Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:патенты / Сборник патентов_3072
.pdf
материала осуществляется за счет его меньшей кажущейся удельной плотности.
Один из способов получения новых углеродных материалов в соответствии с настоящим изобретением
заключается в том, что берут подходящее растительное сырье, плотность которого должна быть тщательно
подобрана в соответствии с желаемыми свойствами готового продукта, мелко измельчают это сырье и
активируют его одним из известных активирующих газов, в то время как мелкие частицы поддерживаются в
движении или во взвешенном состоянии в пространстве, в нижнюю часть которого вводятся твердый
материал и активирующий газ, а из верхней части которого активирующий материал непрерывно отводится.
Необходимое тепло может быть получено внутренним и/или внешним способом. 90 Примечательно, что,
несмотря на исключительно высокую истинную удельную плотность готового продукта, его можно отделить
описанным способом благодаря его исключительно низкой кажущейся удельной плотности. 95 Ниже будет
описан конкретный вариант осуществления устройства для практической реализации изобретения.
Данная форма аппарата предпочтительно используется для производства 100 описанных новых продуктов, но
с изменением условий (например, при увеличении запаса автомобиля).
(костный материал, природа и количество активирующих газов, способ нагрева и температура и т. д.) 105 его
также можно использовать для производства продуктов с известной активностью.
В устройстве, изображенном на чертеже, приложенном к предварительной спецификации 4529/24,
активируемый материал 110 подается в процесс через бункер или контейнер 1, в котором предпочтительно
предварительно перегнанный или нет материал может быть предварительно нагрет, или в некоторых случаях
контейнер 1 может быть заменен ретортой для предварительной перегонки или карбонизации, в которой
сырье 228,582, такое как древесина, торф, бурый уголь или лигнит, или другие материалы растительного,
животного или минерального происхождения, могут быть подвергнуты соответствующей перегонке или
карбонизации. В других случаях предпочтительнее сначала карбонизировать материал, затем измельчить его
и подать в активационную камеру способом, показанным на рисунке. Разумеется, в некоторых случаях будет
возможно подвергнуть сырье непосредственно процессу активации без предварительной дистилляции.
В нижней части контейнера 1 имеется нисходящий канал 2, ведущий в активационную камеру, и в этом канале
находится инжекторная трубка 3, взаимодействующая с активационной камерой и контролирующая ее подачу.
При желании подача материала может осуществляться механически.
Активирующая камера 4 имеет форму вертикальной реторты с конической нижней частью. В нижней части
прохода 2 расположено несколько подводящих газовых труб, а именно: труба 5, по которой подается
перегретый пар для активации, и трубы 6, 61, через которые горючая газовая смесь подается в реторту для
обеспечения необходимого внутреннего нагрева реторты. Для улучшения суспензирования, обеспечения
теплоснабжения и предотвращения чрезмерного окисления могут быть добавлены горячие инертные газы.
Поток пара, выбрасываемого из трубы 5, а также других газов будет регулироваться по скорости и количеству
таким образом, чтобы он вызывал суспендирование материала в камере активации 4 в течение периода
времени, достаточного для активации, направленной на (в зависимости от указанных факторов) удаление
частиц углерода, которые после достаточной активации будут унесены выходящим потоком газа. Смесь
активированного угля и газов удаляется через выходное отверстие 7, ведущее в разделительные камеры 8 и
9, в которых происходит разделение активированного угля и газов; осевший активированный уголь отводится
в емкости 10 и 11, а газы удаляются путем отсасывания с помощью вытяжного вентилятора 12, проходящего
через пылеулавливающее и очистное устройство 13.
Следует понимать, что разделительное устройство представлено лишь схематически, поскольку очевидно,
что его можно модифицировать различными способами, не выходя за рамки сущности изобретения.
Одной из особенностей аппарата, подходящего для данного изобретения, является наличие в активирующей
камере 4 средств, обеспечивающих тщательный, плотный и прочный контакт активирующих газов с
активируемым материалом в течение достаточного периода времени. Желательно не только обеспечить
тщательное перемешивание материала и газов, но и, что еще более важно, чтобы углеродистые частицы при
попадании в реторту немедленно нагревались до высокой температуры, необходимой для активации, и чтобы
тепло быстро подавалось во время активации.
