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Diese
Erfindung betrifft ein Adsorptionsmittel auf Aktivkohlebasis für Quecksilber
oder Quecksilberverbindungen, das bzw. die in flüssigen Kohlenwasserstoffen
enthalten ist bzw. sind, und ein Verfahren dafür, insbesondere Adsorptionsmittel
auf Aktivkohlebasis und ein Verfahren zum Adsorbieren und Entfernen
von Quecksilber oder Quecksilberverbindungen (nachstehend häufig einfach
als „Quecksilber" bezeichnet), das
bzw. die in einer geringen Menge in flüssigen Kohlenwasserstoffen
enthalten ist bzw. sind, wie z.B. in Naphtha und Intermediaten von Ölprodukten
oder petrochemischen Produkten, durch Inkontaktbringen derselben,
wobei Quecksilber und Quecksilberverbindungen aus den interessierenden flüssigen Kohlenwasserstoffen
im Wesentlichen vollständig
entfernt werden können.
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Bisher
wurden z.B. Palladium-tragende Katalysatoren auf Aluminiumoxidbasis
für das
Hydrierungsverfahren zum Reformieren flüssiger Kohlenwasserstoffe wie
z.B. von Naphtha verwendet, wobei die Hydrierungsreaktion den Nachteil
einer Schädigung
des Katalysators aufweist, wenn Verunreinigungen aus Quecksilber
oder Quecksilberverbindungen in den flüssigen Kohlenwasserstoffen
vorliegen.
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Ferner
neigt Quecksilber mit vielen Arten von Metallen zur leichten Bildung
von Amalgamen. Aus diesem Grund besteht dann, wenn eine Vorrichtung, die
aus Legierungen auf Aluminiumbasis konstruiert sind, in solchen
Verfahren beteiligt ist, ein gefährliches
Korrosionsrisiko aufgrund einer Amalgambildung mit Quecksilber.
Demgemäß bestand
ein starker Bedarf für
Fortschritte bei der Entfernung von Quecksilber aus solchen flüssigen Kohlenwasserstoffen.
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Es
wurde über
ein Adsorptionsmittel für Quecksilber,
das auf einem porösen,
Schwefeltragenden Adsorptionsmittel basiert, zum Entfernen von Quecksilber
durch eine chemische Reaktion zwischen Quecksilber und Schwefel,
berichtet. Ferner ist eine physikalische Adsorption, die keine chemische
Reaktion umfasst, unter Verwendung eines porösen Adsorptionsmittels wie
z.B. Aktivkohle, Zeolith, Aluminiumoxid zum Entfernen von organischem Quecksilber
in Kohlenwasserstoffen möglich,
jedoch weist dieses Verfahren Probleme wie z.B. eine schlechte Leistung
bei der Quecksilberentfernungsgeschwindigkeit auf, wobei sich die
Adsorptionsleistung sehr stark vermindert, wenn die Quecksilberkonzentration
weniger als 10 ppb beträgt.
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In
dem vorstehend diskutierten Stand der Technik bezüglich des
Schwefel-tragenden Adsorptionsmittels wird die Schwefel-tragende
Aktivkohle z.B. durch Mischen von Aktivkohle mit feinen Schwefelteilchen
und Erhitzen eines solchen Gemischs bei 110 bis 400°C hergestellt
(japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 59-78915/1984); organische
Schwefelverbindung-tragende Aktivkohle (japanische Patentanmeldung
mit der Offenlegungsnummer 62-114632/1987). Dabei ist bezüglich der Auswahl
einer Schwefelverbindung die Verwendung von Schwefel als solcher
oder einer organischen Schwefelverbindung wie z.B. Thiophen typisch
und solche Schwefelverbindung-tragende porösen Adsorptionsmittel sollten
hauptsächlich
Quecksilber aus einem interessierenden gasförmigen Material entfernen,
anstelle einer Entfernung aus flüssigen
Kohlenwasserstoffen.
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Ferner
hemmt dieser Stand der Technik zusätzlich zu der Entfernung von
Quecksilber als beabsichtigter Zweck nicht das Lösen oder die Desorption des
von den Adsorptionsmitteln getragenen Schwefels in den flüssigen Kohlenwasserstoff
als Verunreinigung. Flüssige
Kohlenwasserstoffe werden am häufigsten
auf der Stufe des Intermediat-Produkts der Hydrierung unterworfen,
wo die Schwefelkontamination oder Schwefelverunreinigung, die in
einem solchen Kohlenwasserstoff enthalten ist, die Hydrierungskatalysatoren
schwer schädigen
würde.
Folglich ist der Stand der Technik verglichen mit der vorliegenden
Erfindung nicht bevorzugt.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Adsorptionsmittels
und eines Verfahrens zum effektiven Adsorbieren und Entfernen von Quecksilber,
das in einer geringen Menge in flüssigen Kohlenwasserstoffen,
einschließlich
eines Ölprodukts
oder eines Intermediats davon, wie z.B. Naphtha, enthalten ist,
ohne dass sich eine Verunreinigung wie z.B. Schwefel in den Kohlenwasserstoffen
löst.
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Studien,
die im Stand der Technik bezüglich der
Entfernung von Quecksilber, das in einer geringen Menge in flüssigen Kohlenwasserstoffen,
einschließlich Ölprodukten
oder -intermediaten, wie z.B. Naphtha, enthalten ist, bisher durchgeführt worden sind,
zeigen, dass eine Schwefel- oder organische Schwefelverbindungen-tragende
Aktivkohle nicht das Lösen
von geträgerten
Schwefelverbindungen in flüssige
Kohlenwasserstoffe hemmt, soweit das Verfahren in der flüssigen Phase
durchgeführt
wird. Das Lösen
findet in einem Bereich von 10 bis 400 ppm statt. Das Naphtha, das
eine solche Schwefelkonzentration enthält, würde die Katalysatoren, die
in dem anschließenden
Verfahren verwendet werden, schwer schädigen. Folglich ist der bekannte
Stand der Technik eindeutig nur auf das Verfahren in der Gasphase
beschränkt
und für
das flüssige
Verfahren nicht akzeptabel.
