PL242673B1 - Method for producing nanoporous sorbents with selective adsorptive properties - Google Patents

Method for producing nanoporous sorbents with selective adsorptive properties Download PDF

Info

Publication number
PL242673B1
PL242673B1 PL425666A PL42566618A PL242673B1 PL 242673 B1 PL242673 B1 PL 242673B1 PL 425666 A PL425666 A PL 425666A PL 42566618 A PL42566618 A PL 42566618A PL 242673 B1 PL242673 B1 PL 242673B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
carbonization
methane
activation
carbon dioxide
temperature
Prior art date
Application number
PL425666A
Other languages
Polish (pl)
Other versions
PL425666A1 (en
Inventor
Ireneusz Marciniak
Zygmunt Mierczyk
Barbara Nasiłowska
Łukasz Osuchowski
Original Assignee
Wojskowa Akademia Techniczna Im Jaroslawa Dabrowskiego
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wojskowa Akademia Techniczna Im Jaroslawa Dabrowskiego filed Critical Wojskowa Akademia Techniczna Im Jaroslawa Dabrowskiego
Priority to PL425666A priority Critical patent/PL242673B1/en
Publication of PL425666A1 publication Critical patent/PL425666A1/en
Publication of PL242673B1 publication Critical patent/PL242673B1/en

Links

Landscapes

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania węgli aktywnych polegający na karbonizacji prekursora węglowego bez dostępu tlenu w zakresie temperatur od 300°C do 600°C i aktywacji przy użyciu czynników rozwijających powierzchnię właściwą, charakteryzujący się tym, że etap karbonizacji prowadzi się w atmosferze metanu jako gazu obojętnego, będącym jednocześnie źródłem energii cieplnej, przy czym karbonizacje prowadzi się przy wzroście temperatury 5 - 20°C/min, a dalej aktywację od 30 do 100 min, w temperaturze 800 - 900°C wykorzystując jako substancje rozwijające powierzchnię: dwutlenek węgla, parę wodną oraz dwutlenek węgla i parę wodną jednocześnie w różnych stosunkach ilościowych.The subject of the application is a method for the production of activated carbons consisting in the carbonization of a carbon precursor in the absence of oxygen in the temperature range from 300°C to 600°C and activation with the use of surface-developing agents, characterized in that the carbonization step is carried out in an atmosphere of methane as an inert gas which is also a source of thermal energy, with carbonization being carried out at a temperature increase of 5 - 20°C/min, and then activation from 30 to 100 min, at a temperature of 800 - 900°C, using as surface developing substances: carbon dioxide, water vapor and carbon dioxide and water vapor simultaneously in various quantitative ratios.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania nanoporowatych sorbentów o selektywnych właściwościach adsorpcyjnych.The subject of the invention is a method of producing nanoporous sorbents with selective adsorption properties.

Wynalazek należy do dziedziny techniki inżynieria chemiczna i inżynieria materiałowa.The invention belongs to the technical field of chemical engineering and materials engineering.

Wysoki standard życia i zdrowia ludzi zależy w głównej mierze od zagwarantowania bardzo dobrych warunków dla ochrony w sferze materialnej, ale również w sferze komfortu środowiskowego. Ten gwarantuje brak wpływu środowiska na zdrowie i warunki socjalne. W takim ujęciu zanieczyszczenie środowiska różnego rodzaju odpadami gazowymi oraz stałymi (pyły) skutecznie niszczy wszelkie nakłady na służbę zdrowia i medycynę. Koszty zapobiegania chorobom społecznym wynikającym z zanieczyszczenia środowiska, w tym chorobom płuc, serca i niepożądanym zmianom genetycznym, lokowane w sferze ochrony zdrowia, są wielokrotnie wyższe niż koszty zapobiegania wpływu środowiska na obywateli.The high standard of life and health of people depends mainly on guaranteeing very good conditions for protection in the material sphere, but also in the sphere of environmental comfort. This guarantees no impact of the environment on health and social conditions. In this approach, environmental pollution with various types of gaseous and solid waste (dust) effectively destroys all outlays on health care and medicine. The costs of preventing social diseases resulting from environmental pollution, including lung and heart diseases and undesirable genetic changes, invested in the sphere of health protection, are many times higher than the costs of preventing the impact of the environment on citizens.

Dotychczas węgiel brunatny w zasadniczym stopniu znajdował zastosowanie jedynie do celów energetycznych. W takich zastosowaniach odpowiada za emisję spalin do atmosfery, w tym znaczących ilości CO2. Obniżanie emisji dwutlenku węgla do atmosfery, będzie w dłuższym okresie eliminowało możliwości wykorzystania węgla brunatnego w energetyce. Brak możliwości zastosowania tego surowca spowoduje znaczne zmniejszenie jego wydobycia.So far, lignite has been mainly used only for energy purposes. In such applications, it is responsible for the emission of exhaust gases into the atmosphere, including significant amounts of CO2. Reducing carbon dioxide emissions to the atmosphere will eliminate the possibility of using lignite in the energy sector in the long term. The inability to use this raw material will significantly reduce its extraction.

W wielu rozwiniętych krajach węgiel brunatny jest stosowany jako prekursor do otrzymywania węgli aktywnych.In many developed countries, lignite is used as a precursor for the production of activated carbons.

