkeit durch erhöhte Temperatur zu sphärischen Körpern polymerisiert und anschließend zur Erhöhung des Vernetzungsgrades einer Wärmebehandlung unterworfen werden. ,

Diese sphärischen Körper werden dann zn Kohlenstoff dehydriert. Es stellt jedoch einen Nachteil dar, daß das Ausgangsmaterial ein relativ hochwertiger polymerisicrbarer Stoff sein muß. Demgegenüber wäre es wünschenswert, das Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffteilchen durch Verwendung eines billigen Ausgangsmaterials wirtschaftlicher zu machen.

Weiterhin ist in den letzten |ahren durch die wachsende Beschäftigung mit industrieller Verschmutzung die Nachfrage nach Aktivkohle stark angestiegen. Aktivkohle ist in hohem Maße wirksam bei der Behandlung industrieller Abwasser, bei der Reinigung von Trinkwasser und beim Entschwefeln von Abgasen und Dämpfen. Dementsprechend besteht in der modernen Industrie ein hoher Bedarf für eine Technik zur Herstellung stabiler und qualitativ zufriedenstellendei Aktivkohle zu geringen Herstellungskosten, jedoch hängt die konvemionelle Aktivkohleherstellung von der Verfügbarkeit über Holzmaterialien, wie Sägemehl und Kokosnußschalen, ab. ,5

In den letzten Jahren sind deshalb auch Versuche unternommen worden, Aktivkohle aus Kohle herzustellen, aber da Kohle ein natürlich vorkommendes Material ist und ihre Eigenschaften weitgehend von dem Ursprungsort abhängen, ist es schwierig, eine kontinuierliche Versorgung mit homogenem Material zu gewährleisten. Dementsprechend wird es notwendig, eine neue Rohinaterialquelle zu erschließen, aus der Aktivkohle hoher Qualität zu geringen Kosten auf einer Massenproduktionsbasis hergestellt werden kann.

Ausgeformte Aktivkohle wird im allgemeinen in Filterbetten verwendet, durch die ein Gas oder eine Flüssigkeit strömt. Daher muß eine derartige Kohle einen guten Durchfluß für Gas oder Flüssigkeit gewährleisten. so

Die Form und die Festigkeit der Aktivkohle, insbesondere der Grad der Bruchfestigkeit, spielen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Durchflußrate für ein Gas oder eine Flüssigkeit, die durch die Aktivkohle hindurchströmen. Was die Form betrifft, ss wird allgemein anerkannt, daß kugelförmige Teilchen den unregelmäßig geformten Teilchen, wie z. B. zylinderförmigen Teilchen, überlegen sind, weil feine kugelförmige Teilchen sowohl Einheitlichkeit des Kontaktes, als auch geringen Durchflußwiderstand für («> ein Gas oder eine Flüssigkeit bieten. Mikrokiigclformigc Kohlenstoffteilchen haben zusätzlich den Vorteil, daß sie in, Betrieb weniger zur Bruchbildung in Stücke oder Staub neigen.

Bei den bisher verwendeten verschiedenen Techniken <·-, zum Ausformen von Kugeln wurden allgemein die folgenden Schritte angewendet: Beimischung eines Bindemittels zu einem vorher präparierten gepulverten kohlenstoffhaltigen Material, Granulieren in einem Kessel oder eine andere Art der Aosformung der entstandenen Mischung in kugelförmige Teilchen, Karbonisieren des Bindemittels und endlich Aktivieren der Kugeln. Jedoch ist in diesen Prozessen die Bildung von Kohlenstaub nicht zu vermeiden, und sie erzeugt Probleme, wie das Verstäuben von Kohlenstaub bei der Bearbeitung, ein Anwachsen des Durchflußwiderstandes, der durch die Staubbildung hervorgerufen wird, und das Eindringen von Kohlenstaub in das zu behandelnde Gas oder die zu behandelnde Flüssigkeit.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein wirtschaftlicher arbeitendes Verfahren zur Herstellung mikrokugelförmiger Kohlenstoffteilchen zu schaffen, bei dem von einem billigen Ausgangsmaterial, möglichst einem Abfallstoff, ausgegangen wird, bei dem mikrokugelförmige Kohlenstoffteilchen ohne Hilfe von Bindemitteln hergestellt werden können, und das ferner auch die Herstellung von mikrokleinen Kohlenstoffkugeln als Grundsubstanz für Aktivkohle erlaubt.

Es wurde nun gefunden, daß ein Pech mit einem bestimmten Satz Eigenschaften ein hervorragendes Rohmaterial für Kohlenstoff und Aktivkohleprodukte bildet, wobei das Pech als eine Quelle für mikrokugelförmige Teilchen benutzt wird, indem von seiner Eigenschaft, bei Erhitzen flüssig zu werden, Gebrauch gemacht wird.

Diese Teilchen werden durch eine Dispersion des geschmolzenen Pechs unter ausgewählten Bedingungen hergestellt, wobei unter anderem auch ein Verfahrensschritt zum Unschmelzbarmachen von Pechteilchen eingeschaltet wird, wie er aus der deutschen Offenlegungsschrift 20 06 524 bekannt ist.

