[go: up one dir, main page]

RU2518579C1 - Method of obtaining carbon adsorbent - Google Patents

Method of obtaining carbon adsorbent Download PDF

Info

Publication number
RU2518579C1
RU2518579C1 RU2012157479/05A RU2012157479A RU2518579C1 RU 2518579 C1 RU2518579 C1 RU 2518579C1 RU 2012157479/05 A RU2012157479/05 A RU 2012157479/05A RU 2012157479 A RU2012157479 A RU 2012157479A RU 2518579 C1 RU2518579 C1 RU 2518579C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
carbon
separation
activation
betulinol
Prior art date
Application number
RU2012157479/05A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Надежда Михайловна Микова
Иван Петрович Иванов
Николай Васильевич Чесноков
Борис Николаевич Кузнецов
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии И Химической Технологии Сибирского Отделения Российской Академии Наук (Иххт Со Ран)
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 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии И Химической Технологии Сибирского Отделения Российской Академии Наук (Иххт Со Ран) filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии И Химической Технологии Сибирского Отделения Российской Академии Наук (Иххт Со Ран)
Priority to RU2012157479/05A priority Critical patent/RU2518579C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2518579C1 publication Critical patent/RU2518579C1/en

Links

Images

Landscapes

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

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: method of obtaining carbon adsorbent includes carbonisation of crushed birch wood at 300-800°C in inert medium. After carbonisation carbonisate is kept at final temperature for 30 minutes. After that, carbonisate of birch wood is mixed with betulinol in ratio, equal 4:1, fused at 400-450°C, and activated. Activation is carried out in argon atmosphere in presence of hard potassium hydroxide at temperature rise to 800°C. After activation it is kept at final temperature for 60 min. Product is washed with acid solution, then water at temperature 50°C and dried.
EFFECT: improvement of carbon sorbent characteristics with respect to low-molecular components of gas mixtures.
2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области сорбционной техники, в частности к способам получения углеродных сорбентов на основе растительного сырья, и может быть использовано для проведения процессов короткоцикловой безнагревной адсорбции газообразных веществ в порах нанометрового размера углеродного носителя для их очистки или разделения, а также в качестве адсорбентов-накопителей газов.The invention relates to the field of sorption technology, in particular, to methods for producing carbon sorbents based on plant materials, and can be used for carrying out short-cycle adsorption of gaseous substances in the pores of a nanometer-sized carbon carrier for their purification or separation, as well as adsorbent storage gases.

Существуют известные процессы с применением разнообразных адсорбентов и устройств для разделения или извлечения различных компонентов из многокомпонентной газовой смеси, например, природного газа. Одни из них направлены на очистку газа от нежелательных примесей, другие, наоборот, на очистку, концентрирование и выделение целевого компонента из смеси. Основными технологичными способами в газоразделительных процессах, пригодными для очистки и выделения, например, метана от примесей водорода, гелия, CO2, являются криогенное разделение (RU 2380630, опубл. 27.01.2010), многоцикловое адсорбционное разделение при переменном давлении - метод PSA (US 6592749, опубл. 15.07.2003) и мембранное разделение (RU 2322284, опубл. 20.04.2008).There are known processes using a variety of adsorbents and devices for the separation or extraction of various components from a multicomponent gas mixture, for example, natural gas. Some of them are aimed at cleaning the gas from undesirable impurities, others, on the contrary, at cleaning, concentrating and isolating the target component from the mixture. The main technological methods in gas separation processes suitable for purification and extraction, for example, methane from impurities of hydrogen, helium, CO 2 , are cryogenic separation (RU 2380630, publ. January 27, 2010), multi-cycle adsorption separation at variable pressure - PSA method (US 6592749, publ. July 15, 2003) and membrane separation (RU 2322284, publ. 20.04.2008).

Описанные способы являются высоко энергоемкими и требуют существенных капиталовложений, экономически оправданы при использовании в промышленных масштабах. В определенных областях применения (химической, газовой, изготовление топливных элементов, медицине, экологии и т.д.) промышленные способы разделения газообразных смесей оказываются экономически труднореализуемыми по причине исключительно высоких затрат и из-за многостадийности извлечения с нужной селективностью и концентрированием целевых компонентов. Поэтому для решения специфических задач во многих технологических сферах реализуются способы быстрого разделения газов путем короткоцикловой безнагревной адсорбции КБА (RPSA), основанные на сепарации и/или различных скоростях адсорбции и массопереноса компонентов газовой смеси.The described methods are highly energy intensive and require significant investment, economically viable when used on an industrial scale. In certain areas of application (chemical, gas, fuel cell manufacturing, medicine, ecology, etc.), industrial methods for separating gaseous mixtures are economically difficult to implement due to extremely high costs and because of the multi-stage extraction with the necessary selectivity and concentration of target components. Therefore, to solve specific problems in many technological fields, methods for the rapid separation of gases by short cycle adsorption of RBA (RPSA) based on separation and / or different rates of adsorption and mass transfer of gas mixture components are implemented.

Решение проблемы очистки и разделения газообразных систем во многом зависит от эффективности используемых адсорбентов, пригодных для возможно полного выделения одного из компонентов или требуемой чистоты очищаемого газа (RU 2378046, опубл. 10.01.2010, US 6660064, опубл. 09.12.2003). С целью увеличения степени извлечения или концентрирования целевых компонентов разделительным методом КБА продолжается поиск способов получения углеродных материалов (УМ) с оптимальным размером пор, подходящих для очистки, разделения и хранения топливных газов. Постоянно возрастает потребность в высокоэффективных сорбентах, получаемых из относительно недорогих источников растительного происхождения, в том числе адсорбентов на основе активированного угля с высокой микропористостью.The solution to the problem of purification and separation of gaseous systems largely depends on the effectiveness of the adsorbents used, suitable for the possible complete separation of one of the components or the required purity of the gas to be purified (RU 2378046, publ. 10.01.2010, US 6660064, publ. 09.12.2003). In order to increase the degree of extraction or concentration of the target components by the CBA separation method, the search for methods for producing carbon materials (CM) with an optimal pore size suitable for purification, separation and storage of fuel gases continues. The need for highly efficient sorbents obtained from relatively inexpensive sources of plant origin, including adsorbents based on activated carbon with high microporosity, is constantly growing.