Węgiel aktywny dzięki swoim właściwościom jest niezastąpionym materiałem adsorpcyjnym w przemyśle. Ekonomiczny aspekt otrzymywania, uniwersalność aplikacyjna, a także możliwość kontroli struktury porowatej pozwala na szerokie zastosowania w wielu dziedzinach nauki, techniki i medycyny. Nieprzerwanie można znaleźć coraz to nowsze doniesienia naukowe i wynalazki, w których wykorzystano węgiel o rozwiniętej strukturze. Dlatego z tych i jeszcze wielu innych powodów jest przedmiotem zainteresowania wielu ośrodków badawczych i przemysłowych.Thanks to its properties, activated carbon is an irreplaceable adsorption material in industry. The economic aspect of obtaining, application versatility, as well as the ability to control the porous structure allow for a wide range of applications in many fields of science, technology and medicine. You can constantly find newer scientific reports and inventions that use carbon with a developed structure. Therefore, for these and many other reasons, it is of interest to many research and industrial centers.

W pracy Brian C. Young, Edwin S. Olson, Curtis L. Knudson, and Ronald C. Timpe; Activated carbons from North Dakota lignite and leonardite; University of North Dakota Energy & Environmental Research Center (EERC) Grand Forks, ND 58202 przedstawiono otrzymywanie węgli aktywnych z węgla brunatnego i leonardytu. Wstępnie prekursor był rozdrobniony i poddany analizie derywatograficznej w celu wyznaczenia optymalnych temperatur procesów karbonizacji i aktywacji. Do badań wyznaczono trzy temperatury karbonizacji (350°C, 480°C i 550°C), natomiast aktywację prowadzono otrzymując serię materiałów w temperaturze od 700°C poprzez 750°C itd. aż do 1000°C. Strukturę porowatą rozwijano parą wodną w czasie 10 lub 20 min przy stosunku objętościowym pary wodnej względem azotu 20/80. Ostatecznie materiały były oczyszczane kwasem chlorowodorowym i fluorowodorowym. Otrzymane adsorbenty zastosowano do pochłaniania dwutlenku siarki. Najskuteczniejszy węgiel aktywny magazynował w swojej objętości 10,9% masowych ze strumienia argonu zawierającego 10 000 ppm SO2.In the work of Brian C. Young, Edwin S. Olson, Curtis L. Knudson, and Ronald C. Timpe; Activated carbons from North Dakota lignite and leonardite; University of North Dakota Energy & Environmental Research Center (EERC) Grand Forks, ND 58202 describes the preparation of activated carbons from lignite and leonardite. Initially, the precursor was fragmented and subjected to derivatographic analysis in order to determine the optimal temperatures of the carbonization and activation processes. Three carbonization temperatures (350°C, 480°C and 550°C) were determined for the tests, while the activation was carried out by obtaining a series of materials at a temperature of 700°C through 750°C, etc. up to 1000°C. The porous structure was developed with steam for 10 or 20 minutes at a volume ratio of steam to nitrogen of 20/80. Finally, the materials were purified with hydrochloric and hydrofluoric acid. The obtained adsorbents were used to absorb sulfur dioxide. The most effective activated carbon stored in its volume 10.9% by mass of the argon stream containing 10,000 ppm SO2.

W 2012 ukazała się publikacja S. Bhutto, M. N. Khan, Preparation and characterization of activated carbon from lignite coal by chemical activation and its application for lead removal from wastewater, IJCEES 3(3) pp. 28-39. 2012, gdzie przedstawiono preparatykę otrzymywania węgli aktywnych z węgla brunatnego wykorzystując do tego aktywację chemiczną. Surowiec był początkowo przesiewany, oczyszczany i suszony w 100°C z pominięciem procesu karbonizacji co trzeba zaznaczyć. Proces rozwijania struktury porowatej był prowadzony aż przez 24 godziny wykorzystując do tego kwas H 2SO4. Otrzymany produkt wykorzystano do usunięcia ze ścieków jonów Pb (II+). Maksymalnie uzyskano adsorpcję na poziomie 333,30 mg/g.In 2012, S. Bhutto, M. N. Khan, Preparation and characterization of activated carbon from lignite coal by chemical activation and its application for lead removal from wastewater, IJCEES 3(3) pp. 28-39. 2012, where the preparation of the preparation of activated carbons from lignite using chemical activation was presented. The raw material was initially screened, cleaned and dried at 100°C, omitting the carbonization process, which should be noted. The process of developing the porous structure was carried out for 24 hours using H 2 SO 4 acid. The obtained product was used to remove Pb (II+) ions from the sewage. The maximum adsorption was 333.30 mg/g.