Ausgehend von einem Verfahren zur Herstellung mikrokugelförmiger Kohlenstoffteilchen durch Schmelzen und Dispergieren eines verkokbaren Ausgangsmaterials in Wasser zu kugelförmigen Teilchen, Behandlung dieser Teilchen zur Erhöhung ihres Erweichungspunktes und anschließende Karbonisierung derselben, wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, daß die folgenden Verfahrensschritte angewandt werden:

a) Schmelzen eines Peches als verkokbarem Material mit einem Erweichungspunkt von 50—350°C, einem Kohlenstoffgehalt von 80—97%, einem Atomverhältnis Wasserstoff/Kohlenstoff von 0,2 — 2,5 und einem nitrobenzolunlöslichen Anteil von 0-50%;

b) Dispergieren dieses geschmolzenen Peches bei einer Temperatur von 50—300⁰C in einem Medium, das Wasser mit einem Suspensionsmittel enthält;

c) Abkühlen der Dispersion, um feste mikrokugelförmige Teilchen zu bilden;

d) Behandeln dieser mikrokugelförmigen Teilchen mit einem oxydierenden Mittel zum Erhöhen ihres Erweichungspunktes und

e) Karbonisieren der mikrokugelförmigen Teilchen. Es erweist sich als vorteilhaft, daß die Behandlung

zum Erhöhen des Erweichungspunktes der mikrokugelförmigen Teilchen mittels Kontaktierens der mikrokugelförmigen Teilchen mit einer oxydierenden Flüssigkeit bewirkt wird, die aus der Gruppe, bestehend aus Schwefelsäure, Phosphorsäure, Salpetersäure, wäßrigen Lösungen von Chromsäure und wäßrigen Lösungen von Kaliumpcrmanganat ausgewählt ist.

In einer weiteren, be ν jrzugten Ausführungsform wird die Behandlung zum Erhöhen des Erweichungspunktes der mikrokugelförmigen Teilchen durch Erhit-

zen der mikrokugelförmigen Teilchen in einer Atmosphäre aus einem oxydierenden Gas ausgeführt, das aus der Gruppe, bestehend aus NO₂, O₂, O₃, SO₂, Cl₂, Br₂, Mischungen derselben und Mischungen mit Luft, Stickstoff und Argon, ausgewählt ist.

Hierbei wird vorzugsweise vor dem Dispergieren ein Lösungsmittel mit dem Pech gemischt, und dieses Lösungsmittel wird aus den mikrokagelförmigen Teilchen vor der Behandlung zum Erhöhen des Erweichungspunktes entlernt.

Das Suspensionsmittel ist vorzugsweise eine wasserlösliche Verbindung mit hohem Molekulargewicht, die aus der Gruppe der folgenden Verbindungen ausgewählt ist: teilweise verseiftes Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Methylzellulose, Carboxymethylzellulose, Polyacrylsäure und deren Salze, Polyäthylenglycol und seine Äther- und Esterderivate, Stärke, Gelatine und Mischungen derselben.

Es erweist sich als vorteilhaft, daß die Konzentration des Suspensionsmittels in Wasser ungefähr 0,53 — 5 Gew.-% beträgt.

Wenn vor dem Dispergieren ein Lösungsmittel mit dem Pech gemischt wird und dieses Lösungsmittel aus den mikrokugelförmigen Teilchen vor der Behandlung zum Erhöhen des Erweichungspunktes entfernt wird, ist es besonders vorteilhaft, daß das organische Lösungsmittel einen aliphatischen Kohlenwasserstoff enthält, der aus Hexan und Heptan ausgewählt ist. Es kann auch einen aromatischen Kohlenwasserstoff, bestehend aus Benzol, Toluol oder Xylol enthalten.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn das organische Lösungsmittel einen alizyklischen Kohlenwasserstoff, bestehend aus Zyclopentan, Zyclohexan, Tetralin oder Dekalin enthält.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die erhaltenen mikrokugelförmigen Kohlenstoffteilchen einer Behandlung unterworfen, bei der die mikrokugelförmigen Teilchen durch In-Kontakt-Bringen mit Dampf bei einer Temperatur von 800—1200°C aktiviert werden.

Dabei werden die Karbonisierungs- und Aktivierungsbehandlungen vorzugsweise nacheinander in einer Apparatur durchgeführt.

Es ist vorteilhaft, daß die Karbonisierung bis zu 3000° C durchgeführt wird, wobei sie zum Entstehen graphitisierter mikrokugelförmiger Kohlenstoffteilchen führt.

Das als Ausgangsmaterial in dieser Erfindung zu verwendende Pech besitzt einen Erweichungspunkt, der in dem Bereich von 50°C—350°C, vorzugsweise 100°C-250°C, liegt, einen Kohlenstoffgehalt von 80—97%, ein (Atom-)Verhältnis Wasserstoff/Kohlenstoff von 0,2—2,5 und einen nitrobenzolunlöslichen Anteil von 0—50%. Der Ausdruck »Erweichungspunkt« wird hier in dem Sinn benutzt, daß er die Temperatur bedeutet, bei der das Pech zu fließen beginnt, wenn ein Druck von 10 kg/cm², gemessen mit einem Fließprobenmesser (flowtester) üblicher Bauart, ausgeübt wird. Der »Kohlenstoffgehalt« und das »(Atom-)Verhällnis Wasserstoff/Kohlenstoff« werden beide auf die Elementaranalyse des Peches bezogen. Der »nitrobenzolunlöslichc Anteil« ist das Gewichtsverhältnis des Bruchteiles von dem Pech, das beim Schmelzen in einem kochenden Wasserbad in Nitrobcnzol unlöslich ist, bezogen auf die Gesamtmenge des Peches. Da das Ausformen des Peches in Kugeln durch Schmelzen und Dispergieren ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist. ist es mich ein wesentliches Erfordernis, daß das Pech

durch Erhitzen geschmolzen und in Mikrokugeln ausgeformt werden kann.

