Получение углеродных адсорбентов из древесного сырья путём предпиролиза с последующей термохимической активацией (стр. 4 )

Регенерации анионита заключается в восстановлении йода с йод-ионита раствором сульфита натрия. Выделение кристаллического йода из концентратов осуществляют в кристаллизаторе непрерывного действия, куда подают раствор гипохлорита натрия и кислоту. Выделившийся йод обезвоживают, очищают от примесей, высушивают и готовый продукт упаковывают в тару.

Метод сорбции йода анионитами достаточно селективен и пригоден только при низкой температуре воды, при температурах выше 40 – 45 0С процесс сорбции протекает значительно хуже. Кроме того, существующая на сегодняшний день технология извлечения йода достаточно дорогостоящая из-за высокой стоимости используемого сорбента. Синтезируемые нами порошкообразные активные угли значительно дешевле анионита и обладают высокой сорбционной ёмкостью по йоду. Проведённые исследования позволяют предложить технологическую схему (рисунок 9), предназначенную для извлечения йода из природных вод с использованием, синтезируемых нами порошкообразных активных углей.

Установка ориентирована на производство 100 тонн йода в год и состоит из следующих стадий:

подкисление буровой воды и выделение элементного йода с помощью окислителей (гипохлорит натрия);

адсорбция йода из раствора активным углем; десорбция йода с угля; выделение и очистка кристаллического йода.

Предлагаемая технология отличается от существующей аппаратурным оформлением процесса. В качестве адсорбера предлагается использовать реактор с мешалками. Реакторы устанавливаются группами по три - четыре аппарата. Для максимального извлечения йода вода последовательно проходит через все аппараты. Уголь загружается в концевой аппарат в виде угольной суспензии в отношении 1:4.

Рисунок 9 – Предлагаемая схема получения йода угольно-адсорбционным методом

Десорбция йода с угля осуществляется отгонкой перегретым паром при температуре 200 0С. Таким образом, данная технология позволяет снизить затраты на реагенты для отмывки йода с угля, а следовательно, снижается и себестоимость получаемого йода.

Технологическая часть состоит из 2-х разделов

1. Описание технологической схемы

В разделе описана технологическая схема получения порошкообразного активированного угля из древесных отходов путём термохимической активации в присутствии NaOH. Схема разработана с соблюдением экологической чистоты производства и минимальными энергетическими затратами.

Основные стадии процесса представлены на блок-схеме (рисунок 10). Предварительно подсушенное сырьё до влажности 25% подается на предварительную термическую обработку при температуре 4000С в барабанную печь с внешним нагревом. Полученный уголь-сырец поступает в смеситель, туда же подается концентрированный водный раствор NaOH. Реакционная масса подается в реактор непрерывного действия для термообработки. Реактор представляет собой две стандартные колосниковые решетки для топки котельной установки, оборудование специальным коробчатым покрытием.

Активный уголь с чешуйчатых решеток поступает в приемник угля, туда же подается вода для отмывки и охлаждения угля. Из приемника угля угольная суспензия подается на ленточный вакуум-фильтр, где активный уголь проходит пять ступеней отмывки от минеральной части. Промывка угля осуществляется противотоком. На третью ступень отмывки подается вода, а промывные воды отбираются в бак и подаются насосом на вторую ступень, откуда промывные воды снова отбираются в бак и насосом направляются на первую ступень отмывки. Таким образом, щелок укрепляется и подается в отдел регенерации. На четвертую ступень отмывки подается раствор 0,5н соляной кислоты с гидромодулем 10. На пятую ступень подается вода для отмывки угля от кислоты.

Рисунок 10 – Блок-схема процесса производства активного угля из древесных отходов методом ТХА в присутствии NaOH

Промытый активный уголь поступает на сушку в барабанную сушилку с внешним нагревом. Высушенный уголь с влажностью 40% поступает на упаковку и складируется. На этом заканчивается технологическая цепочка движения сырья и продукта.

Технологическая цепочка по газо-воздушному тракту начинается с отбора дымовых газов процесса активации, которые направляются на сушку исходного сырья и на их предварительную термообработку. Отработанные дымовые газы предпиролиза направляются на поддержание теплового режима сушки активного угля. Тепловой режим термохимической активации осуществляется за счет сжигания в верхней части реактора парогазов активации и парогазов предпиролиза.

2. Расчёт материальных и тепловых балансов

В соответствии со схемой 10 составлены материальные и тепловые балансы процесса синтеза углеродных сорбентов, из которых следует, что для поддержания температуры препиролиза на уровне 400 0С в зону нагрева на каждые 100 кг древесного сырья необходимо подводить около 490 МДж/кг тепла. Тепло на предпиролиз приходит с теплоносителем с температурой около 590 0С.

Для поддержания теплового режима стадии термохимической активации в реакционную зону необходимом подавать 1075 МДж/ч тепла, при этом температура теплоносителя должна быть не менее 1167 0С.

Экономическая эффективность производства активированного угля

Организация производства угля методом ТХА с использованием NaOH потребует капитальных вложений в размере 42,3 млн. рублей. Предложенная технологическая схема позволит получать годовой объём производства угля 1000 тонн, при этом себестоимость 1 тонны продукта составит 85700 рублей. При оптовой цене продажи 1 тонны АУ 113000 рублей будет получена прибыль от продаж в размере 27800 рублей за тонну. Чистая прибыль производства угля составит 20,4 млн. рублей в год. Расчёт рентабельности производства показывает, что на каждый вложенный рубль приходится 20 копеек чистой прибыли (коэффициент рентабельности, рассчитанный в работе, равен 0,2). Расчёты показывают, что производство окупается за 1,5 года. Резюмируя вышесказанное, можно сделать вывод, что внедрение данного производства экономически оправдано.