Известны способы получения высоко микропористых углеродных материалов путем щелочной активации (КОН, NaOH) карбонизованных лигноцеллюлозных предшественников, выбранных из группы: древесная щепа, опилки, скорлупа кокоса, подвергнутых предварительному активированию раствором фосфорной кислоты (US 5416056, опубл. 16.05.1995; US 5626637, опубл. 16.05.1997), либо активированных иным способом (US 5710092, опубл. 20.01.1998, US 5965483, опубл. 12.10.1999). Исходно активированные, в том числе коммерческие, углеродные продукты подвергаются вторичному химическому активированию со щелочным агентом в соотношениях 0,5:1,0-1:4 при температурах 650-1110°C с формированием после отмывки кислотой и сушки в матрице углеродного материала пор с размером около 8-20 А и количеством не менее 50%, подходящих для накопления и хранения газообразных углеводородов, таких как природный газ, в частности метан.Known methods for producing highly microporous carbon materials by alkaline activation (KOH, NaOH) of carbonized lignocellulosic precursors selected from the group: wood chips, sawdust, coconut shell, subjected to preliminary activation with a solution of phosphoric acid (US 5416056, publ. 16.05.1995; US 5626637, publ. May 16, 1997), or otherwise activated (US 5710092, publ. 01.20.1998, US 5965483, publ. 12.10.1999). Initially activated, including commercial, carbon products are subjected to secondary chemical activation with an alkaline agent in ratios of 0.5: 1.0-1: 4 at temperatures of 650-1110 ° C with the formation of pores with acid washing and drying in the matrix of the carbon material about 8-20 A in size and not less than 50%, suitable for the accumulation and storage of gaseous hydrocarbons, such as natural gas, in particular methane.

Известные способы получения УМ имеют своим недостатком использование на первой стадии активации дополнительных реагентов типа фосфорной кислоты, склонной к образованию трудноудаляемых продуктов полимеризации, и образованию коррозионно и экологически опасных жидких отходов.Known methods for producing UM have the disadvantage of using in the first stage of activation additional reagents such as phosphoric acid, which is prone to the formation of difficult to remove polymerization products, and the formation of corrosive and environmentally hazardous liquid wastes.

Указанные изобретения направлены на получение углеродных адсорбентов-накопителей, способных аккумулировать при температуре 25°C до 150 объемов природного газа (гл. образом, метана), но не предназначены для разделения газа переменного состава на индивидуальные компоненты.These inventions are aimed at producing carbon storage adsorbents capable of accumulating up to 150 volumes of natural gas (mainly methane) at a temperature of 25 ° C, but are not intended to separate gas of variable composition into individual components.

Известны способы (RU 2311227, опубл. 27.11.2007; RU 2310604, опубл. 20.11.2007) получения наноструктурированных углеродных материалов с высокой удельной поверхностью и микропористостью путем карбонизации при 400-800°C лигноцеллюлозных отходов деревопереработки (опилки, древесная пыль) и высокозольной биомассы (шелуха риса, овса, соломы пшеницы), последующей щелочной активации при 600-1000°С в присутствии карбонатов и/или гидроксидов натрия или калия, отмывки после активации раствором кислоты и сушки.Known methods (RU 2311227, publ. 11/27/2007; RU 2310604, publ. 20.11.2007) for producing nanostructured carbon materials with a high specific surface and microporosity by carbonization at 400-800 ° C of lignocellulosic wood processing waste (sawdust, wood dust) and high ash biomass (husk of rice, oats, wheat straw), subsequent alkaline activation at 600-1000 ° C in the presence of carbonates and / or hydroxides of sodium or potassium, washing after activation with an acid solution and drying.

Углеродные материалы, полученные согласно предлагаемым способам, потенциально способны найти применение в качестве сорбентов для очистки жидких и газовых сред от органических веществ, соединений тяжелых металлов, катализаторов, однако их молекулярно-ситовые свойства не исследованы. Недостатком известных способов получения углеродных материалов с высокими значениями удельной поверхности (SБЭТ=1000-3000 м2/г), суммарного объема пор (V пор 1-2 см3/г) и микропористого объема является использование большого количества стадий, сопряженных с применением сложного технического оформления метода, требующего использования специальных катализаторов и определенной газовой атмосферы.Carbon materials obtained according to the proposed methods are potentially able to find application as sorbents for the purification of liquid and gas media from organic substances, heavy metal compounds, catalysts, but their molecular sieve properties have not been studied. A disadvantage of the known methods for producing carbon materials with high values of specific surface area (S BET = 1000-3000 m 2 / g), total pore volume (V pore 1-2 cm 3 / g) and microporous volume is the use of a large number of stages associated with the use of complex technical design of the method, requiring the use of special catalysts and a specific gas atmosphere.

Кроме того, изобретения не демонстрируют широкого диапазона адсорбционной эффективности полученных пористых УМ (кроме адсорбции N2); они не подкреплены примерами применения УМ ни в качестве сорбентов энергетических газов (водорода, метана и пр.), ни в качестве систем для разделения газовых смесей.In addition, the inventions do not demonstrate a wide range of adsorption efficiency of the obtained porous CMs (except for N 2 adsorption); they are not supported by examples of the use of CMs either as sorbents for energy gases (hydrogen, methane, etc.), or as systems for separating gas mixtures.