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Es
wurden Studien auf der Basis von Aktivkohle durchgeführt, die
weder Schwefel noch Schwefelverbindungen trägt. In an sich bekannter Weise
ist Aktivkohle in gewisser Weise ein einzigartiges Material mit
einer beträchtlich
entwickelten Mikrostruktur und als unpolares Adsorptionsmittel für nahezu
alle Substanzen aktiv. Die Aktivkohle zeigt einen gewissen Grad
an Adsorption bezüglich
anorganischem Quecksilber, das in einer Lösung dispergiert ist, und die
Adsorption von solchem Quecksilber ist in dem Fall einer Aktivkohle,
die eine begrenzte Mikroporenstruktur aufweist, ziemlich erfolgreich,
jedoch erweist sich die Aktivkohle mit einer solchen Struktur ohne Trägereffekt
bei der Adsorption und Entfernung von anorganischem oder organischem
Quecksilber, das in einer geringen Menge in flüssigen Kohlenwasserstoffen
enthalten ist, in einem Ausmaß,
dass in anschließenden Ölverarbeitungsverfahren
keine wesentliche Schädigung
entsteht, als nicht erfolgreich.
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In
der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass eine Aktivkohle,
die Salzsäure
trägt,
einer Aktivkohle ohne geträgerte
Substanz stark überlegen ist,
wobei eine überlegene
Adsorption von anorganischem und organischem Quecksilber in flüssiger Phase,
jedoch auch von Quecksilber, das in einer geringen Menge vorliegt,
bestätigt
wird. Ferner wird bestätigt,
dass in einem Fall, bei dem Salzsäure bei der Herstellung im Überschuss
geträgert
vorliegt, diese überschüssige Salzsäure auf
der Stufe der Herstellung ausgewaschen werden kann und nicht-ausgewaschene
oder geträgerte
Salzsäure
in dem eingesetzten Adsorptionsverfahren sich nicht in die flüssige Phase
löst oder
desorbiert.
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Die
Studien bestätigen
auch die Effektivität von
Säuren,
die von Salzsäure
verschieden sind, und ferner wurden auch Studien bezüglich des
Mikroporenvolumens sowie der Mikroporenverteilung durchgeführt, die
zum Adsorbieren und Zurückhalten
der Säuren,
einschließlich
Salzsäure,
geeignet sind, und diese Studien stützen die vorliegende Erfindung.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Adsorptionsmittel, das Aktivkohle
umfasst, die Salzsäure trägt, zum
Adsorbieren von Quecksilber bereit, das in flüssigen Kohlenwasserstoffen
enthalten ist, wobei die Aktivkohle mehr als 80 ml/g Mikroporenvolumen aufweist,
das durch die Mikroporen definiert ist, deren Radien weniger als
0,8 nm betragen. Dabei ist das Mikroporenvolumen als Adsorptionsvolumen
von Stickstoffgas definiert, das mit dem Gerät BEL SORP gemessen worden
ist und das auf ein Gasvolumen unter Standardbedingungen umgerechnet
wird. Ein solcher Wert wird als Mikroporenvolumen bezeichnet. Wenn
das Mikroporenvolumen, das durch das adsorbierte Gasvolumen definiert
ist, durch eine Angabe als flüssiger
Stickstoff ausgedrückt
werden soll, wird diese Umrechnung durch die Annahme erhalten, dass
1 ml Stickstoffgas unter Standardbedingungen 0,001555 ml flüssigem Stickstoff äquivalent
ist.
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Als
Säure,
die von der Aktivkohle getragen wird, wird Salzsäure verwendet. Bezüglich der
Aktivkohle findet die bevorzugte Herstellung derart statt, dass
ein kohlenstoffhaltiges Material in einer Atmosphäre, die
einen Wasserdampfgehalt von weniger als 30 Vol.-% (nachstehend wird
eine Gaszusammensetzung als Volumenprozent ausgedrückt und
häufig einfach
als % angegeben) umfasst, aktiviert, und in der gleichen Atmosphäre auf weniger
als 300°C
gekühlt
wird, oder mit dem üblichen
Verfahren erhaltene Aktivkohle wird einer Behandlung unter Stickstoffgas oder
Kohlendioxidgas mit im Wesentlichen keinem Sauerstoff und/oder Wasserdampf
bei einer Temperatur von mehr als 500°C unterworfen und in der gleichen
Atmosphäre
auf weniger als 300°C
gekühlt.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst ein bevorzugtes Verfahren zum Adsorbieren
und Entfernen von Quecksilber, das in einer geringen Menge in Kohlenwasserstoffen,
einschließlich Ölprodukten
oder Intermediaten davon, wie z.B. Naphtha, enthalten ist, unter
Verwendung der vorstehend beschriebenen Aktivkohle, die Salzsäure trägt, in flüssiger Phase.
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Das
erfindungsgemäße Quecksilber-Adsorptionsmittel
umfasst die Aktivkohle, die Salzsäure trägt, und das Basismaterial der
Aktivkohle wird mit einer spezifischen Oberfläche von nicht weniger als mehreren
100 m2/g bereitgestellt. Ausgangsmaterialien
umfassen carbonisierte Produkte von Kokosnussschale, Phenolharz
und dergleichen oder Kohle.
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Bezüglich der
Form ist jedwede Form wie z.B. eine zerkleinerte Form, eine Teilchenform
oder eine Granulatform effektiv, jedoch ist im Hinblick auf den
Druckabfall, die Adsorptionskapazität und die Bequemlichkeit der
Handhabung beim Austausch von erschöpften Beladungen bei der praktischen
Arbeit ist eine Teilchen- oder Granulatform bevorzugt. Das Granulat
wird in üblicher
Weise durch Mischen von 100 Teilen des kohlenstoffhaltigen Materials
mit 30 bis 60 Teilen Ölpech,
Kohlenteer oder -harz und durch Kneten und Formen und anschließender Aktivierung
hergestellt. Die so erhaltene Aktivkohle ist ein einzigartiges Material
als unpolares Adsorptionsmittel, das eine überlegene Adsorption bezüglich nahezu
allen flüssigen
oder gasförmigen
Materialien aufweist.
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In
der vorliegenden Erfindung wird eine Aktivkohle, die Salzsäure trägt, genutzt,
die Quecksilber in hohem Maß adsorbiert
und ein Lösen
oder Desorbieren der Säure
in Naphtha während
der Anwendung nicht zulässt,
oder die keinerlei chemische Veränderungen
verursacht. Im Hinblick auf diese Erwägungen wird Salzsäure verwendet.