Pech, dessen Erweichungspunkt unterhalb 50⁰C liegt, ist nicht geeignet, denn obgleich es in inikrokugelförmige Teilchen ausgeformt werden kann, können diese Teilchen ihre Form während der anschließenden Wärmebehandlung nicht beibehalten. Peche, deren Erweichungspunkt über 350° C liegt, oder Pechsorten, die einen nitrobenzolunlöslichen Anteil von mehr als

ίο 50% besitzen, erzeugen keine zufriedenstellenden Mikrokugeln. Weiterhin zeigt die Forderung, daß das gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbare Pech einen Kohlenstoffgehalt von 80 bis 97% und ein (Atom-)Verhältnis Wasserstoff/Kohlenstoff von 0,2 bis

2,5 besitzen soll, daß das bevorzugte Pech vorherrschend aus Kohlenwasserstoffen zusammengesetzt ist, die vergleichsweise reich an Aromaten sind. Der hohe Gehalt an Aromaten stellt sicher, daß die nachfolgende Behandlung zum »Unschmelzbarmachen« und zur Karbonisierung keine überschüssigen Beträge an flüchtigen Bestandteilen freisetzt und daß die endgültig entstehenden Teilchen zufriedenstellende Festigkeitseigenschaften aufweisen.

Peche, die die oben angegebenen Kriterien befriedigen, können z. B. erhalten werden, indem Kohlenwasserstoffe auf Erdölbasis wie Rohöl, Asphalt, Schweröl, Leichtöl, Kerosen oder Naphta bei einer Temperatur in dem Bereich von 400 bis 2000⁰C ungefähr 0,001 bis 2 Sekunden lang einer Wärmebehandlung unterworfen werden, um ein Teerprodukt zu erhalten, und anschließend die niedermolekularen Bestandteile aus diesem Teer durch Destillation oder Extraktion entfernt werden.

Alternativ hierzu können derartige Pechsorten durch

.15 Erhitzen von Kohle-Teer unter geeigneten Bedingungen und anschließendes Entfernen niedermolekularer Bestandteile erhalten werden. Peche, die als Nebenprodukt bei Erdölraffinerien anfallen, bilden eine weitere Quelle. Diese können einer weiteren Wärmebehand lung, einer Oxidationsbehandlung oder dergleichen unterworfen werden, um die gewünschten Peche zu erhalten. In Anbetracht der Tatsache, daß derartige Peche gewöhnlich als Abfälle betrachtet werden und die Meinung besteht, daß sie nur als Heizmittel verwendet werden können, stellt dies doch eine bedeutende wirtschaftliche Quelle dar.

Die Herstellung von mikrokugelförmigen Kohlenstoffteilchen aus einem derartigen Pech gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt das Schmelzen und Dispergieren des Peches in Wasser. Auf diese Weise wird das Pech, nachdem es durch Anwendung von Wärme geschmolzen worden ist, in Wasser, das ein Dispersionsmittel enthält, bei einer Temperatur von 50 bis 300⁰C suspendiert und dispergiert. Danach wird die entstandene Dispersion schnell auf eine geeignete Temperatur unter dem Erweichungspunkt des Peches abgekühlt. Dieses Verfahren erzeugt mikrokugelförmige Teilchen aus Pech, die fast ideale Kugeln sind. Die Größen variieren mit den Eigenschaften des verwende-

(Hi ten Peches, der Temperatur, dem Grad des Rührens und anderen Dispersionsbedingungen. Diese mikrokugclför migen Pcchteilclien können gewohnlich mit Durchmessern von 10 bis 5000 μηι erhalten werden.

In der Dispcrgierungsstufc stellt die Verwendung

<'■; eines Suspcnsionsmittels, das vorher in Wasser gelös wurde, einen kritischen Faktor dar. Ohne die Vcrwen dung eines Suspensionsmittels kann kein zufricdcnstel lendes Ergebnis erhalten werden, weil es nahczi

unmöglich ist, das Pech zu dispergieren; oder wenn es doch dispergiert ist, neigen die erzeugten mikrokugelförmigen Teilchen dazu, aneinanderzukleben.

Um die Dispersion zu verbessern, wird vorzugsweise zu dem Pech ein organisches Lösungsmittel, das mit dem s Pech mischbar ist, hinzugegeben. Diese Methode ist besonders günstig, wenn ein Pech mit einem hohen Erweichungspunkt als Ausgangsmaterial Verwendung finden soll. Derartige organische Lösungsmittel können entweder allein oder als Mischungen aus zwei oder ι ο mehreren Verbindungen verwendet werden, und sie werden dem Pech bei Atmosphärendruck oder erhöhtem Druck beigegeben.