Podobne zastosowanie węgli aktywnych do adsorpcji z fazy ciekłej można znaleźć w publikacji L. Guocheng, H. Jiao, L. Liu, MA Hongwen, F. Qinfang, W. Limei, W. Mingquan, Z. Yihe, The Adsorption of Phenol by Lignite Activated Carbon, Separation Science and Engineering, Chinese Journal of Chemical Engineering, pp. 380-385 19(3) 2011. W opublikowanych badaniach węgle aktywne posłużyły do adsorpcji rozpuszczalnego w wodzie fenolu.,A similar application of activated carbons for liquid phase adsorption can be found in L. Guocheng, H. Jiao, L. Liu, MA Hongwen, F. Qinfang, W. Limei, W. Mingquan, Z. Yihe, The Adsorption of Phenol by Lignite Activated Carbon, Separation Science and Engineering, Chinese Journal of Chemical Engineering, pp. 380-385 19(3) 2011. In the published studies, activated carbons were used to adsorb water-soluble phenol.,

W publikacji Yan Wu, Jing-Pei Cao, Xiao-Yan Zhao, Zhi-Qiang Hao, Qi-Qi Zhuang, Jun-Sheng Zhu, Xing-Yong Wang, Xian-Yong Wei, Preparation of porous carbons by hydrothermal carbonization and KOH activation, of lignite and their performance for electric double layer capacitor, Electrochimica Acta, pp. 397-407 252 (20) 2017, została scharakteryzowana seria porowatych węgli. Proces polegał na wstępnej obróbce - karbonizacji hydrotermalnej, a następnie aktywacji chemicznej, za pomocą KOH.Yan Wu, Jing-Pei Cao, Xiao-Yan Zhao, Zhi-Qiang Hao, Qi-Qi Zhuang, Jun-Sheng Zhu, Xing-Yong Wang, Xian-Yong Wei, Preparation of porous carbons by hydrothermal carbonization and KOH activation , of lignite and their performance for electric double layer capacitor, Electrochimica Acta, pp. 397-407 252 (20) 2017, a series of porous carbons has been characterized. The process consisted of pre-treatment - hydrothermal carbonization, followed by chemical activation with KOH.

Otrzymane węgle aktywne wykorzystano do dwuwarstwowych kondensatorów (EDLC). W dyskusji wyników przedstawiono szczegółowy wpływ parametrów otrzymywania materiałów na ostateczną strukturę porów oraz właściwości elektrochemicznych. Istotnym aspektem otrzymanych węgli była głównie r ozwinięta struktura z zakresu mikroporowatości. Porowatość adsorbentów scharakteryzowano przy użyciu niskotemperaturowych (-196°C) izoterm adsorpcji-desorpcji azotu. Najlepiej rozwinięta powierzchnia właściwa węgla przedstawiona w pracy wynosiła 3162 m2/g. Elektrochemiczne działanie symetrycznego elektrycznie dwuwarstwowego kondensatora (EDLC) wytworzonego z porowatych węgli zbadano za pomocą cyklicznej woltamperometrii i elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej.The activated carbons obtained were used for double-layer capacitors (EDLC). In the discussion of the results, a detailed influence of the material preparation parameters on the final pore structure and electrochemical properties was presented. An important aspect of the obtained coals was mainly developed structure in the range of microporosity. The porosity of the adsorbents was characterized using low-temperature (-196°C) nitrogen adsorption-desorption isotherms. The best developed specific surface area of coal presented in the paper was 3162 m 2 /g. The electrochemical performance of an electrically symmetric double-layer capacitor (EDLC) made of porous carbons was investigated using cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy.

W badaniach przeprowadzonych przez F.J.M. Carrott i innych opisanych w P.J.M. Carrott, I.P.P., Cansado, P.A.M. Mourao, M.M.L. Ribeiro Carrott, N.D.B. Louro, A. Albiniak, E. Broniek, M. JasieńkoHałat, On the use of ethanol for evaluating microporositv of activated carbons prepared from Polish lignite, Fuel Processing Technology, pp. 34-38, 103, 2012, wykorzystano węgiel brunatny z Polski. Serię mikroporowatych węgli aktywnych otrzymano poprzez aktywację chemiczną (KOH) lub aktywację parą wodną. Adsorbenty scharakteryzowano przy użyciu adsorpcji N2 w temperaturze 77 K i CO2 w temperaturze 298 K. W pracy przedstawiono skuteczność adsorpcji etanolu, benzenu i cykloheksanu. Analiza izoterm obejmowała zastosowanie metody as. W pracy potwierdzono ważny aspekt, że etanol jest eksperymentalnie wygodnym środkiem adsorpcyjnym do celów badawczych i może posłużyć jako standard w eksperymentach charakteryzujących węgle aktywne. Szczególnie interesującą obserwacją było, że etanol może uzyskać dostęp do całej mikroporowatości nawet w przypadku próbek zawierających ultramikropory.In research conducted by F.J.M. Carrott and others described in P.J.M. Carrott, I.P.P., Cansado, P.A.M. Mourao, M.M.L. Ribeiro Carrott, N.D.B. Louro, A. Albiniak, E. Broniek, M. JasieńkoHałat, On the use of ethanol for evaluating microporositv of activated carbons prepared from Polish lignite, Fuel Processing Technology, pp. 34-38, 103, 2012, lignite from Poland was used. A series of microporous activated carbons were obtained by chemical activation (KOH) or steam activation. Adsorbents were characterized using N2 adsorption at 77 K and CO2 at 298 K. The adsorption efficiency of ethanol, benzene and cyclohexane was presented in the paper. The analysis of isotherms involved the use of the as method. The work confirmed an important aspect that ethanol is an experimentally convenient adsorption agent for research purposes and can be used as a standard in experiments characterizing activated carbons. A particularly interesting observation was that ethanol can access all the microporosity even in samples containing ultramicropores.