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Die
Verbesserung der Quecksilberadsorption, die durch die Aktivkohle,
die Salzsäure
trägt,
im Vergleich zu der Aktivkohle ohne geträgerte Substanz erhalten wird,
ist in der nachste henden Tabelle 1 gezeigt. Das Beispiel 1 und das
Vergleichsbeispiel 1, die nachstehend gezeigt sind, zeigen die Quecksilberkonzentrationen,
die in Leichtbenzin enthalten sind, und die Quecksilberadsorptionen
nahe an der Gleichgewichtsadsorption. Die Daten zeigen, dass im
Fall von Quecksilberkonzentrationen von 100, 10 bzw. 1 μg/kg von
der Aktivkohle, die Salzsäure
trägt, 0,95,
0,64 bzw. 0,38 mg/g Quecksilber adsorbiert werden, und von der Aktivkohle,
die keine Salzsäure trägt, 0,14,
0,03 bzw. 0,01 mg/g Quecksilber adsorbiert werden. Dies zeigt, dass
die Quecksilberadsorption durch die Aktivkohle, die Salzsäure trägt, um das
7-, 21- bzw. 38-fache verbessert wird. Folglich wird die Überlegenheit
der Quecksilberadsorption durch die Aktivkohle, die Salzsäure trägt, verdeutlicht,
wenn diese mit der gleichen Aktivkohle verglichen wird, auf der
kein Material geträgert
ist.
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Dabei
ist bemerkenswert, dass die Verbesserung der Adsorption in dem Fall
einer niedrigeren Quecksilberkonzentration in Naphtha überlegen
ist, und dieses Ergebnis zeigt, dass das erfindungsgemäße Adsorptionsmittel
im Hinblick auf die Tatsache für
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung geeignet ist, dass die in
flüssigen
Kohlenwasserstoffen enthaltenen Quecksilberkonzentrationen sehr
niedrig sind.
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Bezüglich der
Verhinderung einer Desorption der geträgerten Säure ist die Verhinderung durch
ein Auswaschen oder Entfernen von überschüssiger Säure nach dem Adsorbieren von
Salzsäure
möglich, wobei
solche Säuremoleküle, die
innerhalb der Mikroporen der Aktivkohlestruktur adsorbiert sind,
so stark gebunden sind, dass solche Säuremoleküle nicht leicht desorbieren
oder freiwerden. Dieses Merkmal tritt bei Salzsäuremolekülen stark hervor, die eine
so geringe Molekülgröße aufweisen,
dass diese Säure
gegen eine Desorption oder eine Freisetzung in flüssige Kohlenwasserstoffe
sehr beständig
ist. Andererseits ist es erforderlich, überschüssige Säure nach deren Adsorption herauszuwaschen, um
die Säuredesorption
zu vermeiden, die in dem anschließenden Verfahren gegebenenfalls
Schwierigkeiten verursacht. Salzsäure ist im Hinblick auf eine minimale
Tendenz zur Desorption und eine überlegene
Leistung bei der Quecksilberadsorption am meisten bevorzugt.
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Bezüglich der
Anforderungen für
die Aktivkohle findet sich ein gewisser Unterschied in der Leistung,
wobei der Mechanismus, der bei der Adsorption von Quecksilber durch
die Aktivkohle, die Salzsäure
trägt,
abläuft,
unbekannt ist, und wobei Studien im Hinblick auf die Beziehung zwischen
der spezifischen Oberfläche,
das Mikroporenvolumen, die Verteilung der Mikroporen der Aktivkohle
und die Quecksilberadsorption zeigen, dass die Quecksilberadsorption
genau mit dem Anteil des Mikroporenvolumens mit kleineren Mikroporenradien
korreliert.
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In
den Beispielen 1, 2 und 3 werden Aktivkohlen mit nahezu dem gleichen
Mikroporenvolumen, jedoch unterschiedlichen Anteilen des Mikroporenvolumens
mit Radien von weniger als 0,8 nm verwendet (die vom Beispiel 1
(größter Anteil)
bis zu 2 und 3 reichen). Die Ergebnisse zeigen, dass der Anteil
der Mikroporen mit Radien von weniger als 0,8 nm signifikant ist.
D.h., es wird davon ausgegangen, dass Quecksilber vorwiegend in
Mikroporen mit weniger als 0,8 nm adsorbiert wird. Im Hinblick auf
andere Ergebnisse ist eine Aktivkohle erforderlich, bei der mehr
als 80 ml/g des Mikroporenvolumens Mikroporenradien von weniger
als 0,8 nm aufweisen.
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Nachstehend
wird die vorliegende Erfindung detaillierter beschrieben.
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Bezüglich des
Aktivkohlegrundmaterials, das Salzsäure trägt, wurde bereits ein übliches
Herstellungsverfahren angegeben. Dabei besteht eine allgemeine Tendenz
dahingehend, dass dann, wenn der Aktivierungsgrad höher gemacht
wird, das Volumen von Mikroporen mit kleineren Radien sinkt. Die
Aktivierungsbedingungen üben
einen Einfluss auf die Erhöhung
des Mikroporengesamtvolumens und eine damit zusammenhängende Abnahme
des Anteils der kleineren Mikroporen aus.
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Wie
es vorstehend beschrieben worden ist, ist eine Aktivkohle erforderlich,
bei der mehr als 80 ml/g des Mikroporenvolumens Mikroporenradien
von weniger als 0,8 nm aufweisen. In der vorliegenden Erfindung
werden Messungen der Mikroporenverteilung und des Mikroporenvolumens
von Aktivkohlegrundmaterialien mit einem Gerät mit der Handelsbezeichnung
BEL SORP, Typ 28 SA, das von JAPAN BEL INC. hergestellt wird, durchgeführt, und
auf der Basis der Adsorptionsisotherme für Stickstoffgas berechnet.