Из-за очень плохой теплопроводности углерода в каждом процессе активации возникали трудности с
обеспечением равномерного и быстрого нагрева материала до температуры активации. - 80 С этой целью
камера активации 4 может быть снабжена средствами, препятствующими прохождению материала,
обеспечивающими плотный контакт и перемешивание, а также гарантирующими хорошую передачу тепла от
продуктов сгорания к материалу. Для увеличения количества тепла, излучаемого частицами, могут быть
предусмотрены поверхности, которые могут быть образованы с помощью упомянутых препятствующих
средств.
Хотя новые виды угля можно производить без использования перегородок в камере, в этом случае
необходимо более точно регулировать поток газа, поскольку его колебания с большей вероятностью приведут
к изменению качества активированного угля.
С этой целью, согласно изобретению, активационная камера 4 может быть заполнена перегородками 14,
расположенными поперечно в горизонтальных слоях, таким образом, что стержни последовательных слоев
смещены, так что прохождение между двумя стержнями всегда отклоняется стержнем следующего слоя.
Стержни изготовлены из подходящего жаростойкого материала, такого как кремнезем, огнеупорная глина или
магнезия, и нагреваются до температуры активации, благодаря чему они эффективно и быстро нагревают
материал до полной готовности.
Именно в промежутках между этими стержнями в основном и происходят процессы активации, при этом поток
газов течет вверх, а активируемый материал уносится вместе с газами, двигаясь вверх против силы тяжести.
В ходе этого движения происходит активация, и наблюдается своего рода седиментация материала,
поскольку частицы углерода 120 поднимаются вверх быстрее из-за меньшей объемной массы, и поэтому
только частицы с меньшей объемной массой, а именно высокоактивированные частицы углерода, достигают
верхней части камеры активации 125 и удаляются вместе с выходящими газами.
Вместо использования стержней можно создать зигзагообразный или подобный путь другим удобным
способом, например, с помощью 130 228 582 кусков кварца или подобных огнеупорных материалов.
Вместо внутреннего нагрева с помощью сжигания газов или в дополнение к нему может использоваться
любой другой источник внутреннего или внешнего тепла, например, стержни могут быть заменены трубами,
нагреваемыми изнутри. Реторта или стержни могут нагреваться электрическим током изнутри или снаружи.
Описанное выше устройство приведено лишь в качестве примера, чтобы показать, как изобретение может
быть реализовано на практике, но очевидно, что изобретение не ограничивается таким устройством.
Такие параметры, как природа сырья, температура, количество активирующего газа (например, пара), добавки
инертного газа, скорость потока газа и т. д., должны быть тщательно отрегулированы, чтобы процесс можно
было проводить в течение необходимого времени и в надлежащих условиях для получения новых продуктов.
Условия также могут быть выбраны таким образом, чтобы получить углерод известных типов с истинной
удельной плотностью около 1,8.
Материал следует мелко измельчить.
В качестве примера могу привести результаты, полученные с фрагментами размером 2,5 мм, но можно
использовать и порошок, хотя в этом случае его сложнее отделить от газа. Оптимальный размер зависит от
плотности. В более крупных фрагментах можно использовать легкий материал. Для производства
активированного угля для адсорбции газов обычно предпочтительнее использовать сырье высокой плотности,
и в этом случае кажущаяся удельная плотность может быть выше, чем при использовании более легкого
органического вещества для получения продуктов, пригодных для обработки жидкостей. В любом случае,
сырье должно обладать определенной пористостью, чтобы быть пригодным для активации. Низкое
содержание золы обычно желательно; высокое содержание золы или неорганические добавки, как правило,
разрушают волокнистую или клеточную структуру древесины или, например, косточек плодов. Природа золы
имеет важное значение, например, ввиду опасности образования шлака на перегородках.