Aufgrund der Zugabe eines derartigen organischen Lösungsmittels gewinnt das Pech an Fließfähigkeit und is wird plastisch, so daß es leichter zum Dispergieren kommt. Wenn ein Lösungsmittel benutzt wird, werden durch die Dispersion mikrokugelförmige Pechteilchen erzeugt, die das organische Lösungsmittel enthalten. Wenn jedoch das organische Lösungsmittel in den nachfolgenden Verfahrensschritten anwesend ist, ist es schwierig, die Teilchen »unschmelzbar zu machen«, und wenn das organische Lösungsmittel verdampft, neigt es dazu, die Form der Teilchen zu verändern und kann Hohlräume erzeugen, wodurch Teilchen von verminderter struktureller Festigkeit entstehen. Daher muß das organische Lösungsmittel nach dem Dispersionsverfahrensschritt aus dem Pech entfernt werden. Das kann durch eines der folgenden Verfahren erreicht werden: Die Pechdispersion wird in einem Luft- oder Stickstoffgasstrom auf einer Temperatur, die unterhalb des Siedepunktes des organischen Lösungsmittels liegt, eine längere Zeitdauer gehalten, um das Lösungsmittel zu entfernen; oder die Dispersion wird mit einem Lösungsmittel, wie Methanol oder Äthanol, extrahiert, das das organische Lösungsmittel löst aber das Pech im wesentlichen nicht löst. Während die Anwendung eines organischen Lösungsmittels im Hinblick auf die Dispersion des Peches wirksam ist, ist sie jedoch nicht notwendigerweise ein wesentliches Erfordernis, und Peche können ohne die Hilfe eines derartigen Lösungsmittels erfolgreich dispergiert werden.

Die in der oben beschriebenen Weise hergestellten mikrokugelförmigen Pechteilchen werden dann mit einem oxydierenden Mittel behandelt, um ihren 4s Erweichungspunkt zu erhöhen. Der Zweck dieser Behandlung zum »Unschmelzbarmachcn« ist es, sicherzustellen, daß die Teilchen während der darauffolgenden Karbonisierung ihre Form beibehalten. Diese Behandlung wird gewöhnlich bei einer Temperatur sn unterhalb des Erweichungspunktes des Peches durchgcführi, entweder indem die Pechteilchen mil einer oxydierenden Gasatmosphäre kontaktiert werden oder indem die Teilchen mit einer oxydierenden Flüssigkeit wie Schwefelsäure, Phosphorsäure, Salpetersäure, ss Chromsäure oder einer wäßrigen Lösung von Kaliumpcrmanganat behandelt werden. Im Verlaufe dieser Behandlung wird der Erweichungspunkt des Peches immer höher und die Behandlungstempcratur kann stufenweise im Verhältnis mit dem Anwachsen des f><> Erweichungspunktes gesteigert werden, um so die Behandlungszeit abzukürzen.

Wenn die mikrokugelförmigen Pechteilchen in der oben beschriebenen Weise behandelt worden sind, erreichen sie nicht ihren Erweichungspunkt und <>s behalten daher ihre Form während der darauffolgenden Karbonisicrungsstufc bei. Bei dem Verfahrensschritt der Karbonisicrting werden die Pechtcilchcn in einer inerten Gasatmosphäre, wie z. B. Stickstoff oder Argon, auf eine Temperatur von 400 bis 1200°C erhitzt.

Die in der oben beschriebenen Weise hergestellten mikrokugelförmigen Kohlenstoffteilchen können mit Dampf bei einer Temperatur von 800 bis 1200⁰C aktiviert werden, um Aktivkohle in Mikrokugelform zu erhalten. Alternativ hierzu können die »unschmelzbar gemachten« Pechteilchen nacheinander in einer Apparatur karbonisiert und aktiviert werden, indem sie in Dampf bei ansteigender Temperatur erhitzt werden, bis die Temperatur 800 bis 1200⁰C erreicht, welche Temperatur für eine hinreichend lange Zeit aufrechterhalten wird, um ihnen den gewünschten Aktivierungsgrad zu geben.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten mikrokugelförmigen Kohlenstofftcilchen besitzen höhere Strukturfestigkeit und höhere Bruchfestigkeit. Wegen ihrer verbesserten Strukturfestigkeit und ihrer verringerten Neigung zum Stauben liefern die gemäß der Erfindung hergestellten Aktivkohleteilchen bessere Resultate bei Anwendungen wie zur Gasbehandlung, Wasserbehandlung und dergleichen und als Katalysatoren und Katalysatorträger.

Die folgenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der vorliegenden Erfindung.