Dabei liegt die untere Messgrenze für die Mikroporenradien bei
0,3 bis 0,4 nm und die obere Messgrenze bei 60 bis 70 Å. Normalerweise
weist die Aktivkohle ein Mikroporengesamtvolumen von 100 bis 500
ml/g und einen durchschnittlichen Radius von 12 bis 14 Å auf, und
demgemäß ist in
der Erfindung eine Aktivkohle bevorzugt, bei der ein hoher Anteil des
Mikroporenvolumens den kleinsten Radiusbereich aufweist. Daher sind
empfohlene Aktivierungsbedingungen diejenigen zur Verminderung der
Tendenz zur Vergrößerung der
durchschnittlichen Mikroporenradien bei einer Vergrößerung des
Mikroporengesamtvolumens.
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Das
Aktivierungsgas zur Herstellung der Aktivkohle enthält üblicherweise
Wasserdampf und Kohlendioxidgas und die vorliegende Erfindung beschränkt den
Kohlendioxidgehalt nicht, jedoch beträgt der Wasserdampfgehalt zwingend
weniger als 30 %. Üblicherweise
wird nicht weniger als 40 bis 60 % Wasserdampf verwendet, da die
Aktivierungsgeschwindigkeit, die durch Wasserdampf bewirkt wird, sehr
viel größer ist
als diejenige, die durch Kohlendioxid bewirkt wird, und folglich
wird eine Gaszusammensetzung auf einen höheren Wassergehalt eingestellt.
Verglichen mit den normalen Bedingungen sind in der vorliegenden
Erfindung milde Bedingungen mit einer geringeren Aktivierungsgeschwindigkeit
bevorzugt.
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Die
Tabelle 1 und die Beispiele 1 bis 5, die nachstehend angegeben sind,
zeigen, dass die Aktivkohle, die unter Bedingungen mit einem höheren Wasserdampfgehalt
aktiviert worden ist, ein geringeres Mikroporenvolumen mit Mikroporenradien
von weniger als 0,8 nm enthält,
und deshalb eine schlechte Quecksilberadsorption aufweist.
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Der
genaue Mechanismus, warum die Aktivierungsbedingungen mit einem
geringeren Wasserdampfgehalt die Quecksilberadsorption verbessern, ist
unbekannt, jedoch wird angenommen, dass solche Aktivierungsbedingungen
eine innere Struktur bereitstellen sollten, bei der die Mikroporen
mit kleineren Radien in einem großen Anteil vorliegen, und dass
ein solcher Mikroporenanteil zur Quecksilberadsorption beiträgt. Zur
Erhöhung
des Mikroporenvolumens mit Mikroporenradien von weniger als 0,8
nm ist es bevorzugt, die Bedingungen auf einen Wasserdampfgehalt
in dem Aktivierungsgas von weniger als 15 % einzustellen und die
Verminderung des Mikroporenvolumens mit Radien von weniger als 0,8
nm zu unterdrücken,
und ferner sind Bedingungen zur Erhöhung des Aktivierungsgrads
bevorzugt.
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In
der vorliegenden Erfindung ist es erforderlich, die Aktivkohle bei
den Gasbedingungen, die unverändert
sind oder denjenigen für
die Aktivierung ähnlich
sind, auf weniger als 300°C
zu kühlen
und dann die Aktivkohle nach der Aktivierung aus dem System zu entnehmen.
Dabei bedeutet eine unveränderte
Zusammensetzung des Kühlgases
oder eine Zusammensetzung des Kühlgases,
die derjenigen, die für
die Aktivierung erforderlich ist, ähnlich ist, Stickstoffgas,
Kohlendioxidgas und/oder ein Gemisch davon oder eine Zusammensetzung,
die im Wesentlichen keinen Sauerstoff und/oder Wasserdampf enthält, und
demgemäß bedeutet
diese Anforderung nicht, dass das Aktivierungsgas und das Kühlgas die
gleiche Zusammensetzung aufweisen sollten, und „enthält im Wesentlichen keinen Sauerstoff
und/oder Wasserdampf" steht
für Bedingungen bezüglich des
Gases, die das Vorliegen von kombinierten Sauerstoffatomen auf der
Mikroporenoberfläche
der Aktivkohle erlauben, d.h. mit anderen Worten Bedingungen, bei
denen Sauerstoff und Wasserstoff in einer Menge von weniger als
1 bis 2 % enthaften sind.
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Ferner
wird die in der Erfindung bevorzugte Aktivkohle durch Umwandeln
einer Aktivkohle erhalten, die durch die normalen oder üblichen
Aktivierungsbedingungen erhalten wird. D.h. eine solche normale
Aktivkohle wird in einer Gaszusammensetzung, die für die vorstehend
genannten bevorzugten Aktivierungsbedingungen verwendet wird, auf
eine Temperatur von mehr als 500°C
erhitzt und in dem gleichen Gas auf weniger als 300°C gekühlt. Dabei ist
die Obergrenze der Wärmebehandlungstemperatur
nicht beschränkend,
wobei sie jedoch vorzugsweise niedriger als die Aktivierungstemperatur
ist, die üblicherweise
mehr als 850°C
beträgt.
Ferner steht „Aktivkohle,
die durch die normalen oder üblichen
Bedingungen erhalten wird" für eine Aktivkohle,
die in einer Atmosphäre
mit einem Wasserdampfgehalt von mehr als 15 % aktiviert und dann
gekühlt
und vor einem zu starken Kühlen
an die Luft entnommen worden ist.
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In
der vorstehenden Beschreibung bezüglich der Umwandlung hängt die
Behandlungszeit der normalen Aktivkohle von der Temperatur ab, wobei
bei 500°C
20 bis 180 min und bei 800°C
mehrere min bevorzugt sind. Es wird angenommen, dass diese Umwandlung
einen solchen Effekt aufgrund eines Sinterns oder Schrumpfens von
Mikroporen, das von dem Wärmeeffekt
auf die kohlenstoffhaltige Struktur resultiert, herbeiführt, wobei
die Wärmebehandlung unter
den angegebenen Umständen
auf der Überlegung
beruht, dass diese einen Verlust durch Oxidation auf der kohlenstoffhaltigen
Oberfläche
verhindert und die Schrumpfung der Mikroporenradien verstärkt.