Температура в реторте варьируется в зависимости от природы используемого газа, но в целом желательно
использовать высокую температуру. Излучение тепла очень полезно, поскольку важно не только быстро
нагревать частицы, но и быстро подводить тепло во время активации.
Поэтому в каждом конкретном эксперименте необходимо тщательно контролировать параметры процесса
путем тщательного анализа мелкодисперсного активированного угля, который оседает на дно из отводимых
газов.
Настоящее изобретение позволяет получать полностью и равномерно активированный продукт посредством
чрезвычайно кратковременного воздействия активирующего газа на углеродсодержащий материал.
Благодаря правильному выбору условий обработки, изобретение позволяет производить совершенно новый,
высококачественный активированный уголь 70-го класса, отдельные частицы которого образуют каркас из
практически чистого углерода, который при использовании древесины будет иметь микроскопическую
волокнистую структуру.
Новый активированный уголь обладает настолько поразительными свойствами, что считается новым
физическим продуктом; некоторые из его отличительных особенностей следующие: Активированные угли для
обесцвечивания, изготовленные из пористого сырья, такого как сосновая древесина, которые до сих пор
производились путем воздействия тепла и газов на углеродсодержащие материалы, даже если они были
наилучшего качества и после промывки кислотой и сушки, содержат около 96–97% углерода и не менее 2%
золы, и имеют удельную плотность от 1,7 до 1,9 (определенную в эфире, удельная плотность 0,721 при 20 °C)
и кажущуюся удельную плотность или объемную массу от 0,2 до 0,3, определенную на воздухе путем
постукивания по градуированному сосуду, содержащему известное количество измельченного угля настолько
мелкого помола, что большая его часть проходит через сито с размером ячейки 200 нитей на линейный дюйм.
Углерод, полученный методом хлорида цинка, имеет содержание углерода 88%, содержание золы около 1%,
истинную плотность от 1,6 до 1,7 и кажущуюся объемную массу от 0,2 до 0,3.
100 Новый уголь для обесцвечивания, согласно настоящему изобретению, после выщелачивания кислотой и
сушки содержит около 98–99% углерода и более, а также от 0,2 до 1% золы и имеет истинную удельную
плотность от 2,0 до 2,1 или более (чистый уголь = 2,35) с кажущейся массой около 0,1 или менее (в некоторых
случаях менее 0,06). Таким образом, новый материал, состоящий практически из чистого углерода, обладает
ранее недостижимо высокой истинной удельной плотностью в сочетании с чрезвычайно низким кажущимся
объемным весом. Вероятно, именно такое сочетание свойств объясняет поразительно высокую и почти
универсальную адсорбционную способность, которая, в том числе и для газов, в несколько раз превышает
адсорбционную способность различных известных в данной области активированных углей. 120 Высокая
активность подтверждается также значительным выделением тепла в процессе адсорбции. Для
активированного угля, полученного известными на сегодняшний день процессами, а также газовой активацией
125 и химической активацией, теплота адсорбции или смачивания (т.е. количество калорий, выделяемых 1 г
углерода при 15 °C при смешивании с жидкостью) для бензола C6H6 составляет около 20 кал., а в некоторых
случаях — от 20 до 30 кал.
Углерод, не подвергавшийся искусственной активации, например, обычный древесный уголь (98582), имеет
гораздо меньшую теплоту сгорания, например, 7 кал. Напротив, теплота адсорбции для нового углерода
составляет примерно 40-50 калорий на грамм или даже больше.
При точно таких же условиях и в процессе абляции более плотное сырье дает активированный уголь,
имеющий больший объем, чем более легкое или менее плотное сырье.
Определяется объемная масса измельченного активированного угля, прошедшего через сито с плотностью
200 волокон на линейный дюйм.
