DE4030127B4

DE4030127B4 - Verfahren zum Auflösen von Kohle

Info

Publication number: DE4030127B4
Application number: DE4030127A
Authority: DE
Inventors: David Lewis Knoppieslaagte Morgan
Original assignee: Council for Scientific and Industrial Research CSIR
Current assignee: ENERKOM (PTY.) LTD., SANDOWN, ZA
Priority date: 1989-09-28
Filing date: 1990-09-24
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2010-09-25
Also published as: IT9021586A0; AU6325190A; JP2813633B2; GB9020475D0; DE4030127A1; GB2236323B; AU629400B2; IT1245718B; GB2236323A; FR2652355A1; FR2652355B1; IT9021586A1; US5120430A; JPH03207793A

Abstract

Verfahren zur Lösen von organischen Materialien aus Kohle, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kohle in einem Medium aus einem dipolaren, aprotischen organischen Lösungsmittel und einer starken Base oder einem Phenolat, welches in reaktivem Kontakt mit dem organischen Lösungsmittel ist, zusammenbringt.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Auflösen von Kohle.
Die Auflösung von Kohle besteht in der Extraktion des organischen Materials aus der Kohle in ein Lösungsmittel und Filtration des an organischer Substanz reichen Lösungsmittels, um ungelöste organische und mineralische Stoffe abzutrennen. Verschiedene Verfahren zum Lösen von Kohle sind bekannt. Eines dieser Verfahren betrifft das Mischen der Kohle mit heißem, beispielsweise 200°C heißem N-Methylpyrrolidon (NMP). dieses Verfahren erreicht eine ungefähr 50%ige Lösung des organischen Materials und muß bei erhöhter Temperatur durchgeführt werden. Kohle kann auch in einer Mischung von NMP und Schwefelkohlenstoff bei Raumtemperatur gelöst werden. Jedoch stinkt dieses Lösungsmittelgemisch sehr stark und ist unangenehm. Weiterhin sind die so hergestellten Produkte klebrig und schwer weiterzuverarbeiten und enthalten eine unerwünschte Menge von Schwefel. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Lösen von organischen Materialien aus Kohle beschrieben, welches daraus besteht, die Kohle mit einem Medium aus einem organischen Lösungsmittel und einer starken Base oder einem Phenolat, welches reaktiv in dem Lösungsmittel enthalten ist, zusammenzubringen.
Die starke Base hat vorzugsweise einen pK_s-Wert der konjugierten Säure im Bereich von 10 bis 30. Von diesen Basen darf das organische Lösungsmittel, welches in reaktivem Kontakt damit ist, nicht negativ verändert werden. Der Begriff reaktiver Kontakt im Rahmen der Beschreibung und der Ansprüche bedeutet, daß die Base mindestens zu einem Teil in dem organischen Lösungsmittel gelöst oder dispergiert ist.
Die Base kann ein Metallhydroxid sein, wobei Hydroxylionen in dem organischen Lösungsmittel gelöst oder dispergiert sind, so daß eine beträchtliche Menge des organischen Materials aus der Kohle gelöst wird. Das Metallhydroxid ist vorzugsweise ein starkes Hydroxid wie Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid und kann in konzentrierter Form zugegeben werden. Das Hydroxid kann auch in situ erzeugt werden, beispielsweise durch Zugabe von Natriumsulfid, welches zu Natriumhydroxid hydrolisiert.
Andere geeignete Basen sind Metallalkoholate, wie Natriummethanolat, Natriumethanolat oder Kalium-t-butanolat oder ein quartäres Ammoniumhydroxid wie Tetraethylammoniumhydroxid.
Beispiele von Phenolaten sind Calcium-, Natrium- oder Kalium-Phenolate.
Ein geeigneter Phasentransferkatalysator kann ebenfalls in dem Medium enthalten sein, um sicherzustellen, daß eine ausreichende Menge der Base in das organische Lösungsmittel übergeht. Beispiele geeigneter Phasentransferkatalysatoren sind verschiedene Kronenether wie 1, 4, 7, 10, 13, 16 – Hexaoxacyclooctadecan (18-Krone-6). Andere geeignete Phasentransferkatalysatoren sind:
Polyethylenglycol 400
Polyethylenglycol 4000
Tris[2-(2-methoxyethoxy)ethyl]amin (TDA-1)
Tetraethylammoniumbromid
Tetrabutylammoniumbromid
Tetrabutylammoniumhydrogensulphat
Cetyltrimethylammoniumchlorid
Beispiele geeigneter organischer Lösungsmittel, in denen ein Phasentransferkatalysator verwendet werden kann, sind Pyridin und dipolare aprotische Lösungsmittel, wie Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, Dimethyltetahydropyrimidinon und Dimethylimidazolidinon.
Bei vielen der dipolaren aprotischen Lösungsmittel wurde gefunden, daß kein Phasentransferkatalysator verwendet werden muß. Da Phasentransferkatalysatoren teuer sind, sind diese Lösungsmittel bevorzugte Medien, um die Erfindung durchzuführen.
Die Menge des Lösungsmittels, welches in dem Medium enthalten ist, muß ausreichend sein, um eine gewünschte Menge des organischen Materials aus der Kohle zu extrahieren.
Mischungen der Lösungsmittel mit anderen Lösungsmitteln können ebenfalls für die Ausführung der Erfindung verwendet werden.
Die Lösung kann bei Raumtemperatur oder Umgebungstemperatur durchgeführt werden oder auch bei erhöhter Temperatur. Normalerweise sind Temperaturen oberhalb von 100°C nicht notwendig oder wünschenswert, da bei höheren Temperaturen eine Hydrolyse des Lösungsmittels eintreten kann.