Erzeugung von mikrokugelförmigem Kohlenstoff Beispiel 1

Ceria Rohöl wurde durch Versprühen in Dampf von 2000⁰C während einer Kontaktdauer von 0,005 Sekunden thermisch gekrackt und anschließend schnell abgekühlt, um ein teerartiges Produkt zu erhalten. Dieses Produkt wurde destilliert, um Fraktionen zu entfernen, die bis zu 430"C bei Atmosphärendruck sieden. Das verbleibende Pech besaß einen Erweichungspunkt von 2O5°C, einen nitrobenzolunlöslichen Anteil von 32%, einen Kohlenstoffgehalt von 95% und ein H/C-Verhältnis von 0,56. 90 kg dieses Peches und 30 kg Benzol wurden in einem Druckbehälter von 400 Litern Fassungsvermögen gegeben, der mit einem Rührwerk ausgestattet war, und die Pechmischung wurde darin bei 17O⁰C geschmolzen. 230 kg einer 0,3%igen wäßrigen Lösung von Polyvinylalkohol (als Suspensionsmittel) wurden daraufhin hinzugegeben und die Mischung wurde mit 360 Umdrehungen pro Minute 40 Minuten lang bei 150⁰C gerührt, um das Pech zu dispergieren. Die Dispersion wurde schnell abgekühlt und zentrifugiert, um das Wasser zu entfernen. Das Benzol wurde durch Erhitzen in einem Wirbelschichtbett aus dem Pech entfernt. Das entstandene Produkt bestand aus mikrokugelförmigen Pechteilchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 300 μητ Diese mikrokugelförmigen Pechteilchen wurden dann in mehrfachen Wirbelschichtbetten mit einem Heißluftstrom, dessen Temperatur anfangs 200"C betrug und mit einer Rate von 25°C/h auf 300⁰C gesteigert wurde erhitzt, wo die Teilchen zwei Stunden lang gehalten wurden, um ihren Erweichungspunkt zu erhöhen Endlich wurden die »unschmelzbar gemachten« Teilchen bei 1000⁰C eine Stunde lang karbonisiert. Die Eigenschaften der mikrokugelförmigcn Kohicnstofftcil chcnproduktesind in Tabelle 1 aufgeführt.

Beispiel 2

Bodenöl, das durch Vakuumdestillation aus Kafuji-Ö (von A. O. C. erzeugtes Rohöl) erhalten worden war wurde in eine auf 410 bis 42O¹¹C gehaltene Kolonm

-inn tin MfI

eingeleitet. Durch die Kolonne wurde Heißdampf mit 430 bis 450⁰C bei Atmosphärendruck geleitet. Das auf diese Weise wärmebehandelte und destillierte öl ergab ein Pech, das einen Erweichungspunkt von 22I°C, einen nitrobenzolunlöslichen Anteil von 25%, einen Kohlenstoffgehalt von 87% und ein H/C-Verhältnis von 0,76 besaß. 30 kg von diesem Pech und 8 kg Toluol wurden in einen Druckbehälter von 150 Litern Fassungsvermögen gegeben, der mit einem Rührwerk ausgestattet war, und die Pechmischung wurde darin bei 150⁰C geschmolzen. 85kg einer 0,l%igen wäßrigen Lösung von teilweise verseiftem Polyvinylacetat wurden dann zugefügt. Das Pech wurde nach 40 Minuten bei 470 Umdrehungen pro Minute dispergiert. Die Dispersion wurde schnell abgekühlt, und das Wasser wurde abgetrennt. Die entstandenen Pechteilchen wurden in Wirbelschichtbetten erhitzt, um das Toluol zu entfernen und mikrokugelförmige Pechteilchen mit einer durchschnittlichen Größe von 400Hm zu erzeugen. Diese Pechteilchen wurden in derselben Weise, w.e in Beispiel 1 beschrieben, »unschmelzbar gemacht« und karbonisiert. Die Eigenschaften des entstandenen mikrokugelförmigen Kohlenstoffs sind in Tabelle 1 angegeben.

Beispiel 3

Bodenöl, das durch Vakuumdestillation aus Kafuji-Öl (von A. O. C. erzeugtes Rohöl) erhalten worden war, wurde in eine auf 410 bis 420⁰C gehaltene Kolonne eingeführt.

Durch die Kolonne wurde heißer Dampf von 430 bis 450°C bei Atmosphärendruck hindurchgcleitet. Das auf diese Weise wärmebehandelte und destillierte öl ergab ein Pech mit einem Erweichungspunkt von 22 ΓC, einem nitrobenzolunlöslichen Anteil von 25%, einem Kohlenstoffgehalt von 87% und einem H/C-Verhältnis von 0,76. 30 kg von diesem Pech und 8 kg Benzo! wurden in einen Druckbehälter von 150 Litern Fassungsvermögen gegeben, der mit einem Rührwerk ausgestattet war, und die Pechmischung wurde darin bei 150°C geschmolzen. 85 kg einer 0,1 %igcn wäßrigen Lösung von teilweise verseiftem Polyvinylacetat wurden dann hinzugefügt, und das Pech wurde dann bei 150⁰C mit 470 Umdrehungen pro Minute 40 Minuten lang zur Dispersion gebracht. Die Dispersion wurde schnell abgekühlt und das Wasser entfernt. Die entstandenen Pechteilchen wurden in Wirbelschichtbetten erhitzt, um das Benzol zu entfernen und mikiokugelförmige Pechteilchen mit einer durchschnittlichen Größe von 400 μιη zu erzeugen. Diese Pechteilchen wurden in derselben Weise wie in Beispiel I beschrieben »unschmelzbar geniiiciii« und karbonisiert. Die Eigenschaften des erhaltenen mikrokugelförmigen Kohlenstoffs sind in Tabelle I angegeben.