Известен процесс (US 2011/0005392 A1, опубл. 13.01.2011) выделения CO2 регулированной методом PSA адсорбцией на пористом углеродном материале, который имеет удельную поверхность SБЭТ≥1500 м2/г и способен адсорбировать до 0,5-0,8 см2/г сорбтива. Процесс приготовления известного для разделительного процесса углеродного адсорбента включает использование, по крайней мере, одного цеолита определенного структурного типа (морденит, ZSM-5, Na-Y, ЕМС-2) и, по крайней мере, одного ненасыщенного полимеризованного органического вещества, которые подвергают одной или более стадий карбонизации и затем - стадии удаления (растворения) цеолита раствором кислоты. Осуществление процесса производится в несколько стадий: одно или более химическое нанесение из газовой фазы олефинового или алкинового соединения при 500-800°C в течение 1-10 ч на цеолит; импрегнированный предварительно с полимеризующим агентом (фурфуриловым спиртом); термообработку смеси при 850-1000°C в течение 1-10 ч с массовым содержанием нанесенного углерода 10-25%; растворение цеолитной матрицы в избытке HF (≤24 ч). В результате последующего кипячения выделенных продуктов в HCl, фильтрования, отмывки водой от неорганических примесей и сушки получают углеродные материалы с однородной пористостью и текстурой, доля микропор в которых составляет не менее 50% с преимущественным размером 0,5-1,5 нм, характеризующихся селективностью к разделению смеси CO2/CH4, равной 2,9-3,0.The known process (US 2011/0005392 A1, publ. 13.01.2011) of CO 2 emission regulated by PSA adsorption on a porous carbon material that has a specific surface area S BET ≥1500 m 2 / g and is capable of adsorbing up to 0.5-0.8 cm 2 / g of adsorbent. The process of preparing a carbon adsorbent known for the separation process involves the use of at least one zeolite of a certain structural type (mordenite, ZSM-5, Na-Y, EMC-2) and at least one unsaturated polymerized organic substance, which is subjected to one or more stages of carbonization and then the stage of removal (dissolution) of the zeolite with an acid solution. The process is carried out in several stages: one or more chemical deposition of the olefin or alkyne compound from the gas phase at 500-800 ° C for 1-10 hours on the zeolite; pre-impregnated with a polymerizing agent (furfuryl alcohol); heat treatment of the mixture at 850-1000 ° C for 1-10 hours with a mass content of deposited carbon of 10-25%; dissolution of the zeolite matrix in excess of HF (≤24 h). As a result of subsequent boiling of the isolated products in HCl, filtering, washing with water from inorganic impurities and drying, carbon materials with uniform porosity and texture are obtained, the proportion of micropores in which is at least 50% with a predominant size of 0.5-1.5 nm, characterized by selectivity to the separation of the mixture of CO 2 / CH 4 equal to 2.9-3.0.

Существенным недостаткам способа является многостадийная процедура получения описанного углеродного адсорбента с обязательным выделением промежуточного продукта на каждой стадии, сложное техническое оформление метода, требующего соблюдения контролируемых условий на всех этапах, высокая стоимость и длительность осуществления (не менее 5 суток). Кроме того, к недостаткам известного способа можно отнести использование с повышенным кислотным модулем плавиковой и соляной кислот и, как следствие, наличие большого количества жидких токсичных отходов.Significant disadvantages of the method is the multi-stage procedure for obtaining the described carbon adsorbent with the obligatory separation of the intermediate product at each stage, the complex technical design of the method, which requires compliance with controlled conditions at all stages, the high cost and duration of implementation (at least 5 days). In addition, the disadvantages of this method include the use with a high acid module of hydrofluoric and hydrochloric acids and, as a result, the presence of a large amount of liquid toxic waste.

Известен способ (US 5098880, опубл. 24.03.1992) приготовления модифицированного углеродного молекулярного сита, подходящего для разделения методом PSA газов с различающимися скоростями адсорбции, в частности кислорода и азота. Процесс включает последовательную обработку исходного микропористого углеродного носителя с размером пор 4,5-8 А двумя различными углеродсодержащими летучими органическими соединениями, преимущественно углеводородами (УВ) с различным молекулярным размером (пропилен, изобутилен, циклогексан и др.). Соединения подбирают таким образом, чтобы размер молекул модифицирующего вещества на первой стадии обработки был больше, чем на второй, тем самым достигались условия регулирования микропористости сита. Так, в условиях селективного пиролиза из не способного проникнуть в поры самого носителя и подвергнувшегося деструкции первого УВ создается углеродный поверхностный слой. Сформированный на первой стадии промежуточный углеродный материал подвергается на второй стадии в условиях пиролиза контакту со вторым летучим органическим соединением, имеющим меньший молекулярный размер, но не позволяющий проникнуть УВ в поры углеродного слоя. Две различающиеся стадии поверхностного крекинга углеродсодержащих соединений в результате пиролиза при 500-900°C обеспечивают получение модифицированного углеродного адсорбента с контролируемой способностью для проникновения молекул размерами 4-8 А, эффективного для селективной адсорбции и разделения смеси газов.A known method (US 5098880, publ. 24.03.1992) for the preparation of a modified carbon molecular sieve, suitable for separation by PSA of gases with different adsorption rates, in particular oxygen and nitrogen. The process involves sequential processing of the initial microporous carbon carrier with a pore size of 4.5-8 A with two different carbon-containing volatile organic compounds, mainly hydrocarbons (HC) with different molecular sizes (propylene, isobutylene, cyclohexane, etc.). The compounds are selected in such a way that the size of the molecules of the modifying substance in the first stage of processing is greater than in the second, thereby achieving the conditions for controlling the microporosity of the sieve. Thus, under conditions of selective pyrolysis, a carbon surface layer is created from the carrier that is unable to penetrate into the pores of the carrier itself and undergoes destruction of the first hydrocarbon. The intermediate carbon material formed in the first stage undergoes, in the second stage, under pyrolysis conditions, a contact with a second volatile organic compound having a smaller molecular size but not allowing HC to penetrate into the pores of the carbon layer. Two different stages of surface cracking of carbon-containing compounds as a result of pyrolysis at 500-900 ° C provide a modified carbon adsorbent with a controlled penetration of 4-8 A molecules, effective for selective adsorption and separation of a gas mixture.