W literaturze można znaleźć doniesienia o wykorzystaniu węgla brunatnego do otrzymywania węgli, których powierzchnia właściwa była rozwijana dwutlenkiem węgla w obrotowym piecu rurowym vide I. Karamana. E. Yagmura, A. Banford, Z. Aktas, The effect of process parameters on the carbon dioxide based production of activated carbon from lignite in a rotary reactor, Fuel Processing Technology, pp. 34-41, 118, 2014. Takie materiały charakteryzują się strukturą, w której dominują mikropory (wg, UIPAC 0,5 do 2 nm). W przedstawionych eksperymentach zostały określone efekty zmian ostatecznego produktu względem różnych parametrów procesu otrzymywania; temperatura, czas aktywacji, czas wstępnego utleniania, szybkość przepływu CO2, szybkość ogrzewania i szybkość rotacji. Powierzchnia właściwa (Sbet) opisanych materiałów wynosiła od 331,5 m2/g do 696, 4 m2/g, całkowita objętość porów od 0,18 cm3/g do 0,46 cm3/g. Istotne było w pracy przedstawienie wydajności wszystkich procesów, która wahała się od wartości od 11,06% do 61,06%. Przeprowadzone próby udowodniły, że zwiększenie przepływu CO2 znacznie zwiększa rozwój powierzchni BET produktów. Ponadto w pracy wykazano, że reaktor powinien obracać się w trakcie procesu aktywacji, ponieważ takie działanie powoduje intensyfikację rozwoju powierzchni węgla aktywnego nawet o 16%. Stwierdzono, że rotacja reaktora jest skutecznym sposobem zwiększenia produkcji węgla aktywowanego pod względem zwiększenia powierzchni bez znacznego zmniejszenia wydajności wskutek mechanicznej destrukcji ziaren.In the literature, one can find reports on the use of brown coal to obtain coals whose specific surface was developed with carbon dioxide in a rotary tubular furnace, see I. Karaman. E. Yagmura, A. Banford, Z. Aktas, The effect of process parameters on the carbon dioxide based production of activated carbon from lignite in a rotary reactor, Fuel Processing Technology, pp. 34-41, 118, 2014. Such materials are characterized by a structure dominated by micropores (according to UIPAC 0.5 to 2 nm). In the presented experiments, the effects of changes in the final product in relation to various parameters of the production process were determined; temperature, activation time, pre-oxidation time, CO2 flow rate, heating rate and rotation rate. The specific surface area (Sbet) of the described materials ranged from 331.5 m 2 /g to 696.4 m 2 /g, total pore volume from 0.18 cm 3 /g to 0.46 cm 3 /g. It was important to present the efficiency of all processes, which ranged from 11.06% to 61.06%. Tests have shown that increasing the CO2 flow significantly increases the development of the BET surface of the products. In addition, the work showed that the reactor should rotate during the activation process, because such action intensifies the development of the activated carbon surface by up to 16%. Reactor rotation has been found to be an effective way to increase the production of activated carbon in terms of surface area without significantly reducing productivity due to mechanical destruction of the grains.

Ze stanu techniki znane są również liczne zgłoszenia patentowe dotyczące omawianej problematyki.Also known from the state of the art are numerous patent applications relating to the discussed issues.

Z polskiego patentu o numerze Pat. 163458 „Sposób otrzymywania węgla aktywnego w złożu fluidalnym” znane jest rozwiązanie, w którym do reaktora aktywacji wprowadzono obok karbonizatu surowiec węglonośny.From the Polish patent No. Pat. 163458 "Method of obtaining activated carbon in a fluidized bed" there is a known solution in which a coal-bearing raw material was introduced into the activation reactor next to the char.

Istnieją również rozwiązania w których da wytwarzania węgla aktywnego użyto rozdrobnionej melasy niesuszonej (Pat. 223461) i suszonej (Pat. 228402).There are also solutions in which crushed undried molasses (Pat. 223461) and dried molasses (Pat. 228402) are used for the production of activated carbon.

Z polskiego patentu o nr Pat.1935331 znane jest zastosowanie węgla aktywnego zawierającego komponenty K2CO3 lub K2CO3/MnO2 do usuwania siarkowodoru i zapachów z kanalizacji.From the Polish patent No. Pat. 1935331 it is known to use activated carbon containing K2CO3 or K2CO3/MnO2 components to remove hydrogen sulphide and odors from the sewage system.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania nowej grupy nanoporowatych sorbentów o selektywnych właściwościach adsorpcyjnych, którymi są modyfikowane materiały węglowe o rozwiniętej powierzchni. Opracowano innowacyjny proces karbonizacji oraz proces aktywacji w celu rozwinięcia powierzchni porowatej przy użyciu CO2, H2O oraz KOH.The aim of the invention is to develop a method of producing a new group of nanoporous sorbents with selective adsorption properties, which are modified carbon materials with a developed surface. An innovative carbonization and activation process was developed to develop the porous surface using CO2, H2O and KOH.