Разница в объемной массе активированного угля, полученного из плотного сырья по сравнению с более
легким или менее плотным сырьем, даже если оба угля активированы с одинаковой степенью активности в
отношении адсорбции веществ из истинного раствора, таких как йод, например, заключается во взаимосвязи
между микро- и макропорами в активированном угле (и в сырье); однако, начиная с одного и того же плотного
сырья, можно активировать его в таких условиях (избыток активирующего газа при высокой температуре,
более длительный контакт и т. д.), чтобы получить активированный уголь, который легче или менее плотный
(имеет меньшую объемную массу).
Вероятно, из-за высокой плотности, эти углеродные материалы, даже активированные до одинаковой степени
активности, обычно не очень хорошо подходят для адсорбции коллоидных или полуколлоидных веществ, а
также высокомолекулярного углерода из растворов. Однако они обычно лучше подходят для адсорбции из
газовой фазы (газовая адсорбция). Вероятно, основной причиной этого явления является капиллярная
абсорбция в микропорах.
Известный адсорбционный уголь для газов, изготовленный из плотного материала, например, антрацита или
скорлупы кокосового ореха в гранулах, проходящих через сито с размером ячейки от 8 до 10 нитей на
линейный дюйм, имеет истинную удельную плотность от 1,6 до 2,0 согласно литературным данным, но при
мелкодисперсном измельчении и определении удельной плотности в эфире она оказывается существенно
ниже.
Углерод для адсорбции газов, изготовленный из плотного сырья в соответствии с настоящим изобретением,
имеет истинную удельную плотность (в эфире) от 1,9 до 2,1 или выше и кажущийся объемный вес более 0,1,
но, помимо высокой истинной удельной плотности, он отличается от ранее известных тем, что адсорбирует
больше воды из влажного воздуха и больше йода из раствора — свойства, которые он разделяет с новым
обесцвечивающим углем. Однако новый адсорбционный уголь для газов и обесцвечивающий уголь
различаются по своей способности адсорбировать коллоиды из жидкой фазы и по объемной массе.
В следующей таблице показано относительное поглощение влаги и йода несколькими новыми
обесцвечивающими углями по сравнению со стандартным продуктом, продававшимся в 1923 году под
зарегистрированной торговой маркой Norit. Поглощение влаги указано в процентах от поглощенной влаги
углем, измельченным до такой степени, чтобы проходить через сито с размером ячейки 200 нитей на
линейный дюйм, высушенным и подвергнутым воздействию влажного воздуха при температуре 15 °C и
относительной влажности 60%.
Поглощение йода выражается как концентрация йода, остающегося после промывки 500 миллиграммов
мелкодисперсного угля (200 меш) соляной кислотой и водой до нейтральной реакции промывочной воды,
высушивания, перемешивания при 15 °C с 1 мл децинормального раствора йода и фильтрации смеси через
15 минут.
ТАБЛЕЙ.
Кажущиеся мг.
Углерод Истинная удельная масса Объем Влага Йод Теплота поглощения массы Адсорбция A 2,1 менее 0,1
22-24% 8 40 B 2,0 abbot 0,3 26 10 48 до 0,4 0 2,15 aboUt 0,4 26-28 10 46 до 0,5 D i95 около 0,5 22 12 30 до 0,6
Стандартный NTorit - - 12% 30 22 Лучший хлорид цинка darboih - - 6% 26 20-30 -. - - - - -.,- --1 4 - обладать
определенной микроструктурой, например.
Уголь, достаточно крупнозернистый, чтобы пройти через сито с размером ячейки 40 меш (40 нитей на
линейный дюйм), обладает большей активностью, чем обычный газоактивированный уголь, даже если
последний измельчен достаточно мелко, чтобы пройти через сито с размером ячейки 100 меш. 60 Благодаря
этому полезному сочетанию повышенной адсорбционной и фильтрующей способности, новый уголь подходит
практически для повсеместного применения в области очистки, обесцвечивания, дезодорирования,
стерилизации, фильтрации или иной обработки всех видов жидкостей или газов.
При очистке сахарных соков и растворов, в которых целью является как эффективное обесцвечивание, так и
фильтрация, использование нового угля является наиболее желательным, и среди прочих преимуществ
можно отметить простоту регенерации, очень малое количество используемого угля, что также приводит к
меньшим потерям сахара, адсорбированного на угле, и позволяет использовать установку меньшего размера.