Основные выводы:

1. На основании экспериментальных данных доказано, что температурная предобработка (предпиролиз) древесного сырья позволяет в 1,5 – 2 раза снизить расход реагента при синтезе активных углей термохимической активацией древесных материалов с NaOH.

2. Выявлено, что предпиролиз наиболее целесообразно проводить при температуре 400 0С в течение 2,5 часов. В этих условиях предобработки АУ обладают наилучшими сорбционными свойствами по всем тест-веществам, а выход увеличивается на 10 – 15 %.

3. Экспериментальные данные свидетельствуют, что выход активных углей из коры на 30 % выше, чем из древесины, причём угли из коры отличаются более высоким содержанием микропор.

4. На основании полученных изотерм адсорбции с расчетом по уравнению БЭТ показано, что на развитие микропор положительное влияние оказывают уменьшение температуры ТХА от 600 до 500 0С и дозировки NaOH от 110 до 76 усл. ед. Однако общий объём сорбирующих пор и удельная поверхность в этих условиях возрастают.

5. Методом планированного эксперимента выявлено, что термохимическую активацию древесных материалов следует проводить при температуре 6500С в течение 1 – 1,5 часов при расходе NaOH 100 усл. ед. В этих условиях оптимальным образом формируются сорбционно-структурные свойства в 2,5 – 3 раза превышающие таковые для промышленно выпускаемых углей.

6. Экспериментально доказано, что активные угли, полученные в оптимальных условиях методом химической активации NaOH из древесных материалов, адсорбируют йода из буровых растворов на 20 % больше, чем анионит АВ-17-8 и на 50 % при использовании угля КАД-йодный.

7. Результаты поискового исследования позволяют заключить, что предварительная обработка сырья ортофосфорной кислотой на стадии предпиролиза позволяет дополнительно увеличить выход АУ на 30 % по сравнению с опытами без кислоты и без увеличения расхода NaOH на активацию.

8. На основании полученных экспериментальных данных разработан  процесс и технология синтеза активированного угля из древесных отходов и рассчитаны основные технико-экономические показатели, свидетельствующие о целесообразности практической реализации технологии.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

Термохимическая активация древесных отходов для синтеза углеродных сорбентов, пригодных для адсорбции йода // Материалы докладов XV Коми республиканской молодёжной научной конференции, Сыктывкар, 2004. – С.77-78. , , Термохимическая активация растительных материалов гидроксидом натрия // Химия и технология растительных веществ. III Всероссийская конференция, Саратов, 2004. – С.293-294. , Синтез углеродных адсорбентов из древесных отходов для адсорбции йода (J2) из водных растворов // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. Сборник научных трудов, выпуск IX, Архангельск, 2004. – С.106-109. , , Предобработка древесных отходов фосфорной кислотой в процессах синтеза углеродных адсорбентов // Наука – северному региону. Сборник научных трудов, выпуск 62, Архангельск, 2005. – С.94-97. , , Изотермы адсорбции азота активными углями химической активации древесных опилок // Наука – северному региону. Сборник научных трудов, выпуск 62, Архангельск, 2005. – С.134-136. , , Предпиролиз древесины при синтезе активных углей NaOH // Актуальные проблемы теории адсорбции, пористости и адсорбционной селективности. Материалы X Всероссийского симпозиума с участием иностранных ученых, Москва - Клязьма, 2005. – С.110. Kalinicheva O., Dobele G., Jurkjane V., Urbanovich I., Orlova N., Telysheva G. Wood active carbon for environmental problem // Abstract International Conference on Environmental Biotechnology, Lejpzig, Germany, 2006. – P.453. Kalinicheva O., Bogdanovich N., Dobele G., Jurkjane V., Urbanovich I., Orlova N., Telysheva G. Wood-based High-efficient Carbon Sorbents // 9th European Workshop on Lignocelluloisics and Pulp: Advances in Chemistry and Processing of Lignosellulosics, Vienna, Austria, 2006. – P. 231-234. , , Пиролиз науглероженных древесных материалов в избытке NaOH // Сборник реферативной информации ученых АГТУ о результатах НИР и НИОКР, рекомендованных к практическому использованию, Архангельск, 2007. – С.34-35. , , Предобработка древесины ортофосфорной кислотой в синтезе углеродных адсорбентов с NaOH // Сборник реферативной информации ученых АГТУ о результатах НИР и НИОКР, рекомендованных к практическому использованию, Архангельск, 2007. – С.36. , Термохимическая активация древесных материалов гидроксидом натрия с температурной предобработкой // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. Сборник научных трудов, выпуск 73, Архангельск, 2007. – С.97-103. , , Предпиролиз древесного сырья в синтезе активных углей с NaOH // Известия высших учебных заведений «Лесной журнал» № 2, 2008. – С.117 - 122.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах с заверенными гербовой печатью подписями просим направлять по адресу: 163002 г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, АГТУ, диссертационный совет Д.212.008.02.