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Bezüglich der
Form der Aktivkohle ist jedwede Form als Pulver, zerkleinertes Material,
Pellet, Teilchen, Granulat, Fasern oder Wabenform akzeptabel. Die
Granulatform oder geformte Form wird in üblicher Weise durch Mischen
von 100 Teilen des kohlenstoffhaltigen Materials mit 30 bis 60 Teilen Ölpech oder
Kohlenteer als Bindemittel und Kneten und Formen mit anschließender Aktivierung
hergestellt.
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Der
Schritt des Aufbringens oder Adsorbierens einer Säure auf
die bzw. an der so erhaltenen Aktivkohle ist durch Eintauchen der
Aktivkohlemasse in eine Salzsäurelösung und
Adsorbierenlassen der Säure
in Mikroporen und danach Auswaschen von überschüssiger Säurekomponente durch Wasser oder
ein organisches Lösungsmittel
zur Entfernung möglich.
Die Konzentration der Salzsäurelösung ist nicht
beschränkend,
jedoch ist 0,1 N bis 3 N (Normalität) zweckmäßig. Bezüglich des Adsorptionsverfahrens
kann zusätzlich
zu dem Eintauchen in eine Lösung,
wie es beschrieben worden ist, ein Imprägnieren durch Versprühen einer
solchen Salzsäurelösung in
der Art einer Brause eingesetzt werden.
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Nach
dem Verfahren des Aufbringens ist es erforderlich, nicht adsorbierte
oder überschüssige Salzsäure von
dem Aktivkohlegrundmaterial zu entfernen. Die Gegenwart von nicht
adsorbierter Säure würde zum
Lösen der
nicht adsorbierten Säure
in flüssigen
Kohlenwasserstoffen führen
und die in dem anschließenden Ölverarbeitungsverfahren
verwendeten Katalysatoren schädigen
oder eine schädliche Korrosion
aufgrund einer Amalgambildung verur sachen. Das Auswaschen ist durch
schwaches Rühren einer
Lösung
auf der Basis von Wasser oder eines organischen Lösungsmittels
mit eingetauchter Aktivkohle möglich.
Danach kann die Aktivkohle, welche die Säure trägt, nach einem ausreichenden
Trocknen oder in einem Zustand mit einem Wassergehalt von etwa 50
% in einen Adsorptionsturm gepackt werden. Ferner wird nach dem
Packen einer solchen Aktivkohle in den Adsorptionsturm ein Rückwaschen
mit einem organischen Lösungsmittel
durchgeführt,
um die überschüssige Säure zu entfernen.
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Wie
es vorstehend beschrieben worden ist, liegt die Bedeutung der Erfindung
bei den Mikroporen mit Radien von weniger als 0,8 nm. Säuremoleküle, die
in solchen Mikroporen adsorbiert sind, werden durch Waschen in Wasser
oder einem organischen Lösungsmittel
nicht desorbiert oder herausgelöst. Ferner
werden solche Säuremoleküle in dem
in den Mikroporen adsorbierten Zustand eine überlegene Adsorption von Quecksilber
bewirken und durch den Kontakt mit einem flüssigen Kohlenwasserstoff kaum desorbieren.
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In
dem Verfahren zum Adsorbieren von Salzsäure genügt z.B. das Eintauchen der
Aktivkohlemasse in eine 1 bis 2 N-Salzsäurelösung für etwa 1 Stunde, um die angegebene
Adsorption durchzuführen,
wodurch die Salzsäuremoleküle durch
Adsorption so stark gebunden werden, dass diese Moleküle nach
dem angegebenen Waschen durch den Kontakt mit flüssigen Kohlenwasserstoffen
nicht desorbieren. Testergebnisse bezüglich der Desorption während des
Eintauchens in destilliertes Wasser für eine lange Zeit zeigen eine
Spurenmenge oder weniger als 1 mg/g, wie es in den Beispielen 1
bis 5 gezeigt ist. Es wird angenommen, dass Salzsäure aufgrund
ihrer geringen Molekülgröße dazu
geeignet ist, in sehr kleinen Poren eingefangen zu werden. Im Hinblick
auf diese Ergebnisse ist von den anorganischen Säuren Salzsäure am Besten.
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Wenn
die Aktivkohle, welche die Säure
trägt, in
destilliertes Wasser eingetaucht wird, sinkt der pH-Wert trotz der
starken Bindung der Säuremoleküle etwas
ab und diese pH-Absenkung
zeigt, dass die geträgerte
Substanz eine Säure
ist. Diese Absenkung wird deutlicher, wenn die Temperatur auf mehr als
60°C erhöht wird.
Es wird angenommen, dass dieses Phänomen ein Ergebnis der Natur
einer starken Säure
ist, wenn nur eine Spurenmenge davon vorliegt. Normalerweise wird
die Aktivkohle aus einem kohlenstoffhaltigen Material, einschließlich Kokosnussschale,
Kohle oder Holzkohle hergestellt, und Pflanzengewebe enthalten im
Allgemeinen eine Spurenmenge von Kalium, Natrium und anderen Metallverbindungen
und diese werden durch Carbonisierungs- und Aktivierungsverfahren
in Oxide umgewandelt, wie z.B. in Kaliumoxid, und dieses wird im Kontakt
mit Wasser zu einem Metallhydroxid führen und als Ergebnis würde der
pH-Wert einen Wert von etwa 9 bis 10 erreichen.
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Ferner
zeigt eine solche Aktivkohle im Fall eines Phenolharzes als Ausgangsmaterial
beim Eintauchen in destilliertes Wasser einen schwach sauren pH-Wert,
jedoch ist dieses Aziditätsausmaß nahezu
mit demjenigen identisch, das erhalten wird, wenn destilliertes
Wasser lange Zeit an Luft stehengelassen wird und dessen pH-Wert
aufgrund eines Lösens
von Kohlendioxid, das in der Luft enthalten ist, zum sauren Bereich
neigt, und der pH-Wert im Fall des Phenolharzes wird nicht weiter
abnehmen. Die Aktivkohle, die Salzsäure trägt, neigt bei einem Eintauchen
in destilliertes Wasser für
eine lange Zeit jedoch zu einem Absinken unter pH 6,5. Demgemäß kann die
Identifizierung der geträgerten
Säure einfach
durch Messen des pH-Werts beim Eintauchen in destilliertes Wasser
durchgeführt
werden.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zum Entfernen von Quecksilber,
das in Kohlenwasserstoffen enthalten ist. Dabei steht Kohlenwasserstoff
für einen
breiten Bereich von Kohlenwasserstoffen, die einer Entfernung von
Quecksilber durch ein Fest-Flüssig-Kontaktverfahren
mit einem Quecksilberadsorptionsmittel in fester Form unterworfen
werden, wobei die Kohlenwasserstoffe vorwiegend Naphtha und Intermediate
von Ölprodukten oder
petrochemischen Produkten sind. Typisch ist Naphtha oder ein anderes
Intermediat, das aus Kohlenwasserstoffen mit etwa 6 bis 15 Kohlenstoffatomen
zusammengesetzt ist und bei Umgebungstemperatur in flüssiger Phase
vorliegt, und darüber
hinaus können
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch
verflüssigte
Kohlenwasserstoffe verwendet werden, die von Öl (Erdöl) oder Kohle abgeleitet sind.