Die Kohle ist vorzugsweise eine hochwertige Kohle, wie bituminöse oder Koks-Kohle. Diese Kohlen zeichnen sich durch einen hohen Kohlenstoffgehalt, beispielsweise 85 bis 90 % Kohlenstoff bezogen auf eine trockene, aschefreie Basis aus. Die Erfindung kann mit feuchter oder trockener Kohle durchgeführt werden. Die Kohle kann in feinteiliger Form, beispielsweise einer Partikelgröße von weniger als 250 μm oder in Form von relativ großen Stücken verwendet werden.
Ein guter Kontakt zwischen der Kohle und dem Lösungsmittel sollte aufrechterhalten werden, beispielsweise durch Rühren. Der Kontakt muß mindestens zwei Stunden und vorzugsweise für längere Zeiten, beispielsweise 10 bis 24 Stunden, aufrechterhalten werden.
Das extrahierte Material geht in das Lösungsmittel über. Das Lösungsmittel wird von den unlöslichen Rückständen in bekannter Weise abgetrennt. Das Lösungsmittel kann von dem extrahierten Material nach einer bekannten Methode abgetrennt werden, um einen festen organischen Rückstand, welcher weitgehend frei von anorganischen mineralischen Bestandteilen der Kohle ist, zu erhalten. Dieser Rückstand oder die organische Phase, welche das gelöste organische Material enthält, kann als Binder oder Brennstoff verwendet werden oder als Quelle für Chemikalien oder kann in eine höhere Form des Kohlenstoffs, beispielsweise Graphit, umgewandelt werden.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher beschrieben. In diesen Beispielen wird der Extraktionsgrad in bezug auf den Grad des extrahierten Kohlenstoffs nach der folgenden Formel berechnet:
Beispiel 1
Hochwertige bituminöse Kohle (7g), organisches Lösungsmittel (70ml) und Kaliumhydroxid (1,1g) werden vorsichtig bei Raumtemperatur 24 Stunden gerührt. Der Rückstand wird mit einem gleichen Volumen des Lösungsmittels, dann mit Wasser gewaschen, im Vakuum getrocknet und gewogen. Sein Kohlenstoffgehalt wird bestimmt und der Grad der Kohlenstoffextraktion berechnet. Eine Anzahl Lösungsmittel wurden mit und ohne Phasentransferkatalysator (18-Krone-6) ausprobiert. Soweit ein Katalysator verwendet wird, beträgt dessen Gehalt in dem Lösungsmittel 2,5g. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben:
Aus der vorstehenden Tabelle geht hervor, daß Kaliumhydroxid in einer Anzahl von organischen Lösungsmittels nicht reaktiv enthalten ist, insbesondere in Dimethyldiethylenglykol, Morpholin, Piperidin, Tetrahydrofuran, Ethanol, Formamid, Diethyleneglycoldimethylether, Tetraethyleneglycoldimethylether und Hexamethylphosphorsäuretriamid.
Beispiel 2
Hochwertige bituminöse Kohle (4g) wird vorsichtig bei Raumtemperatur in einer Mischung von Pyridin (60ml), Kaliumhydroxid (0,228) und 18-Krone-6 (0,5g) 24 Stunden gerührt und danach zentrifugiert. Der überstehende Extrakt wird dekantiert und der Rückstand vier weitere Male mit der gleichen Mischung von Pyridin, Kaliumhydroxid und 18-Krone-6 reextrahiert. Der Rückstand wird dann filtriert, gut mit Wasser gewaschen, getrocknet und gewogen. Der Kohlenstoffgehalt des Rückstands wird bestimmt und der Extraktionsgrad der Kohle zu 85% bestimmt. Eine entsprechende Extraktion unter Verwendung von reinem Pyridin ergibt 7%.
Beispiel 3
Eine hochwertige bituminöse Kohle wird fünfmal bei Raumtemperatur mit einer Mischung von Pyridin und Kalium-t-butanolat im Verhältnis von 17,5ml Pyridin zu 0,5g Kalium-t-butanolat zu 1g Kohle extrahiert. Der Prozentsatz der extrahierten Kohle wird mit 76% bestimmt.
Beispiel 4
Hochwertige bituminöse Kohle wird in Beispiel 1 extrahiert mit einer Mischung von Pyridin und einer Lösung von Tetraethylammoniumhydroxid (TEAH) in Wasser im Verhältnis von 17,5 ml Pyridin zu 2,5ml von 50%igem TEAH in Wasser, zu 1g Kohle. Der Prozentsatz der extrahierten Kohle wird mit 51% bestimmt.
Beispiel 5
Hochwertige bituminöse Kohle wird bei Raumtemperatur mit einer Mischung von N-Methylpyrrolidon (NMP) und Natriummethanolat 24 Stunden extrahiert. Die Bestandteile waren im Verhältnis von 10ml NMP zu 0,1578 Natriummethanolat zu 1g Kohle. Der Grad der Kohlenstoffextraktion wurde mit 72% bestimmt.
Beispiel 6
Wirkung von Natriumhydroxid:
Unter Verwendung des Verfahrens, wie es in Beispiel 1 beschrieben ist, mit Natriumhydroxid (0,8g) als Feststoff oder als 50%ige wässrige Lösung anstelle des Kaliumhydroxids, wurden die folgenden Kohlenstoffextraktionen erhalten:
Beispiel 7
Wirkung von Wasser:
Unter Verwendung des Verfahrens gemäß Beispiel 1 wurden verschiedene Mengen Wasser zu dem NMP-Lösungsmittel zugefügt. Die Ergebnisse sind im folgenden wiedergegeben:
Das Wasser wirkt sich offensichtlich nicht bedeutend auf das Ergebnis aus.
Beispiel 8
Wirkung des Kohlenstoffgehalts:
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 wird variiert, indem man das Kohlenstoff : Lösungsmittelverhältnis verändert und das Kohlenstoff : Kaliumhydroxidverhältnis konstant hält. Die Ergebnisse für NMP und Dimethylformamid (DMF) als Lösungsmittel sind im folgenden wiedergegeben:

Claims

Verfahren zur Lösen von organischen Materialien aus Kohle, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kohle in einem Medium aus einem dipolaren, aprotischen organischen Lösungsmittel und einer starken Base oder einem Phenolat, welches in reaktivem Kontakt mit dem organischen Lösungsmittel ist, zusammenbringt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium zusätzlich einen Phasenkatalysator enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenkatalysator ein Kronenether ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dipolare aprotische Lösemittel Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, Dimethylacetamid, NMP, Tetramethylharnstoff, Dimethyltetrahydropyrimidinon oder Dimethylimidazolidinon ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Base einen pK-Wert der konjugierten Säure im Bereich von 14 bis 30 hat.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß die Base ein Metallhydroxid ist.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallhydroxid Natrium- oder Kaliumhydroxid ist.
Verfahren gemäß einem der Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Base ein Metallalkoholat oder ein quartäres Ammoniumhydroxid ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Phenolat ein Calcium-, Natrium- oder Kaliumphenolat ist.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt der Kohle mit dem Medium bei Umgebungstemperatur stattfindet.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle eine hochwertige Kohle ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die hochwertige Kohle bituminöse oder Koks-Kohle ist.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt zwischen der Kohle und dem Medium für eine Zeit von mindestens zwei Stunden aufrechterhalten wird.