Proces według wynalazku polega na wstępnym rozdrobnieniu i osuszeniu węgla brunatnego w znanych aparatach, następnie ogrzaniu surowca do temperatury pomiędzy 300°C, a 600°C i w tych warunkach poddaniu go kontaktowi z metanem, którego temperatura jest nieznacznie wyższa od temperatury węgla. Proces ten zwany karbonizacją węgla prowadzony jest w aparacie przepływowym ciągłym, korzystnie w piecu półkowym typu Herreshoffa. Czas przebywania węgla w kontakcie z metanem jest dobierany w zależności od średnicy uziarnienia surowca, a proporcje wagowe metanu względem węgla zawierają się w przedziale pomiędzy 0,05 kgCH4/kgC, a 2,5 kgCH4/kgC. W etapie karbonizacji dochodzi do częściowego rozkładu gazowego metanu, a powstające atomy węgla napotykając na cząstki stałe osadzają się na nich tworząc struktury 2D zbliżone właściwościami geometrycznymi do cząstek grafenu płatkowego. Powstający podczas częściowego rozkładu metanu, wodór korzystnie redukuje lotne związki organiczne oraz wpływa na zwiększenie aktywności chemicznej węgla. Gazy zawierające nieprzereagowany metan, lotnie związki pochodzące z karbonizacji węgla, niewielkie ilości wodoru oraz niewielkie ilości pyłu węglowego kierowane są do pieca do spalania, dzięki któremu uzyskuje się energię do ogrzania węgla, metanu i stosowanych do aktywacji (dalsza część procesu) dwutlenku węgla i pary wodnej.The process according to the invention consists in preliminary grinding and drying of lignite in known devices, then heating the raw material to a temperature between 300°C and 600°C and in these conditions putting it in contact with methane, the temperature of which is slightly higher than the temperature of coal. This process, called coal carbonization, is carried out in a continuous flow apparatus, preferably in a Herreshoff-type plate furnace. The residence time of coal in contact with methane is selected depending on the grain size of the raw material, and the weight proportions of methane to coal range between 0.05 kg CH4 /kgC and 2.5 kg CH4 /kgC. In the carbonization stage, a partial decomposition of gaseous methane takes place, and the emerging carbon atoms encounter solid particles and settle on them, creating 2D structures similar in geometric properties to flake graphene particles. The hydrogen formed during the partial decomposition of methane, favorably reduces volatile organic compounds and increases the chemical activity of coal. Gases containing unreacted methane, volatile compounds from coal carbonization, small amounts of hydrogen and small amounts of coal dust are directed to the combustion furnace, thanks to which energy is obtained to heat coal, methane and carbon dioxide and steam used for activation (further part of the process) water.

Po procesie karbonizacji węgiel kierowany jest do etapu aktywacji. Przez etap aktywacji należy rozumieć proces, w którym w wysokiej temperaturze (i ewentualnie podwyższonym ciśnieniu, częściej pod normalnym ciśnieniem) rozwija się powierzchnię węgla poprzez tworzenie porów (wnęk, wolnych przestrzeni) wykorzystując do tego rożne substancje wykazujące charakter słabego utleniacza w podwyższonej temperaturze względem węgla (0 stopień utlenienia). Wyróżnia się aktywację chemiczną (przy użyciu np.: KOH, H3PO4, ZnCl) lub fizyczną (O2, CO2, para wodna). W tym celu węgiel jest podgrzewany gazowym dwutlenkiem węgla do temperatury od 400°C do 800°C i traktowany (kontaktowany) gazowym dwutlenkiem węgla lub gazowym dwutlenkiem węgla z domieszką przegrzanej pary wodnej. Udział objętościowy i przegrzanie pary wodnej są tak dobrane, aby w żadnym miejscu aparatu nie dochodziło do kondensacji. Kontakt pomiędzy ogrzanymi gazami, a węglem jest prowadzony korzystnie w piecu półkowym typu Herreshoffa. Czas kontaktu jest ustalany na podstawie jakości węgla wyprowadzanego z etapu karbonizacji. Proporcje wagowe pomiędzy dwutlenkiem węgla i węglem po karbonizacji zawierają się w przedziale od 0,05 kgCO2/kgC do 6 kgCO2/kgC. Węgiel wyprowadzany z aparatu jest chłodzony strumieniem metanu i świeżego dwutlenku węgla dostarczanego do procesu aktywacji. Gazy po aktywacji są zawracane do procesu aktywacji w 80 - 98% ich początkowej ilości. Nadmiar gazów tzw. „Perch Gas” jest dodawany do metanu po karbonizacji i kierowany do pieca.After the carbonization process, the carbon is directed to the activation stage. The activation step should be understood as a process in which the coal surface is developed at high temperature (and possibly at elevated pressure, more often at normal pressure) by creating pores (cavities, voids) using various substances showing the nature of a weak oxidant at elevated temperature relative to coal. (0 oxidation state). There are chemical activation (using e.g. KOH, H3PO4, ZnCl) or physical activation (O2, CO2, water vapour). For this purpose, the coal is heated with gaseous carbon dioxide to a temperature of 400°C to 800°C and treated (contacted) with gaseous carbon dioxide or gaseous carbon dioxide with an admixture of superheated steam. The volume fraction and superheating of the water vapor are selected so that no condensation occurs anywhere in the apparatus. The contact between the heated gases and the coal is preferably carried out in a Herreshoff-type tray furnace. The contact time is determined by the quality of the coal discharged from the carbonization stage. The weight proportions between carbon dioxide and carbon after carbonization range from 0.05 kg CO2 /kgC to 6 kg CO2 /kgC. The coal discharged from the apparatus is cooled by a stream of methane and fresh carbon dioxide supplied to the activation process. After activation, gases are returned to the activation process in 80 - 98% of their initial amount. The excess of gases "Perch Gas" is added to methane after carbonization and directed to the kiln.