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Ferner
liegen Kohlenwasserstoffe mit nicht mehr als 5 Kohlenstoffatomen,
einschließlich
Erdgas, Ethylen, Propylen, bei Umgebungstemperatur gasförmig vor,
jedoch können
diese Ausgangsmaterialien unter Druck in verflüssigter Form gehandhabt werden.
Solche verflüssigten
Kohlenwasserstoffe können
auch mit dem vorliegenden Verfahren verwendet werden und Kohlenwasserstoffe,
die bei Umgebungstemperatur gasförmig
sind, können
in den flüssigen
Zustand umgewandelt werden und dann können diese mit dem vorliegenden
Verfahren eingesetzt werden.
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Insbesondere
werden verflüssigte
Kohlenwasserstoffe mit nicht mehr als 5 Kohlenstoffatomen, einschließlich verflüssigtes
Erdgas (LNG), verflüssigtes
Erdölbegleitgas
(LPG), verflüssigtes
Ethylen, verflüssigtes
Propylen und Naphtha kommerziell in flüssiger Phase gehandhabt und
solche flüssigen
Kohlenwasserstoffe können
auf das erfindungsgemäße Adsorptionsmittel
angewandt werden. Folglich ergibt sich ein beträchtlicher Vorteil für die Industrie.
Der vorgesehene flüssige
Kohlenwasserstoff kann eine einzelne Komponente oder ein Gemisch
aus einer Mehrzahl solcher Komponenten sein.
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Das
Verfahren zum Entfernen von Quecksilber kann auf jedwede Form von
Quecksilber angewandt werden, die in flüssigen Kohlenwasserstoffen enthalten
ist, und diese Formen umfassen Quecksilber als solches, anorganische
Quecksilberverbindungen, organische Quecksilberverbindungen und
es besteht keine Beschränkung
bezüglich
der Konzentration, d.h. die vorliegende Erfindung kann auf Kohlenwasserstoffe
angewandt werden, die eine Menge, eine Spur oder eine sehr geringe
Menge Quecksilber enthalten. Insbesondere ist Naphtha vorgesehen, das üblicherweise
0,002 bis 10 mg/kg Quecksilber enthält und eine so geringe Konzentration
ist für
die vorliegende Erfindung geeignet, bei der ein Adsorptionsverfahren
eingesetzt wird. Bei der praktischen Durchführung der Quecksilberentfernung
im Gelände ist
eine Vorbehandlung wie z.B. ein Filtrieren des vorgesehenen Kohlenwasserstoffs
zur Entfernung des darin enthaltenen Schlamms zusammen mit Quecksilber,
das durch die Filtration als Schlammkomponente entfernbar ist, bevorzugt.
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Das
vorliegende Verfahren zum Entfernen von Quecksilber ist in vorteilhafter
Weise durch das Verfahren der Verwendung eines Adsorptionsturms möglich, der
mit der Aktivkohle in Form eines Festbetts gepackt ist, wobei die
bevorzugte Teilchengröße im Bereich
von 4,75 bis 0,15 mm, mehr bevorzugt von 1,70 bis 0,50 mm liegt.
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Wenn
die Quecksilberkonzentration im Kohlenwasserstoff bei 100 μg/kg liegt,
hängt die
erforderliche Aktivkohlemasse von der zulässigen Konzentration am Auslassteil
und der Art des Adsorptionsmittels ab. Unter Verwendung von 1 kg
des Adsorptionsmittels können
jedoch etwa 0,1 bis 10 g Quecksilber entfernt werden.
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Wie
es vorstehend beschrieben worden ist, kann das erfindungsgemäße Adsorptionsmittel
auf Aktivkohlebasis Quecksilber, das in einer geringen Menge in
Kohlenwasserstoffen enthalten ist, durch einen Fest-Flüssig-Kontakt
mit den flüssigen
Kohlenwasserstoffen nahezu vollständig entfernen und die auf
der Aktivkohle geträgerte
Salzsäure
wird kaum in die vorgesehenen Kohlenwasserstoffe desorbieren. Folglich
ist die Erfindung zur Behandlung von Naphtha und Intermediaten von Ölprodukten
oder petrochemischen Produkten geeignet.
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Die
Erfindung wird nachstehend durch Beispiele weiter beschrieben.
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Beispiel 1
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Kokosnussschalen
wurden zu einer kohlenstoffhaltigen Substanz carbonisiert und dann
auf 4 bis 10 Mesh (Teilchengröße im Bereich
von 1,7 mm bis 4,75 mm) zerkleinert und als Aus gangsmaterial zur
Herstellung des Aktivkohlegrundmaterials in Teilchenform verwendet.
Dieses carbonisierte Material wurde durch ein Verbrennungsgas von
verflüssigtem Erdölbegleitgas
(Gaszusammensetzung: 70 % Stickstoff, 0,2 % Sauerstoff, 19,8 % Kohlendioxid,
10 % Wasserdampf) bei 900°C
aktiviert und in dem gleichen Gas auf weniger als 300°C gekühlt. Die
Aktivkohle wurde zu einer Teilchengröße von 10 bis 32 Mesh (Teilchengröße im Bereich
von 0,5 mm bis 1,7 mm) zerkleinert. Die so erhaltene Aktivkohle
wies eine Aschekomponente (Rückstand
nach einer intensiven Verbrennung) von 2,5 Gew.-% auf.