Beispiel 4

Ceria-Öl wurde durch Versprühen in heißen Dampf von 2000^DC für die Kontaktdauer von 0,005 Sekunden thermisch gekrackt, worauf es schnull abgekühlt wurde, um ein Teerprodukt zu erhalten. Dieses Teerprodukt wurde destilliert, um die bis 400°C siedenden Fraktionen zu entfernen. Das erhaltene Pech hatte einen Erweichungspunkt von 142"C, einen nitiobenzolunlöslichen Anteil von 1%, einen Kohlenstoffgehalt von 94% und ein H/C-Verhältnis von 0,62. 30 kg von diesem Pech wurden in einen Druckbehälter mit 150 Uten Fassungsvermögen gegeben, der mit einem Rührwerl ausgestattet war, worin es bei 200⁰C geschmolzei wurde. 80 kg einer 0,5%igen wäßrigen Lösung vor Polyvinylalkohol wurden dann hinzugefügt, und die Mischung wurde bei 200⁰C mit 360 Umdrehungen pn: Minute eine Stunde lang gerührt. Die Mischung wurde schnell abgekühlt und zentrifugiert, um das Wasser /υ entfernen. Bei dem Verfahren entstanden mikrokugel förmige Pechteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 250 μιη. Diese Pechteilchen wurden in mehrfachen Wirbelschichtbetten mittels heißer Luft, deren Temperatur anfangs 100°C betrug und die dann mit einer Rate von 20°C/h auf 300°C gesteigert wurde, erhitzt, wo sie 2 Stunden lang gehalten wurden, die »unschmelzbar gemachten« Pechteilchen wurden dann durch Erhitzen in Stickstoffgas bei 1000⁰C I Stunde lang karbonisiert. Das Verfahren ergab mikrokugelförmige Kohlenstoffteilchen, deren Eigenschaften in Tabelle I angegeben sind.

Beispiel 5

Bodenöl, das in einem röhrenförmigen extern geheizten Erdölkrackofen zur Herstellung von Äthylen und Propylen erhalten worden war, wurde destilliert, um Fraktionen zu entfernen, die bis zu 450"C bei Atmosphärendruck sieden. Das erhaltene Pech hatte einen Erweichungspunkt von I87"C, einen nitrobenzol unlöslichen Anteil von I %, einen Kohlenstoffgehalt von 92% und ein H/C-Verhältnis von 0,84. 40 kg dieses Peches wurden in ein Druckgefäß von 150 Litern Fassungsvermögen gegeben, das mit einen Rührwerk ausgestattet war, worin es bei 220"C geschmolzen wurde. 70kg einer l,0%igen wäßrigen Lösung von Natriumpolyacrylat wurden dann hinzugefügt, und die Mischung wurde bei 200"C mit 450 Umdrehungen pro Minute 1 Stunde lang gerührt. Die Mischung wurde schnell abgekühlt und zentrifugiert, um das Wasser zu entfernen, worauf mikrokugelförmige Pechteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 600 μm erhalten wurden. Diese mikrokugelförmigen Pechteilchen winden mit heißer Luft, deren Temperatur anfangs 150"C betrug und dann mit einer Rate von 20¹¹CVh auf JOO"C gesteigert wurde, erhitzt, wo sic I Stunde lang gehalten wurden. Die entstandenen »unschmelzbar gemachten« Teilchen wurden in Stickstoffgas bei 1000"C I Stunde lang erhitzt. Durch das Verfahren wurden mikrokui-elformige Kohlcnstoffteilchen, deren Eigenschaften in Tabelle 1 angegeben sind, erzeugt.

Vergldchsbeispiel I

Unter Verwendung von IIolzkohlenpulvL-r(mit einem Durchmesser von etwa 50 μιη) als Rohmaterial und Kohlentcerpech als Binder wurden in einem Kcssolgranulator in konventioneller Weise kugelförmige Teilchen <>" hergestellt. Die Teilchen wurden in Stickstoff- bei 400 C 5 Stunden lang erhitzt, und dann wirde die Temperatur auf !000"C gesteigert, und die Teilchen wurden auf dieser Temperatur eine zusätzliche Stunde lang gehalten, wobei sie karbonisierten. Die Eigensehaff^{cn ll}J;^s J-'ntsiundcncn kugelförmigen Kohlenstoffs sind in Tube lc I aufgeführt Die auf diese Weise hergestellten leilchen waren keine richtigen Kugeln, und viele von ihnen besaßen eine unregelmäßige Form.

Tabelle I

	Beispiele I	2	i	4	^r)	Vergleichs beispiel
Diirchschnittl. Korn größe, μηι Bruchgrad*) Gew.-%	280 bis zu 0,005	350 bis zu 0,005	350 bis zu 0,005	230 bis zu 0,005	550 bis zu 0,005	1500 2,5

*) Kino 20cm' groUe Probe wurde in einen Glaszylinder (28 min Durchmesser, 220 ml Inhall) gegeben, der dann in einer senkrechten Ebene durch seine Hauptachse mil Jb Umdrehungen pro Minute 10 Stunden lang rotierte. Der Staub, der durch ein 200-Maschensieb fiel, wurde gewogen und sein Prozentsatz im Verhältnis zu dem Gesamtgewicht der Probe berechnet.