Istotą wynalazku jest sposób wytwarzania węgli aktywnych polegający na karbonizacji prekursora węglowego bez dostępu tlenu w zakresie temperatur od 300°C do 600°C i aktywacji przy użyciu czynników rozwijających powierzchnię właściwą, charakteryzujący się tym, że etap karbonizacji prowadzi się w atmosferze metanu jako gazu obojętnego, będącym jednocześnie źródłem energii cieplnej, przy czym karbonizację prowadzi się przy wzroście temperatury 5-20°C/min, a dalej aktywację od 30 do 100 min, w temperaturze 800-900°C wykorzystując jako substancje rozwijające powierzchnię: dwutlenek węgla, parę wodną oraz dwutlenek węgla i parę wodną jednocześnie w różnych stosunkach ilościowych.The essence of the invention is a method of producing activated carbons consisting in the carbonization of a carbon precursor without access to oxygen in the temperature range from 300°C to 600°C and activation with the use of agents developing the specific surface, characterized in that the carbonization step is carried out in an atmosphere of methane as an inert gas which is also a source of thermal energy, carbonization is carried out at a temperature increase of 5-20°C/min, and then activation from 30 to 100 min, at a temperature of 800-900°C, using as surface developing substances: carbon dioxide, water vapor and carbon dioxide and water vapor simultaneously in various quantitative ratios.

Korzystnie, gdy proces karbonizacji przebiega w warunkach z częściowym rozkładem metanu.Preferably, the carbonization process proceeds in conditions with partial decomposition of methane.

Korzystnie, gdy stosunek wagowy metanu do węgla brunatnego zawiera się w przedziale od 0,05 do 2,5 kgCH4/kgC.Preferably, the weight ratio of methane to brown coal is in the range of 0.05 to 2.5 kg CH4 /kgC.

Korzystnie, gdy. metan wraz ze składnikami gazowymi po karbonizacji jest nośnikiem energii, a proces jest autotermiczny.Preferably when. methane together with gaseous components after carbonization is an energy carrier, and the process is autothermal.

Wynalazek został zrealizowany w dwóch przykładach wykonania, gdzie:The invention has been implemented in two embodiments, where:

Przykład IExample I

Do procesu wprowadzono 1,000 kg węgla brunatnego o średniej wielkości ziarna wynoszącej 12 mm i zawartości wilgoci wynoszącej 10% wag. Po procesie mielenia średnia wielkość ziarna wyniosła 0,8 mm, a zawartość wilgoci spadła do 9%. Z młyna wyprowadzono 0,989 kg węgla o uziarnieniu 0,8 mm oraz w fazie gazowej 0,010 kg pary wodnej i 0,001 kg pyłu węglowego. Tak przygotowany surowiec ogrzano do temperatury 450°C i wprowadzono do etapu karbonizacji, do którego wprowadzono również 0,300 kg metanu. Po jednej godzinie węgiel został w całości wyprowadzony z aparatu w ilości 0,480 kg. W fazie gazowej pozostało 0,260 kg metanu, 0,090 kg pary wodnej oraz 0,459 kg zgazyfikowanych substancji lotnych w tym wodoru powstałego w wyniku redukcji metanu. Metan w ilości 0,040 kg uległ redukcji do węgla i wodoru. Do procesu aktywacji skierowano 0,480 kg węgla po karbonizacji. Półprodukt ten ogrzano do temperatury 680°C i poddano kontaktowi z gazowym dwutlenkiem węgla w ilości 1,000 kg i parą wodną w ilości 0,010 kg. Proces kontaktowania obu faz prowadzono przez 1,5 godziny, a następnie z aparatu wyprowadzono 0,465 kg węgla aktywnego, który schłodzono dwustopniowo bezprzeponowo strumieniem zimnego metanu i dwutlenku węgla do temperatury 50°C. Gazy zawierające dwutlenek węgla w ilości 1,000 kg i parę wodną w ilości 0,010 kg oraz 0,015 kg pyłu węglowego rozdzielono na dwa strumienie. Pierwszy z nich zawierający 0,90 kg dwutlenku węgla, 0,009 kg pary wodnej oraz 0,0135 kg pyłu węglowego zawrócono do procesu aktywacji dodając do tego strumienia dwutlenek węgla i parę wodną przegrzaną w ilościach bilansowych, drugi strumień zawierający 0,10 kg dwutlenku węgla, 0,001 kg pary wodnej oraz 0,0015 kg pyłu węglowego dodano do strumienia metanu po karbonizacji i skierowano do pieca.1,000 kg of lignite with an average grain size of 12 mm and a moisture content of 10% by weight was introduced into the process. After the milling process, the average grain size was 0.8 mm and the moisture content dropped to 9%. 0.989 kg of coal with a grain size of 0.8 mm and 0.010 kg of water vapor and 0.001 kg of coal dust were discharged from the mill. The raw material prepared in this way was heated to 450°C and fed to the carbonization stage, to which 0.300 kg of methane was also introduced. After one hour, 0.480 kg of coal was completely removed from the apparatus. 0.260 kg of methane, 0.090 kg of water vapor and 0.459 kg of gasified volatile substances, including hydrogen produced as a result of methane reduction, remained in the gaseous phase. Methane in the amount of 0.040 kg was reduced to carbon and hydrogen. 0.480 kg of coal after carbonization was directed to the activation process. This intermediate was heated to 680°C and contacted with 1.000 kg of carbon dioxide gas and 0.010 kg of steam. The process of contacting the two phases was carried out for 1.5 hours, and then 0.465 kg of activated carbon was discharged from the apparatus, which was cooled in two stages directly with a stream of cold methane and carbon dioxide to a temperature of 50°C. Gases containing 1.000 kg of carbon dioxide and 0.010 kg of water vapor and 0.015 kg of coal dust were separated into two streams. The first stream containing 0.90 kg of carbon dioxide, 0.009 kg of water vapor and 0.0135 kg of coal dust was returned to the activation process by adding carbon dioxide and superheated steam to this stream in balance amounts, the second stream containing 0.10 kg of carbon dioxide, 0.001 kg of steam and 0.0015 kg of coal dust were added to the methane stream after carbonization and directed to the furnace.