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Die
in der vorstehenden Weise erhaltenen Aktivkohleteilchen wurden mittels
Vakuum von der Luft befreit und bezüglich der Adsorptionsisotherme in
Stickstoffgas mit dem Gerät
BEL SORP (Typ 28 SA, JAPAN BEL INC.) gemessen und daraus wurden das
Mikroporengesamtvolumen und die Radiusverteilung der Mikroporen
berechnet. Das Mikroporengesamtvolumen betrug 279 ml/g und der Anteil
des Mikroporenvolumens mit Radien von weniger als 0,8 nm betrug
43 %. D.h., das Mikroporenvolumen betrug 120 ml/g. Wie es vorstehend
angegeben worden ist, wird das Mikroporenvolumen immer durch Umrechnen
von der adsorbierten Stickstoffgasmenge in das Volumen unter Standardbedingungen
angegeben. Wenn es auf das Volumen von flüssigem Stickstoff umgerechnet
wird, beträgt
das Mikroporengesamtvolumen 0,434 ml/g und das Mikroporenvolumen
mit Radien von weniger als 0,8 nm beträgt 0,187 ml/g.
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Dann
wurden die Aktivkohleteilchen 1,5 Stunden bei Raumtemperatur in
eine 1 N-Salzsäurelösung eingetaucht
und dann mit destilliertem Wasser gewaschen und 12 Stunden bei 110°C getrocknet,
worauf mit Leichtbenzin (C6-C9-Kohlenwasserstoffe)
gewaschen wurde.
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Die
Quecksilberadsorption wurde bei verschiedenen Quecksilberkonzentrationen
durch Inkontaktbringen der Aktivkohle, die Salzsäure trägt, mit dem Leichtbenzin, das
Quecksilber und Quecksilberverbindungen enthält, gemessen, wobei das organische
Quecksilber 20 % des in dem Leichtbenzin enthaltenen Gesamtquecksilbers
ausmacht. Das Adsorptionsmittel, nämlich die so hergestellte Aktivkohle
(10 g), wurde unter schwachem Rühren
in das Leichtbenzin eingetaucht und nach 2 Stunden wurde die Quecksilberrestkonzentration
in dem Naphtha und die Quecksilberadsorption durch die Aktivkohle gemessen.
Die Quecksilberadsorptionsleistung wurde durch Messen des durch
die Aktivkohle adsorbierten Quecksilbers bei Naphtha-Quecksilberkonzentrationen
von 100, 10 bzw. 1 μg/kg
bewertet. Eine quantitative Bestimmung von Quecksilber wurde mittels Atomadsorptionsanalyse
durchgeführt.
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Die
Tabelle 1 zeigt die Beschreibung der Aktivkohle, die Salzsäure trägt, und
das Ergebnis der Quecksilberadsorption. Unter den Bedingungen, von denen
angenommen wurde, dass sie nahe am Gleichgewicht lagen, betrug das
adsorbierte Quecksilber 0,95 bzw. 0,38 mg/g für eine Quecksilberkonzentration
von 100 bzw. 1 μg/kg.
Dieses Ergebnis zeigt, dass die vorliegende Aktivkohle eine überlegene
Quecksilberadsorption aufweist. Ferner wurde in dem verwendeten
Naphtha nach der Adsorption kein organisches Quecksilber gefunden,
d.h. das gesamte organische Quecksilber wurde durch die verwendete
Aktivkohle adsorbiert.
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Anmerkung:
In der Tabelle wird die Adsorption von organischem Quecksilber wie
folgt bewertet: O ist gut, × ist
Versagen; und die Quecksilbergesamtadsorption wird wie folgt bewertet: ⨀ ist überlegen,
O ist gut, Δ ist
verwendbar, × ist
Versagen.
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Beispiele 2 bis 5
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Bei
dem hier eingesetzten Aktivierungsverfahren wurden Aktivierungsgase
mit unterschiedlichem Wasserdampfgehalt eingesetzt: 30 % (Beispiel 2),
45 % (Beispiel 3), 55 % (Beispiel 4), 65 % (Beispiel 5). Ansonsten
entsprachen alle Bedingungen denjenigen von Beispiel 1 und auf diese
Weise wurde die Aktivkohle hergestellt und dem Schritt des Aufbringens
der Salzsäure
unterworfen und mit destilliertem Wasser und Leichtbenzin gewaschen.
Auf diese Weise wurden Adsorptionsmittel, bei denen Aktivkohle Salzsäure trägt, erhalten,
und mit diesen wurde der gleiche Quecksilberadsorptionstest durchgeführt, wie
er im Beispiel 1 beschrieben ist.
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Die
Tabelle 1 zeigt die Beschreibung der Aktivkohle, die Salzsäure trägt, und
das Ergebnis der Quecksilberadsorption. Das Ergebnis zeigt, dass
der Wasserdampfgehalt in dem Aktivierungsgas mit einer Abnahme des
Mikroporenvolumens der Mikroporen mit Radien von weniger als 0,8
nm und dessen Anteil am Mikroporengesamtvolumen zunimmt. Bezüglich der
Quecksilberadsorption adsorbiert jedes Adsorptionsmittel Quecksilber,
wobei die adsorbierte Menge mit einer Abnahme des Volumens der Mikroporen
mit Radien von weniger als 0,8 nm abnimmt.
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Vergleichsbeispiel 1
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Das
Adsorptionsmittel, das aus der Aktivkohle zusammengesetzt ist, die
im Beispiel 1 hergestellt worden ist und keine geträgerte Substanz
aufwies, wurde zum Testen der Quecksilberadsorption eingesetzt.
Das Ergebnis ist in der Tabelle 1 gezeigt, wobei der pH-Wert der
in destilliertes Wasser eingetauchten verwendeten Aktivkohle 8,8
betrug.
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Ferner
ist die adsorbierte Quecksilbermenge verglichen mit dem Beispiel
1 übermäßig niedrig.
Die in den Beispielen 2 bis 5 eingesetzten Adsorptionsmittel weisen
verglichen mit dem im Vergleichsbeispiel 1 eingesetzten Adsorptionsmittel
ein kleineres Volumen der Mikroporen mit Radien von weniger als 0,8
nm auf, jedoch ist die Quecksilberadsorption im Vergleichsbeispiel
1 geringer als diejenige der Beispiele 2 bis 5. Dies zeigt, dass
das Aufbringen der Salzsäure
einen starken Effekt auf die Quecksilberadsorption aufweist.