Однако указанный способ требует сбалансированности взаимозависимых факторов для реализации желаемого модифицирующего эффекта: строгого регулирования скорости потока и концентрации УВ продуктов, их летучести, соблюдения температуры и полноты крекинга, зависящих, в том числе, от размера и конфигурации реактора. Полученные таким способом адсорбенты очень дороги.However, this method requires a balance of interdependent factors to realize the desired modifying effect: strict regulation of the flow rate and concentration of hydrocarbon products, their volatility, compliance with temperature and completeness of cracking, depending, inter alia, on the size and configuration of the reactor. The adsorbents obtained in this way are very expensive.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ (RU №2436625, опубл. 20.12.2011) получения микропористого углеродного адсорбента на основе растительного сырья, а именно из отходов древесины березы (ДБ). Способ получения углеродного адсорбента включает карбонизацию в инертной среде измельченной до фракции 2-3 мм древесины березы в интервале температур 300-800°C со скоростью нагрева 20°C/мин, выдержку при конечной температуре 30 мин, последующую активацию в атмосфере аргона в присутствии твердого гидроксида калия, взятого в массовом соотношении уголь:щелочь, равном 1:3, и подъеме температуры до 800°C со скоростью 10°С/мин, выдержку при ней в течение 60 мин, затем отмывку продукта раствором кислоты и водой при температуре 50°C до нейтральной среды и сушку. Полученные углеродные адсорбенты имеют коэффициенты разделения газовой смеси H2(He)-СН4 Кр=3,2-3,8.Closest to the claimed method according to the technical essence and the achieved result is a method (RU No. 2436625, publ. 12/20/2011) for the production of microporous carbon adsorbent based on plant materials, namely from waste birch wood (DB). The method of producing a carbon adsorbent includes carbonization in an inert medium of birch wood, crushed to a fraction of 2-3 mm, in the temperature range 300-800 ° C with a heating rate of 20 ° C / min, exposure at a final temperature of 30 minutes, subsequent activation in an argon atmosphere in the presence of solid potassium hydroxide, taken in a mass ratio of coal: alkali, equal to 1: 3, and raising the temperature to 800 ° C at a rate of 10 ° C / min, holding it for 60 minutes, then washing the product with an acid solution and water at a temperature of 50 ° C to neutral and drying at. The obtained carbon adsorbents have the separation coefficients of the gas mixture H 2 (He) -CH 4 Cr = 3.2-3.8.

Недостатком известного способа является неоднородная микроструктура получаемого углеродного адсорбента, зависящая в значительной степени от состава карбонизованного предшественника, определяемого температурой пиролиза.The disadvantage of this method is the heterogeneous microstructure of the obtained carbon adsorbent, which depends largely on the composition of the carbonized precursor, determined by the pyrolysis temperature.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения микропористого углеродного адсорбента, характеризующегося улучшенными свойствами для разделения газовой смеси H2(He)-CH4 методом короткоцикловой безнагревной адсорбции.The objective of the invention is to develop a method for producing a microporous carbon adsorbent, characterized by improved properties for separating a gas mixture of H 2 (He) -CH 4 by the method of short-cycle non-heating adsorption.

Технический результат изобретения состоит в следующем:The technical result of the invention is as follows:

- в совершенствовании однородности и микротекстуры карбонизованных углей за счет модифицирования поверхности органическим углеродсодержащим веществом;- to improve the uniformity and micro-texture of carbonized coals by modifying the surface with an organic carbon-containing substance;

- в улучшении качественных характеристик активированных углеродных адсорбентов для повышения селективности разделения низкомолекулярных газов.- to improve the quality characteristics of activated carbon adsorbents to increase the selectivity of the separation of low molecular weight gases.

Технический результат достигается тем, что в способе получения углеродного адсорбента, включающем карбонизацию в инертной среде измельченной до фракции 2-3 мм древесины березы со скоростью нагрева 20°C/мин в интервале температур 300-800°C и выдержку при конечной температуре 30 мин, активацию в атмосфере аргона в присутствии твердого гидроксида калия, взятого в массовом соотношении уголь: щелочь, равном 1:3, и подъеме температуры со скоростью 10°C/мин при 800°C в течение 60 мин, промывку продукта раствором кислоты, водой при температуре 50°C до нейтральной среды и сушку согласно изобретению, перед активацией щелочью карбонизаты древесины березы смешивают с бетулинолом в соотношении, равном 4:1, и затем сплавляют при 400-450°C в течение 20-30 мин.The technical result is achieved by the fact that in the method for producing a carbon adsorbent, which includes carbonization of in an inert medium crushed birch wood to a fraction of 2-3 mm with a heating rate of 20 ° C / min in a temperature range of 300-800 ° C and holding at a final temperature of 30 minutes, activation of argon in the atmosphere in the presence of solid potassium hydroxide, taken in a mass ratio of coal: alkali, equal to 1: 3, and raising the temperature at a rate of 10 ° C / min at 800 ° C for 60 min, washing the product with an acid solution, water at a temperature 50 ° C to neutral and drying the second medium according to the invention before activation of alkali carbonizate birch mixed with betulinol in a ratio equal to 4: 1, and then melted at 400-450 ° C for 20-30 min.

Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения показывает, что в отличие от прототипа, где получение углеродного сорбента осуществляют последовательно карбонизацией древесного сырья, а затем щелочной активацией полученных карбонизатов, в заявляемом способе вводят дополнительную стадию смешения и сплавления карбонизованных материалов с использованием в качестве модифицирующего компонента продукта экстракции коры березы - бетулинола (тритерпенового спирта).A comparative analysis of the present invention shows that, in contrast to the prototype, where the carbon sorbent is produced sequentially by carbonization of wood raw materials, and then by alkaline activation of the obtained carbonizates, in the inventive method, an additional stage of mixing and fusion of carbonized materials using the birch bark extraction product as a modifying component is introduced - betulinol (triterpene alcohol).