W efekcie tak prowadzonego procesu uzyskano 0,465 kg węgla aktywnego o średnim uziarnieniu wynoszącym 0,75 mm i powierzchni właściwej wynoszącej około 2120 m 2/g produktu.As a result of the process carried out in this way, 0.465 kg of activated carbon with an average grain size of 0.75 mm and a specific surface area of about 2120 m 2 /g of product was obtained.

Gazy spalinowe pochodzące z procesu to głównie dwutlenek węgla, para wodna oraz nieznaczne ilości tlenków siarki i azotu pochodzące z produktów zgazowania węgla brunatnego. Zawartość tych składników nie przekracza poziomu 0,02% vol. (200 ppm) dla związków siarki i 0,005% vol. (50 ppm) dla związków azotu.Flue gases from the process are mainly carbon dioxide, water vapor and small amounts of sulfur and nitrogen oxides from brown coal gasification products. The content of these components does not exceed the level of 0.02% vol. (200 ppm) for sulfur compounds and 0.005% vol. (50 ppm) for nitrogen compounds.

Przykład IIExample II

1,000 kg węgla brunatnego rozdrabnia w celu otrzymania ziaren o wielkości 0,2-0,3 mm, które następnie suszy się w celu pozbycia się wody obciążającej niepotrzebnie strukturę surowca. Następnie suchą masę umieszcza się w piecu, przy przepływie metanu z szybkością 0,5 l/m i karbonizuje w temperaturze 500°C przy wzroście temperatury 20°C/min. Kolejno uzyskany karbonizat przenosi się do drugiej strefy pieca i prowadzi się proces aktywacji przez 30 minut w temperaturze 850°C przy przepływie 0,5 l/min CO2 jako czynnika rozwijającego strukturę porowatą. Ostatecznie próbkę wyjmuje się ze strefy gorącej pieca jednocześnie chłodząc ją w strumieniu metanu, który jest ogrzewany i wykorzystywany w innym etapie procesu. W przedstawiony sposób uzyskuje się węgiel aktywny charakteryzujący się dużą wytrzymałością i frakcją ziaren z zakresu 0,9-0,26 mm przy zachowanej wysokiej wydajności. Charakteryzując strukturę porowatą węgla aktywnego przeważają mikropory oraz wąskie mezopory. Otrzymany adsorbent skutecznie pochłania z fazy gazowej lotne związki organiczne, w tym szczególnie skutecznie kancerogeny np. benzen.1,000 kg of lignite is crushed to obtain grains with a size of 0.2-0.3 mm, which are then dried in order to get rid of water unnecessarily burdening the structure of the raw material. The dry mass is then placed in an oven with a methane flow rate of 0.5 l/m and carbonized at 500°C with a temperature increase of 20°C/min. Subsequently, the char obtained is transferred to the second zone of the furnace and the activation process is carried out for 30 minutes at a temperature of 850°C with a flow of 0.5 l/min CO2 as a factor developing the porous structure. Finally, the sample is removed from the hot zone of the furnace while cooling it in a stream of methane, which is heated and used in another process step. In the presented way, activated carbon is obtained characterized by high strength and grain fraction in the range of 0.9-0.26 mm while maintaining high efficiency. Characterizing the porous structure of activated carbon, micropores and narrow mesopores predominate. The resulting adsorbent effectively absorbs volatile organic compounds from the gaseous phase, including carcinogens, e.g. benzene, which are particularly effective.