При обесцвечивании масел, жиров и других неводных органических жидкостей с использованием нового
углерода были получены весьма впечатляющие результаты. Таким образом, была достигнута очень
эффективная децветная обработка льняного и соевого масла, которую до сих пор было очень трудно
обесцветить с помощью обычных активированных углей, используемых в коммерческих целях. Уголь можно
использовать для многих других целей, например, для стерилизации воды и других жидкостей.
Следует понимать, что описанные ценные свойства не обязательно объединены в одном образце, хотя они
могут быть объединены. Например, продукт с одинаковой истинной удельной плотностью будет иметь
переменную кажущуюся удельную плотность в зависимости от плотности исходного сырья, например.
Пористое сырье с рыхлой структурой даст продукт с исключительно низкой кажущейся удельной плотностью,
тогда как сырье с плотной структурой даст продукт с более высокой кажущейся удельной плотностью.
Дата: 8 мая 1924 года.
W. P. THOMPSON & Co., Черч-стрит, 12, Ливерпуль, 105. Сертифицированные и зарегистрированные
патентные поверенные.
Как видно, А представляет собой обесцвечивающий уголь, а D — уголь для противогазов, в то время как B и C
являются промежуточными, но в каждом случае активность по поглощению йода и влаги более чем на 50%
выше, чем у стандартного Норита.
Следующий эксперимент показывает, что новый обесцвечивающий уголь на 50% активнее стандартного Norit
в отношении растворов мелассы, и фактически новые продукты с низкой кажущейся массой объема в два или
даже пять раз активнее, чем Norit.
К определенному раствору свекловичной мелассы концентрацией 25 грамм на литр, нейтрализованному
фенолфталеином с помощью H3PO4, следует добавить лучший коммерчески доступный хлорид цинка на
кубический сантиметр в количестве 350 миллиграммов на кубический сантиметр для удаления 95% цвета;
Norit (зарегистрированная торговая марка). 500 миллиграммов для удаления 95% цвета; новый уголь, от 60 до
125 миллиграммов для удаления 95% цвета.
Все образцы углеродного волокна были обработаны кислотой, промыты и высушены.
Новый углерод также наиболее подходит для проведения каталитических реакций.
Кроме того, установлено, что он очень устойчив к химическим реакциям и воздействиям, например, к
кипячению с концентрированной серной кислотой и сульфатом калия, или с сильной азотной кислотой,
плавлению с гидроксидом калия или серой и т. д.
В то время как большинство видов углерода разлагаются в результате такой обработки, и полученный уголь
практически полностью теряет свою адсорбционную способность, новый уголь выдерживает эти обработки в
течение достаточно длительного времени, например, 15 минут, без существенной потери адсорбционной
способности.
Кроме того, очень ценным свойством нового углерода является то, что его можно легко регенерировать
известными методами, например, путем сжигания, воздействия кислот, щелочей и других химических
реагентов и т. д.
Важно отметить, что новый углерод, полученный из таких материалов, как древесина, сохраняет четкую
волокнистую структуру, различимую при обычном микроскопическом увеличении. Эта структура обеспечивает
очень высокую фильтрующую способность.
Например, материал достаточно крупнозернистый. ПОЛНАЯ СПЕЦИФИКАЦИЯ.
Процесс производства активированного угля.
Я, Гарольд Эдвиф Поттс, магистр наук, дипломированный патентный поверенный, проживающий по адресу:
Черч-стрит, 12, Ливерпуль, графство Ланкастер, подданный короля Великобритании, настоящим заявляю о
характере данного изобретения и о способе его осуществления, которые будут подробно описаны и
установлены в следующем заявлении: 115
Данное изобретение относится к определенным процессам, в частности, к производству новых улучшенных
активированных углей. В последние несколько лет достигнуты значительные успехи в производстве и
использовании адсорбционных, абсорбционных, активных или обесцвечивающих углей, то есть углей,
обладающих более высокой адсорбционной способностью, чем обычный костный уголь или растительный
уголь, в отношении большинства красящих веществ в сахарных растворах. Для краткости мы будем называть
их «активированным углем».