Пористость просто карбонизованных углей, как правило, неорганизованная и несовершенная, недостатки которой вытекают из природы предшественника (натурального продукта) и способа получения. По этой причине пористость в большей или меньшей степени представлена порами, имеющими диаметр, не подходящий для обычных условий осуществления процессов разделения методом КБА (PSA). Использование химического модификатора органического происхождения с размером молекул, препятствующим их проникновению в поры углеродного носителя, обеспечивает при сравнительно низкой температуре термического разложения (400-450°C) создание на поверхности носителя пористого углеродного слоя. В результате миграции расплавленного бетулинола по поверхности угольного материала и его термической деструкции обеспечивается формирование композитной пористой структуры с локализацией части активных углеродных фрагментов вблизи входов в устье широких пор, способствуя их сужению. Тем самым в отличие от прототипа достигается нанорегулирование пористости промежуточного углеродного композита с более однородной пористой структурой. Последующая активация модифицированных бетулинолом углей с КОН сдвигает распределение пор в активированном углеродном материале в область, благоприятную как для сорбции малых молекул, так и для разделения смеси метана (водорода) и гелия.The porosity of simply carbonized coals is usually disorganized and imperfect, the disadvantages of which stem from the nature of the precursor (natural product) and the production method. For this reason, porosity is more or less represented by pores having a diameter that is not suitable for the usual conditions of separation processes by the CBA method (PSA). The use of a chemical modifier of organic origin with a molecular size that prevents their penetration into the pores of the carbon carrier, provides at a relatively low temperature of thermal decomposition (400-450 ° C) the creation of a porous carbon layer on the surface of the carrier. As a result of the migration of molten betulinol over the surface of the coal material and its thermal destruction, a composite porous structure is formed with the localization of a part of the active carbon fragments near the inlets at the mouth of wide pores, contributing to their narrowing. Thus, in contrast to the prototype, nanoregulation of the porosity of the intermediate carbon composite with a more uniform porous structure is achieved. Subsequent activation of betulinol-modified coals with KOH shifts the pore distribution in the activated carbon material to an area favorable both for the sorption of small molecules and for the separation of a mixture of methane (hydrogen) and helium.

Изобретение поясняется схемой получения углеродного адсорбента (см. рис.1).The invention is illustrated by the scheme for producing a carbon adsorbent (see Fig. 1).

Осуществление стадии модифицирующей обработки при температурах ниже 400°C, тем более около 300°C, способствует частичной возгонке бетулинола и осаждению неактивированного углерода его на стенках реактора. Проведение же при температурах, превышающих 450 С, напротив, - быстрому и неконтролируемому терморазложению с формированием углеродных отложений - конгломератов на поверхности образца.The implementation stage of the modifying treatment at temperatures below 400 ° C, especially about 300 ° C, contributes to the partial sublimation of betulinol and the deposition of unactivated carbon on the walls of the reactor. Conducting at temperatures exceeding 450 C, on the contrary, is rapid and uncontrolled thermal decomposition with the formation of carbon deposits - conglomerates on the surface of the sample.

В отличие от прототипа благодаря модифицирующему действию бетулинола заявляемый способ позволяет получать углеродные адсорбенты из древесины березы, обладающими лучшими молекулярно-ситовыми свойствами при разделении смеси газов He(H2)-CH4 по сравнению с немодифицированными адсорбентами из ДБ. По своему коэффициенту разделения (Кр), используемому в качестве критерия разделительной способности, они также превышают нормированный коэффициента разделения (Кр≥2), применяемый в методах КБА при разделении газов, во всем исследованном интервале температур предварительной карбонизации ДБ.Unlike the prototype, due to the modifying action of betulinol, the inventive method allows to obtain carbon adsorbents from birch wood, which have better molecular sieve properties when separating a mixture of gases He (H 2 ) -CH 4 compared with unmodified adsorbents from DB. In terms of their separation coefficient (Кр), used as a criterion for separation ability, they also exceed the normalized separation coefficient (Кр≥2), which is used in CBA methods for gas separation, in the entire investigated range of DB pre-carbonization temperatures.

На рисунке 2 показано влияние температуры карбонизации ДБ и условий получения активированных ПУМ на коэффициент разделения смеси газов He(H2)-CH4, где: 1 - Кр для ПУМ из ДБ (по прототипу), 2 - Кр для ПУМ из ДБ, модифицированных бетулинолом, 3 - нормированный Кр для разделения смеси газов He(H2)-CH4.Figure 2 shows the effect of the carbonization temperature of DBs and the conditions for producing activated PUMs on the separation coefficient of the He (H 2 ) -CH 4 gas mixture, where: 1 - Cp for PUMs from DB (based on the prototype), 2 - Cp for PUMs from DB modified betulinol, 3 - normalized Kr for separation of a mixture of gases He (H 2 ) -CH 4 .

Таким образом, из вышеизложенного следует, что дополнительная стадия модификации бетулинолом карбонизатов из древесины березы в заявленной совокупности признаков в определенной степени влияет на достижение технического результата, а именно на получение углеродных адсорбентов, обладающих повышенной разделительной способностью по отношению к низкомолекулярным компонентам газовых смесей.Thus, from the foregoing, it follows that the additional step of modifying betulinol with carbonizates from birch wood in the claimed combination of features to a certain extent affects the achievement of a technical result, namely, the production of carbon adsorbents with increased separation ability with respect to low molecular weight components of gas mixtures.

Благодаря этому отличительному признаку в заявляемом способе удалось улучшить такие качественные характеристики получаемого углеродного микропористого сорбента, как адсорбционная емкость сорбента и селективность разделения, зависящие от соотношения скорости адсорбции/десорбции и времени удерживания на адсорбционной поверхности.Due to this distinguishing feature in the claimed method, it was possible to improve such qualitative characteristics of the obtained carbon microporous sorbent as the adsorption capacity of the sorbent and separation selectivity, depending on the ratio of adsorption / desorption rate and retention time on the adsorption surface.