Aus Tabelle 1 geht klar hervor, daß die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten mikrokugelförmigen Kohlenstoffteilchen weniger zu Bruch neigen als das konventionell hergestellte P-odukt, was darauf schließen läßt, daß diese Teilchen eine verbesserte strukturelle Festigkeit besitzen.

Beispiel 6

30 kg Pech und 10 kg Benzol wurden in der gleichen Weise, wie in dem Beispiel 4 beschrieben, in ein Druckgefäß gegeben, das mit einem Rührwerk ausgestattet war und ein Fassungsvermögen von 100 Litern besaß, worin bei 160⁰C eine Lösung gebildet wurde. Zu dieser Lösung wurden 50 kg einer 0,5%igen Lösung von Polyvinylalkohol hinzugegeben. Die Lösung wurde dann bei 150⁰C mit 500 Umdrehungen pro Minute I Stunde lang gemischt und dann schnell abgekühlt und mittels eines Zentrifugalseparators entwässert, um mikrokugelförmige Pechteilchen mit einem mittleren Radius von 100 um zu erzeugen. Dieses mikrokugelförmige Pech wurde mit einer Rate von 20"CVh von 150"C auf 300⁰C erhitzt, wo es I Stunde lang zum Zwecke des »Unschmelzbarmachens« gehalten wurde. Es wurde dann in einer Atmosphäre aus Stickstoff 1 Stunde lang auf 1000" C erhitzt, um kugelförmige Kohlenstoff teilchen zu erzeugen. Diese kugelförmigen Kohlenstoffteilchen wurden dann in einer Argon-Atmosphäre zwei Wochen lang auf 2800⁰C erhitzt. Als Endprodukt ergaben sich kugelförmige Kohlenstofftdlchen (95 μιη). Durch Köntgcnstrnhlbeugung wurde der Gitterabstand für die (002)-Ebenen auf 3,35 A bestimme, was anzeigte, daß die Graphitisierung vollständig diirchgefühn worden war.

Herstellung von mikrokugelförmiger Aktivkohle
Beispiel 7

Die entsprechend Beispiel 1 erhaltenen »unschmelzbar gemachten« kugelförmigen Pechteilchen wurden mit Dampf in einem Ofen mit Wirbelschichtbettaktivierung bei 900°C in konventioneller Weise 1 Stunde lang aktiviert. Die Eigenschaften der entstandenen niikrokugelförmigen Aktivkohleteilchen sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Beispiele

Die nach Beispiel 2 erhaltenen mikrokugelförmigen Kohlenstoffteilchen wurden mit Dampf in einem Wirbclschichtbett-Aktivierungsofen ähnlich dem in Beispiel 7 benutzten zwei Stunden lang bei 900⁰C ίο aktiviert. Die Eigenschaften der entstandenen mikrokugelförmigen Aktivkohlctcilchen sind in Tabelle 2 angegeben.

Beispiel 9

is Das nach dem Verfahren von Beispiel 4 hergestellte »unschmelzbar gemachte« mikrokugelförmige Pech wurde in derselben Weise wie in Beispiel 7 beschrieben behandelt, um mikrokugelförmige Aktivkohleteilchen zu ergeben, deren Eigenschaften in Tabelle 2 aufgeführt

.in sind.

Beispiel IO

Die mikrokugelförmigcn Kohlenstoffteilchen, die gemäß Beispiel 5 hergestellt worden waren, wurden in •i.s derselben Weise wie in Beispiel 8 beschrieber behandelt, um mikrokugclförmige Aktivkohleteilcher zu erhalten. Die Eigenschaften dieser Teilchen sind ir Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 2	lioispiele	H	230	10	Vev>',k'ti-I>s	Kommur/.icll	1 Kumiuur/.iull
			1000		beispiel 2	erhaltliche	uihilllliche
	7	3Ή)	1,00	550		gebrochene	zylindrische
		I 100	34	900		Aktivkohle	Aktivkohle
	280	0,i'5	0,005	0,95	1500	1000	2500d χ 4,
Mittlere Größe, μιη		38		32	800	950	1000
Oberflilchcngröße, niVg¹)	0,90	0,008		0,005	0,85	0,78	0,93
lod-Adsorptioii, g/g·')	33				3)	)4	J5
Benzol-Adsorption, g/g')	0,005				3,5	0,57	15
Anteil des Bruches,
Gew.-⁰/«

') Die Stii'kstoffiibsorption für jede Probe winde mich der ll.ll.T. Melhodc gemessen, einer allgemein (lliliehen Mclhode. /in Messung der Oberilllehongrölle, die aiii dem 11.1',,T.-Verfahren beiuhl (S. Il r u η ii ii e r, P. 11. Ii in m e I t ι\ηύ I·. T e k k e r ). Λ nor (.'hem. Soc, h(), J(W (I¹IJ¹)). Die wirklichen Messungen wurden mit der Apparalur /in· ObeifllU'liiMi|;r<illenbcsliniiniiiit!s modul PbOO, hergestellt von Sibiila Mieinieul Apparatus Mfg. Cn. Ltd., lapiin, inisgofOhri.