Claims (4)

1. Sposób wytwarzania węgli aktywnych polegający na karbonizacji prekursora węglowego bez dostępu tlenu w zakresie temperatur od 300°C do 600°C i aktywacji przy użyciu czynników rozwijających powierzchnię właściwą, znamienny tym, że etap karbonizacji prowadzi się w atmosferze metanu jako gazu obojętnego, będącym jednocześnie źródłem energii cieplnej, przy czym karbonizację prowadzi się przy wzroście temperatury 5-20°C/min, a dalej aktywację od 30 do 100 min, w temperaturze 800-900°C wykorzystując jako substancje rozwijające powierzchnię: dwutlenek węgla, parę wodną oraz dwutlenek węgla i parę wodną jednocześnie w różnych stosunkach ilościowych.1. A method of producing activated carbons consisting in the carbonization of a carbon precursor in the absence of oxygen in the temperature range from 300°C to 600°C and activation with the use of surface-developing agents, characterized in that the carbonization step is carried out in an atmosphere of methane as an inert gas, which is at the same time a source of thermal energy, carbonization is carried out at a temperature increase of 5-20 ° C / min, and then activation from 30 to 100 min, at a temperature of 800-900 ° C, using as surface developing substances: carbon dioxide, water vapor and carbon dioxide carbon and water vapor simultaneously in various quantitative ratios. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces karbonizacji przebiega w warunkach z częściowym rozkładem metanu.2. The method of claim 1, characterized in that the carbonization process takes place in conditions with partial decomposition of methane. 3. Sposób według zastrzeżenia 1 i 2, znamienny tym, że stosunek wagowy metanu do węgla brunatnego zawiera się w przedziale od 0,05 do 2,5 kgCH4/kgC.3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the weight ratio of methane to brown coal is in the range of 0.05 to 2.5 kg CH4 /kgC. 4. Sposób według zastrzeżenia 1, 2 i 3, znamienny tym, że metan wraz ze składnikami gazowymi po karbonizacji jest nośnikiem energii, a proces jest autotermiczny.4. The method according to claims 1, 2 and 3, characterized in that methane together with gaseous components after carbonization is an energy carrier and the process is autothermal.
PL425666A 2018-05-22 2018-05-22 Method for producing nanoporous sorbents with selective adsorptive properties PL242673B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL425666A PL242673B1 (en) 2018-05-22 2018-05-22 Method for producing nanoporous sorbents with selective adsorptive properties

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL425666A PL242673B1 (en) 2018-05-22 2018-05-22 Method for producing nanoporous sorbents with selective adsorptive properties

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL425666A1 PL425666A1 (en) 2019-12-02
PL242673B1 true PL242673B1 (en) 2023-04-03

Family

ID=68655006

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL425666A PL242673B1 (en) 2018-05-22 2018-05-22 Method for producing nanoporous sorbents with selective adsorptive properties

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL242673B1 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
PL425666A1 (en) 2019-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Egbosiuba et al. Ultrasonic enhanced adsorption of methylene blue onto the optimized surface area of activated carbon: Adsorption isotherm, kinetics and thermodynamics
Medhat et al. Efficiently activated carbons from corn cob for methylene blue adsorption
Hidayu et al. Preparation and characterization of impregnated activated carbon from palm kernel shell and coconut shell for CO2 capture
Kaźmierczak et al. Sorption properties of activated carbons obtained from corn cobs by chemical and physical activation
Manocha Porous carbons
Nowicki et al. Active carbons prepared by chemical activation of plum stones and their application in removal of NO2
Shen et al. Enhancing the absorption of elemental mercury using hydrogen peroxide modified bamboo carbons
Fiuza Jr et al. Preparation of granular activated carbons from yellow mombin fruit stones for CO2 adsorption
ES2209931T3 (en) PROCEDURE TO PREPARE CONFORMED ACTIVATED CARBON.
US8563467B2 (en) Method for preparation of activated carbon
US20070254807A1 (en) Process for the manufacture of carbonaceous mercury sorbent from coal
Gan et al. Hierarchical porous biochar from plant-based biomass through selectively removing lignin carbon from biochar for enhanced removal of toluene
US20160031713A1 (en) Activated carbon with high percentage mesoporosity, surface area, and total pore volume
JP6760583B2 (en) How to make activated carbon
Nowicki The effect of mineral matter on the physicochemical and sorption properties of brown coal-based activated carbons
Kazmierczak-Razna et al. The use of microwave radiation for obtaining activated carbons enriched in nitrogen
Zheng et al. Study of the modification mechanism of heavy metal ions adsorbed by biomass-activated carbon doped with a solid nitrogen source
RU2311227C1 (en) Method of production of the nanostructure carbonic material with the high specific surface and microporosity
RU2436625C1 (en) Method to produce carbon adsorbent
Hakami Urea-doped hierarchical porous carbons derived from sucrose precursor for highly efficient CO2 adsorption and separation
Mikova et al. Study of high porous carbons prepared by the alkaline activation of anthracites
Finqueneisel et al. Cheap adsorbent. Part 1: Active cokes from lignites and improvement of their adsorptive properties by mild oxidation
Bedane et al. Textural characteristics of activated carbons prepared from agricultural residues‐review
Dinesh Development and characterization of pellet activated carbon from new precursor
Kaźmierczak-Raźna et al. Comparison of physicochemical, sorption and electrochemical properties of nitrogen-doped activated carbons obtained with the use of microwave and conventional heating