Было установлено, что полученные адсорбенты обладают высокой степенью селективности в процессе разделения газовой смеси He(H2)-CH4. Установлено, что наибольшим коэффициентом разделения (Кр=3,84-4,11) обладают модифицированные бетулинолом образцы из предварительно карбонизованной в интервале температур 600-800°C древесины березы, полученные активацией КОН. В прототипе же значение Кр≤3,2-3,8.It was found that the adsorbents obtained have a high degree of selectivity during the separation of the He (H 2 ) -CH 4 gas mixture. It was found that the highest separation coefficient (Kp = 3.84–4.11) is possessed by betulinol-modified samples from birch wood previously carbonized in the temperature range 600–800 ° C obtained by KOH activation. In the prototype, the same value Кр≤3,2-3,8.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

Растительное сырье в виде опилок древесины березы высушивают до постоянного веса, измельчают до размера частиц 2-3 мм. Образец нагревают при скорости подъема температуры 20°C/мин в атмосфере аргона до температуры 300-800°C, выдерживают в течение 30 мин. После охлаждения до комнатной температуры полученный карбонизованный образец смешивают с порошком бетулинола, взятым в соотношении, равном 4:1, соответственно. Смесь нагревают в токе инертного газа при температуре 450°C в течение 30 мин. Охлажденный до комнатной температуры композитный углеродный продукт смешивают с твердым гидроксидом калия в массовом соотношении 1:3. Смесь помещают в проточный реактор и нагревают при скорости подъема температуры 10°C/мин в атмосфере аргона до температуры 800°C, при которой смесь выдерживают в течение 1 часа. После охлаждения до комнатной температуры полученный образец обрабатывают 1 М раствором HCl, затем продукт промывают горячей водой (~50°C) до нейтральной среды промывных вод. Углеродный материал высушивают в сушильном шкафу при температуре 105-110°C до постоянного веса.Plant material in the form of sawdust of birch wood is dried to constant weight, crushed to a particle size of 2-3 mm. The sample is heated at a rate of temperature rise of 20 ° C / min in an argon atmosphere to a temperature of 300-800 ° C, incubated for 30 minutes After cooling to room temperature, the resulting carbonized sample is mixed with betulinol powder, taken in a ratio of 4: 1, respectively. The mixture is heated in an inert gas stream at 450 ° C for 30 minutes. Cooled to room temperature, the composite carbon product is mixed with solid potassium hydroxide in a weight ratio of 1: 3. The mixture is placed in a flow reactor and heated at a temperature rise rate of 10 ° C / min in an argon atmosphere to a temperature of 800 ° C, at which the mixture is kept for 1 hour. After cooling to room temperature, the obtained sample was treated with a 1 M HCl solution, then the product was washed with hot water (~ 50 ° C) to a neutral wash water medium. The carbon material is dried in an oven at a temperature of 105-110 ° C to constant weight.

Измерения удельной поверхности проводили на установке ASAP 2420 Micrometrics по адсорбции N2 при 77 К после предварительной тренировки образцов в течение 6 ч при 300°C и остаточном давлении менее 0,001 мм рт.ст. без контакта с атмосферой после тренировки. Измерения изотерм адсорбции азота проводили в диапазоне относительных давлений Р/Ро от 0,005 до 0,995 и их стандартную обработку с расчетом суммарной поверхности методом БЭТ, общего объема пор и объема микропор (с размером менее 2 нм).The specific surface area was measured on an ASAP 2420 Micrometrics setup using N 2 adsorption at 77 K after preliminary training of the samples for 6 h at 300 ° C and a residual pressure of less than 0.001 mm Hg. no contact with the atmosphere after training. Nitrogen adsorption isotherms were measured in the range of relative pressures Р / Ро from 0.005 to 0.995 and their standard processing with calculation of the total surface by the BET method, the total pore volume and micropore volume (with a size of less than 2 nm).

Эффективность разделения смеси газов He(H2)-CH4 определяли хроматографическим методом на колонке диаметром 3 мм и длиной 1 м, заполненной УМ фракции 0,25 мм на хроматографе «Chrom 5». В качестве критерия разделительной способности сорбента в короткоцикловом способе разделения методом безнагревной адсорбции использовали коэффициент Кр, рассчитанный из экспериментальных данных по уравнению:The separation efficiency of the He (H 2 ) -CH 4 gas mixture was determined by the chromatographic method on a column with a diameter of 3 mm and a length of 1 m, filled with a CM of 0.25 mm fraction on a Chrom 5 chromatograph. As a criterion for the separation ability of the sorbent in the short cycle separation method by the method of heating without adsorption, the coefficient K p calculated from the experimental data by the equation was used:

K p = b m 1 + m 2

Figure 00000001
K p = b m one + m 2
Figure 00000001

где b - расстояние между пиками выхода отдельных газов He(H2) и CH4;where b is the distance between the output peaks of individual gases He (H 2 ) and CH 4 ;

m1 и m2 - ширина пика каждого из газов у основания.m 1 and m 2 - peak width of each of the gases at the base.

Способ подтверждается конкретным примером:The method is confirmed by a specific example:

Пример 1. 50 г высушенных и измельченных до размера частиц 2-3 мм опилок древесины березы помещают в металлический реактор и карбонизуют при скорости подъема температуры 20°C/мин в атмосфере аргона до температуры 700°C, при которой образец выдерживают в течение 30 мин. После охлаждения 20 г полученного угля-сырца (карбонизата) тщательно смешивают с 5 г порошка бетулинола, смесь нагревают при 450°C в течение 30 мин. Охлажденный до комнатной температуры углеродный композитный продукт смешивают с твердым гидроксидом калия в массовом отношении уголь/щелочь, равном 1:3. Смесь помещают для активации в проточный реактор и нагревают при скорости подъема температуры 10°C/мин в атмосфере аргона до температуры 800°C, при которой смесь выдерживают в течение 1 часа. После охлаждения полученный образец обрабатывают 1 М раствором HCl, затем продукт промывают горячей водой (~50°C) до нейтральной среды промывных вод. Полученный образец высушивают в сушильном шкафу при температуре 105-110°C до постоянного веса. Углеродный адсорбент имеет удельную поверхность SБЭТ=1273 м2/г, общий объем пор 0,53 см3/г, причем на долю микропор в образце приходится не менее 70% и селективность в разделении смеси He(H2)/CH4 Кр=4,11 (см. табл.).Example 1. 50 g of dried and ground to a particle size of 2-3 mm sawdust of birch wood is placed in a metal reactor and carbonized at a temperature rise rate of 20 ° C / min in an argon atmosphere to a temperature of 700 ° C, at which the sample is kept for 30 minutes . After cooling, 20 g of the obtained raw coal (carbonizate) are thoroughly mixed with 5 g of betulinol powder, the mixture is heated at 450 ° C for 30 minutes. Cooled to room temperature, the carbon composite product is mixed with solid potassium hydroxide in a mass ratio of coal / alkali equal to 1: 3. The mixture was placed for activation in a flow reactor and heated at a temperature rise rate of 10 ° C / min in an argon atmosphere to a temperature of 800 ° C, at which the mixture was kept for 1 hour. After cooling, the obtained sample is treated with a 1 M HCl solution, then the product is washed with hot water (~ 50 ° C) to a neutral wash water medium. The resulting sample is dried in an oven at a temperature of 105-110 ° C to constant weight. The carbon adsorbent has a specific surface area S BET = 1273 m 2 / g, a total pore volume of 0.53 cm 3 / g, and micropores in the sample account for at least 70% and selectivity in the separation of the He (H 2 ) / CH 4 Cr mixture = 4.11 (see table).