·') Die Adsorption von |od pio (icinnin Aktivkohle bei der (ilcichgcwiihlskon/enlnilion vo
thermo.

^!) Gemessen genial.! JlS-K 1412 ()IS ist der liijKiniulic lndiisüie Standard).

von I g/l.iici· in der Adsorptiunsisti

Vergleichsbeispiel 2

Die gemäß dem Vergleichsbeispicl 1 erhaltenen kugelförmigen Kohlensloffteilchen wurden in einem Drehofenreaktor (rotary kiln type reactor) in konventioneller Weise bei 900⁰C zwei Stunden lang aktiviert. Die Eigenschaften der entstandenen kugelförmigen

Aktivkohleteilchen sind in Tabelle 2 angegeben.

Aus Tabelle 2 wird offensichtlich, daß die nach d< erfindungsgemäücn Verfahren hergestellten mikrot gelförmigen Aktivkohleteilchen den konventionell h gestellten kommerziellen Produkten im wesentlichen Oberflächengröße, Jod-Adsorption und Ben/.ol-Adsoi tion gleichwertig sind, daß sie aber weit weniger zi Bruch neigen als die letztgenannten.

Claims

Patentansprüche:

I. Verfahren zur Herstellung mikrokugelförmiger Kohlenstoffteilchen durch Schmelzen und Dispergieren eines verkokbaren Ausgangsmaterials in Wasser zu kugelförmigen Teilchen, Behandlung dieser Teilchen zur Erhöhung ihres Erweichungspunktes und anschließende !Carbonisierung derselben, gekennzeichnet durch die Verfahrens- ι ο schritte:

a) Schmelzen eines Peches als verkokbarem Material mit einem Erweichungspunkt von 50—35O⁰C, einem Kohlenstoffgehalt von 80—97%, einem Atomverhältinis Wasserstoff/ Kohlenstoff von 0,2—2,5 und einem nitrobenzolunlöslichen Anteil von 0—50%;

b) Dispergieren dieses geschmolzenen Peches bei einer Temperatur von 50—300⁰C in einem Medium, das Wasser mit eine η Suspensionsmittel enthält;

c) Abkühlen der Dispersion, um feste mikrokugelförmige Teilchen zu bilden;

d) Behandeln dieser mikrokugelförmigen Teilchen mit einem oxydierenden Mittel zum Erhöhen ihres Erweichungspunktes und

e) Karbonisieren der mikrokugelförmigen Teilchen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung zum Erhöhen des Erweichungspunktes der mikrokugelförmigen Teilchen mittels Kontaktierens der mikrokugelförmigen Teilchen mit einer oxydierenden Flüssigkeit bewirkt wird, die aus der Gruppe, bestehend aus Schwefelsäure, Phosphorsäure, Salpetersäure, wäßrigen Lösungen von Chromsäure und wäßrigen Lösungen von Kaliumpermanganat ausgewählt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung zum Erhöhen des Erweichungspunktes der mikrokugelförmigen Teilchen durch Erhitzen der mikrokugelförmigen Teilchen in einer Atmosphäre aus einem oxydierenden Gas ausgeführt wird, das aus der Gruppe, bestehend aus NO₂,0₂,0₃, SO₂, Cl₂, Br₂, Mischungen derselben und Mischungen mit Luft, Stickstoff und Argon ausgewählt ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Dispergieren ein Lösungsmittel mit dem Pech gemischt wird und dieses Lösungsmittel aus den mikrokugelförmigen Teilchen vor der Behandlung zum Erhöhen des Erweichungspunktes entfernt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß das Suspensionsmittel eine wasserlösliche Verbindung mit hohem Molekulargewicht ist, die aus der Gruppe der folgenden Verbindungen ausgewählt ist: teilweise verseiftes Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Methylzellulose, Carboxymethylzellulose, Polyacrylsäure und deren Salze, Polyäthylenglycol und seine («> Äther- und Esterderivate, Stärke, Gelatine und Mischungen derselben.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Suspensionsmittels in Wasser ungefähr 0,53 bis 5 <>> Gew.-% beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das organische Lösungsmittel einen aliphatischen Kohlenwasserstoff enthält, der aus Hexan und Heptan ausgewählt ist.
8. Verfahren nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß das organische Lösungsmittel einen aromatischen Kohlenwasserstoff, bestehend aus Benzol, Toluol oder Xylol, enthält.
9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das organische Lösungsmittel einen alizyklischen Kohlenwasserstoff, bestehend aus Zyklopentan, Zyklohexan, Tetralin oder Dekalin, enthält.
10. Verfahren zur Herstellung mikrokugelförmiger Aktivkohleteilchen, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Anspruch 1 erhaltenen mikrokugelförmigen Kohlenstoffteilchen einer Behandlung unterworfen werden, bei der die mikrokugelförmigen Teilchen durch In-Kontakt-Bringen mit Dampf bei einer Temperatur von 800°C-1200°C aktiviert werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Karbonisierungs- und Aktivierungsbehandlungen nacheinander in einer A pparatur durchgeführt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—9, dadurch gekennzeichnet, daß die Karbonisierung bis zu 3000⁰C durchgeführt wird, wobei sie zum Entstehen graphitisierter mikrokugelförmiger Kohlenstoffteilchen führt.