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Beispiele 6 und 7
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Dabei
wurde das gleiche kohlenstoffhaltige Material wie im Beispiel 1
verwendet, um das Aktivkohlegrundmaterial herzustellen, wobei bei
dem Aktivierungsverfahren verschiedene Bedingungen eingesetzt wurden.
D.h., das Beispiel 7 wurde einer milderen oder geringeren Aktivierung
unterworfen, um das Aktivkohlegrundmaterial mit einem Mikroporenvolumen
von 82 ml/g mit Radien von weniger als 0,8 nm bereitzustellen. Das
Beispiel 6 wurde einer stärkeren oder
höheren
Aktivierung unterworfen, um das Aktivkohlegrundmaterial mit einem
Mikroporenvolumen von 108 ml/g mit Radien von weniger als 0,8 nm
bereitzustellen. Die anschließend
durchgeführten Schritte
waren das Aufbringen von Salzsäure
und Waschen, und Trocknen zum Fertigstellen der Aktivkohle, die
Salzsäure
trägt,
und der Quecksilberadsorptionstest wurde in der gleichen Weise wie
im Beispiel 1 durchgeführt.
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Die
Beschreibung der Aktivkohlen, die Salzsäure tragen, und das Ergebnis
der Quecksilberadsorption sind in der Tabelle 2 gezeigt. Im Beispiel
7 wurde eine geringere Aktivierung als im Beispiel 1 eingesetzt,
wobei die Aktivkohle von Beispiel 7 ein Mikroporengesamtvolumen
von 117 ml/g aufwies und der Anteil des Mikroporenvolumens mit Radien
von weniger als 0,8 mm auf 70 % erhöht war und 82 ml/g betrug.
Im Beispiel 6 wurde eine höhere
Aktivierung als im Beispiel 1 eingesetzt, wobei die Aktivkohle von Beispiel
6 ein Mikroporengesamtvolumen von 327 ml/g aufwies und der Anteil
des Mikroporenvolumens mit Radien von weniger als 0,8 mm auf 33
% vermindert war und 108 ml/g betrug. Es sollte beachtet werden,
dass dieser Wert niedriger ist als derjenige im Beispiel 1.
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Ferner
wird die Quecksilberadsorptionsmenge im Beispiel 7 als gut bewertet
und die Quecksilberadsorptionsmenge im Beispiel 6 ist überlegen,
wobei in jedem Beispiel nach der Adsorption kein organisches Quecksilber
im Naphtha gefunden wurde.
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Beispiele 8 bis 10
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Als
kohlenstoffhaltiges Material, das zu der Aktivkohle führte, wurden
carbonisierte Teilchen eines Phenolharzes (Beispiele 8 und 9) und
carbonisierte Fasern eines Phenolharzes (Beispiel 10) eingesetzt,
um das Aktivkohlegrundmaterial herzustellen, und die Schritte des
Aufbringens der Salzsäure, des
Waschens und des Trocknens wurden durchgeführt, um die Aktivkohle, die
Salzsäure
trägt,
fertigzustellen, und dann wurde der Quecksilberadsorptionstest in
der gleichen Weise wie im Beispiel 1 durchgeführt.
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Die
Tabelle 2 zeigt die Beschreibung der Aktivkohle, die Salzsäure trägt, und
das Ergebnis des Quecksilberadsorptionstests. Das im Beispiel 10
aus einem faserförmigen
Phenolharz hergestellte Adsorptionsmittel wies ein sehr großes Mikroporenvolumen
von 148 ml/g mit Radien von weniger als 8 Å auf, und die Quecksilberadsorptionsmengen
betrugen 1,53 bzw. 0,82 mg/g für
Quecksilberkonzentrationen in Leichtbenzin von 100 bzw. 1 μg/kg. Folglich
wurde ein hervorragendes Ergebnis erhalten.
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Vergleichsbeispiel 2
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Schwefel-tragende
Adsorptionsmittel wurden verglichen. 100 g teilchenförmige Aktivkohle,
die im Beispiel 1 erhalten worden ist, wurden mit Schwefelpulver
(1 g) gemischt und erhitzt, um ein Adsorptionsmittel herzustellen,
das Schwefel in einer Menge von 1 % trägt und das dem Quecksilberadsorptionstest
in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 unterworfen wurde. Die Tabelle
3 zeigt die Beschreibung des Adsorptionsmittels, das Schwefel trägt, und
das Ergebnis des Quecksilberadsorptionstests.
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Dieses
Adsorptionsmittel, das Schwefel trägt, zeigt eine recht gute Quecksilberadsorption,
jedoch ein starkes Lösen
von Schwefel in Naphtha, wie es in der Tabelle 3 gezeigt ist. Demgemäß kommt dieses
Adsorptionsmittel im Hinblick auf mögliche Schwierigkeiten oder
eine mögliche
Schädigung
von Katalysatoren, die in einem Ölverarbeitungsverfahren
verwendet werden, für
ein Quecksilberentfernungsmittel für Naphtha nicht in Frage.
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Beispiel 14
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Dieses
Beispiel veranschaulicht einen Prototypenbetrieb in der Praxis.
Eine Menge von Teilchen aus Aktivkohle in der Form von 10 bis 32
Mesh, die Salzsäure
trägt und
gemäß Beispiel
1 hergestellt worden ist, wurde in einen Adsorptionsturm (Durchmesser:
25,4 cm, Höhe:
1 m) gepackt und Leichtbenzin, das 7 μg/kg Quecksilber enthielt, wurde
mit einer Flussrate [LV-Wert
(Lineargeschwindigkeit): 0,25 m/min] strömen gelassen oder durchgeleitet.
Das Analyseergebnis zeigte, dass das aus dem Turm abgegebene Leichtbenzin
nahezu vollständig
frei von Quecksilber, einschließlich
organischem Quecksilber, war. Ferner betrug die Menge an Chlorionen,
die in Naphtha gelöst
waren, weniger als 0,1 mg/kg oder lag auf einem Spurenniveau. D.h.,
es wurde kaum ein Lösen
von Chlorionen gefunden.