Таким образом, заявленное техническое решение обеспечивает возможность приготовления на основе компонентов древесины березы (опилки, экстракт бересты) активированного углеродного сорбента с улучшенными характеристиками, способного найти применение для быстрого и качественного разделения газовой смеси, состоящей из компонентов низкомолекулярных соединений He(H2) и CH4. Данное изобретение может найти использование в процессах качественной очистки и разделения газовых сред, в том числе при очистке природного газа.Thus, the claimed technical solution makes it possible to prepare, on the basis of birch wood components (sawdust, birch bark extract), an activated carbon sorbent with improved characteristics that can be used for fast and high-quality separation of a gas mixture consisting of components of low molecular weight compounds He (H 2 ) and CH 4 . This invention may find use in processes of high-quality purification and separation of gaseous media, including the purification of natural gas.

Характеристика текстурных и адсорбционных свойств углеродных адсорбентов, полученных активированием КОН при 800°C композитов, приготовленных из модифицированных 25% вес. бетулинолом образцов древесины березы, предварительно карбонизованной в интервале температур 300-800°C.Characterization of the texture and adsorption properties of carbon adsorbents obtained by activating KOH at 800 ° C of composites prepared from modified 25% by weight. betulinol samples of birch wood, pre-carbonized in the temperature range 300-800 ° C.

ТаблицаTable No. ОбразецSample SБЭТ, м2S BET , m 2 / g Кр смеси H2(He)-CH4 Cr mixture of H 2 (He) -CH 4 Vпор, см3Vsp, cm 3 / g Сорбция, г/гSorption, g / g Н2OH 2 O БензолBenzene 1one ДБ-300+Бетулинол /КОН, 1:3,800DB-300 + Betulinol / KOH, 1: 3,800 960960 2,832.83 0,400.40 0,230.23 0,340.34 22 ДБ-400+Бетулинол /КОН, 1:3,800DB-400 + Betulinol / KOH, 1: 3,800 12931293 3,033.03 0,540.54 0,370.37 0,490.49 33 ДБ-500+Бетулинол /КОН, 1:3, 800DB-500 + Betulinol / KOH, 1: 3, 800 915915 3,433.43 0,380.38 0,250.25 0,350.35 4four ДБ-600+Бетулинол /КОН, 1:3, 800DB-600 + Betulinol / KOH, 1: 3, 800 13811381 3,843.84 0,580.58 0,390.39 0,510.51 55 ДБ-700+Бетулинол /КОН, 1:3, 800DB-700 + Betulinol / KOH, 1: 3, 800 12731273 4,114.11 0,530.53 0,390.39 0,450.45 66 ДБ-800+Бетулинол /КОН, 1:3,800DB-800 + Betulinol / KOH, 1: 3,800 11631163 4,054.05 0,410.41 0,410.41 0,470.47

Claims (1)

Способ получения углеродного адсорбента из растительного сырья, включающий карбонизацию в инертной среде измельченной до фракции 2-3 мм древесины березы в интервале температур 300-800°C со скоростью нагрева 20°C/мин с выдержкой при конечной температуре 30 мин, активацию при 800°C в течение 60 мин в атмосфере аргона в присутствии твердого гидроксида калия, взятого в массовом соотношении уголь:щелочь, равном 1:3, и подъеме температуры со скоростью 10°C/мин, промывку готового продукта раствором кислоты, водой при температуре 50°C до нейтральной среды и сушку, отличающийся тем, что перед активацией карбонизаты древесины березы смешивают с бетулинолом в соотношении, равном 4:1, и затем сплавляют при 400-450°C в течение 20-30 мин. A method of producing a carbon adsorbent from plant materials, including carbonization in an inert medium of birch wood crushed to a fraction of 2-3 mm in the temperature range of 300-800 ° C with a heating rate of 20 ° C / min with exposure at a final temperature of 30 min, activation at 800 ° C for 60 min in an argon atmosphere in the presence of solid potassium hydroxide, taken in a mass ratio of coal: alkali, equal to 1: 3, and raising the temperature at a rate of 10 ° C / min, washing the finished product with an acid solution, water at a temperature of 50 ° C to a neutral environment and su a pulp, characterized in that before activation, the birch wood carbonizates are mixed with betulinol in a ratio of 4: 1, and then fused at 400-450 ° C for 20-30 minutes.
RU2012157479/05A 2012-12-26 2012-12-26 Method of obtaining carbon adsorbent RU2518579C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012157479/05A RU2518579C1 (en) 2012-12-26 2012-12-26 Method of obtaining carbon adsorbent

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012157479/05A RU2518579C1 (en) 2012-12-26 2012-12-26 Method of obtaining carbon adsorbent

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2518579C1 true RU2518579C1 (en) 2014-06-10

Family

ID=51216422

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012157479/05A RU2518579C1 (en) 2012-12-26 2012-12-26 Method of obtaining carbon adsorbent

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2518579C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2575654C1 (en) * 2014-10-30 2016-02-20 Александр Всеволодович Пименов Method of obtaining activated coal
RU2582132C1 (en) * 2015-01-12 2016-04-20 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии И Химической Технологии Сибирского Отделения Российской Академии Наук (Иххт Со Ран) Method for producing activated carbon
CN116474725A (en) * 2023-05-16 2023-07-25 北京科技大学 Preparation method of commercial land-based modified biochar for adsorption of heavy metal vanadium

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5240479A (en) * 1991-05-17 1993-08-31 Donaldson Company, Inc. Pleated filter media having a continuous bead of adhesive between layers of filtering material
US5248651A (en) * 1990-10-05 1993-09-28 Bergwerksverband Gmbh Process for the production of carbon molecular sieves
US5972834A (en) * 1995-04-27 1999-10-26 Nippon Sanso Corporation Carbon adsorbent, manufacturing method therefor, gas separation method and device therefor
RU2311227C1 (en) * 2006-02-09 2007-11-27 Институт Катализа Им. Г.К. Борескова Сибирского Отделения Российской Академии Наук Method of production of the nanostructure carbonic material with the high specific surface and microporosity
RU2352349C1 (en) * 2008-01-21 2009-04-20 Институт химии и химической технологии СО РАН (ИХХТ СО РАН) Method of birch bark conversion
RU2393111C1 (en) * 2009-03-18 2010-06-27 Учреждение Российской академии наук Институт химии и химической технологии Сибирского отделения РАН (ИХХТ СО РАН) Method of producing microporous carbon material from lignocellulose material
RU2436625C1 (en) * 2010-06-09 2011-12-20 Учреждение Российской академии наук Институт химии и химической технологии Сибирского отделения РАН (ИХХТ СО РАН) Method to produce carbon adsorbent

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5248651A (en) * 1990-10-05 1993-09-28 Bergwerksverband Gmbh Process for the production of carbon molecular sieves
US5240479A (en) * 1991-05-17 1993-08-31 Donaldson Company, Inc. Pleated filter media having a continuous bead of adhesive between layers of filtering material
US5972834A (en) * 1995-04-27 1999-10-26 Nippon Sanso Corporation Carbon adsorbent, manufacturing method therefor, gas separation method and device therefor
RU2311227C1 (en) * 2006-02-09 2007-11-27 Институт Катализа Им. Г.К. Борескова Сибирского Отделения Российской Академии Наук Method of production of the nanostructure carbonic material with the high specific surface and microporosity
RU2352349C1 (en) * 2008-01-21 2009-04-20 Институт химии и химической технологии СО РАН (ИХХТ СО РАН) Method of birch bark conversion
RU2393111C1 (en) * 2009-03-18 2010-06-27 Учреждение Российской академии наук Институт химии и химической технологии Сибирского отделения РАН (ИХХТ СО РАН) Method of producing microporous carbon material from lignocellulose material
RU2436625C1 (en) * 2010-06-09 2011-12-20 Учреждение Российской академии наук Институт химии и химической технологии Сибирского отделения РАН (ИХХТ СО РАН) Method to produce carbon adsorbent

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2575654C1 (en) * 2014-10-30 2016-02-20 Александр Всеволодович Пименов Method of obtaining activated coal
RU2582132C1 (en) * 2015-01-12 2016-04-20 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии И Химической Технологии Сибирского Отделения Российской Академии Наук (Иххт Со Ран) Method for producing activated carbon
RU2776277C1 (en) * 2021-07-05 2022-07-15 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский государственный национальный исследовательский университет" (ПГНИУ) Method for producing copper-nickel-oxide-carbon composite material
RU2782863C1 (en) * 2021-11-24 2022-11-03 Общество С Ограниченной Ответственностью "Агрохолод" Method for creating biosorbents with specified properties based on agricultural waste
CN116474725A (en) * 2023-05-16 2023-07-25 北京科技大学 Preparation method of commercial land-based modified biochar for adsorption of heavy metal vanadium

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yang et al. Surface modified and activated waste bone char for rapid and efficient VOCs adsorption
Mazlan et al. Activated carbon from rubber wood sawdust by carbon dioxide activation
EP0401285B1 (en) Carbon dioxide removal using aminated carbon molecular sieves
JP5732451B2 (en) Use of zeolitic microporous crystalline materials with RHO structure in natural gas processing
US5164355A (en) High capacity coconut shell char for carbon molecular sieves
JP5487483B2 (en) Adsorbent
JP6545314B2 (en) Novel carbon molecular sieve and pellet compositions useful for C2-C3 alkane / alkene separation
EP0554805A1 (en) Air separation by pressure swing adsorption with a high capacity carbon molecular sieve
RU2436625C1 (en) Method to produce carbon adsorbent
WO2010012660A1 (en) Process for producing alcohol
FR2749004A1 (en) PROCESS FOR THE PURIFICATION OF HYDROGEN-BASED GASEOUS MIXTURES USING LITHIUM-EXCHANGED ZEOLITE X
TW201726246A (en) Microcrystalline cellulose thermal desorbing agent and manufacturing and using method thereof
CN108816190B (en) Alumina-activated carbon composite material and preparation method thereof
Skodras et al. Role of activated carbon structural properties and surface chemistry in mercury adsorption
RU2518579C1 (en) Method of obtaining carbon adsorbent
JP2004298662A (en) Preparation of molecular sieve adsorbents for air size / morphological selective separation
WO2014191640A1 (en) Purification unit with multi-bed adsorber
US11571653B2 (en) Ethylene separations using small pore zeolite SSZ-45
RU2671583C1 (en) Carbon dioxide absorber, method for preparing thereof and method for cleaning gas mixtures
WO2010064121A2 (en) Process for gas separation
CN112619608A (en) Preparation and application of glucose-based porous carbon material
RU2108968C1 (en) Method of preparing adsorbent
US11571654B2 (en) Ethylene separations using a small pore zeolite with CDO framework
RU2264253C1 (en) Porous carbon material preparation process
RU2467793C2 (en) Carbon molecular sieve

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20141227