Для производства активированного угля были предложены различные методы, и один из хорошо известных
процессов заключается в активации подходящего углеродсодержащего сырья с помощью тепла и
активирующего газа, такого как пар.
Другой способ получения активированного угля заключается в обработке подходящего сырья, например,
путем его растворения в концентрированном хлориде цинка или обработки другими жидкостями.
Были предложены и другие методы, но до сих пор было установлено, что свойства этих продуктов
значительно различаются. Например, продукт, полученный путем растворения сырья в хлориде цинка,
состоит из чрезмерно мелкодисперсных частиц, которые могут агломерироваться; он обладает высокой
адсорбционной способностью, но является очень плохим фильтрующим агентом, тогда как
газоактивированный продукт получается в более крупнозернистой форме, и при не слишком мелком
измельчении он является гораздо лучшим фильтрующим агентом, но, если он не измельчен очень мелко, он
не проявляет максимальной адсорбционной способности, а такое мелкое измельчение снижает его
фильтрующую активность. Следовательно, до настоящего времени было сложно создать один тип углерода,
который бы отвечал практически всем требованиям.
Одной из целей настоящего изобретения является получение так называемого «универсального углерода», то
есть углерода, который может быть использован практически для всех обычных целей с хорошими
результатами.
Дальнейшими целями изобретения являются создание новых углеродных материалов, обладающих
исключительными физическими и физико-химическими свойствами, как это определено ниже. «Процесс,
описанный в спецификации № 206862, предусматривает активацию углеродсодержащего материала при его
поддержании в состоянии флотации с помощью газа».
Согласно настоящему изобретению, мелкодисперсный материал подается в нагретое пространство и
поддерживается в состоянии флотации газом в процессе газовой активации, а удаление активированного
материала осуществляется за счет его меньшей кажущейся удельной плотности.
Изобретение включает в себя процесс, при котором углеродистый материал активируется газом таким
образом, что активированный материал имеет относительно низкую кажущуюся удельную плотность, которая
может быть даже меньше 0,10 (и может иметь реальную удельную плотность не менее 2), и удаление
активированного материала из неактивированного материала осуществляется за счет его более низкой
кажущейся удельной плотности. Примечательно, что, несмотря на более высокую истинную удельную
плотность активированного угля по сравнению с используемым сырьем, скорость оседания активированного
угля меньше из-за его более низкой кажущейся удельной плотности, поэтому его можно непрерывно
откачивать на более высоком уровне, в то время как необработанный продукт остается в обороте. При
желании более крупные комки материала можно удалить со дна.
Следующие два показательных примера демонстрируют предпочтительные условия для получения новых и
старых углеродных материалов.
ПРИМЕР 1.
В нижней части реторты высотой 1,5 метра, размерами 0,50 метра и 0,20 метра, большая часть которой
заполнена стержнями, обеспечивающими смещенные пути внутри реторты, подаются следующие
ингредиенты соответствующими способами: сырая нефть со скоростью 5 кг в час, сжигаемая внутри реторты в
присутствии достаточного количества воздуха для обеспечения хорошего сгорания, но без избытка
кислорода; пар, перегретый до 800 °C в таком количестве, чтобы он проходил через отверстие диаметром 2
мм при давлении 2 атмосферы; и тщательно перегнанный сухой сосновый древесный уголь в гранулах
диаметром около 1-2 мм со скоростью 6 кг в час. Температура составляет примерно 800-900 °C, и создается
тяга 6 м/мин. В результате будет производиться около 2 кг в час суперактивированного угля, обладающего
адсорбционной способностью, примерно в 3-5 раз превышающей таковую у угля, продававшегося в 1923 году
под зарегистрированной торговой маркой «Norit».
ExAMrPL 2.
В той же реторте помещают то же количество сырой нефти (110%) и тот же объем пара, но при температуре
600 °C.
Предусмотрены следующие условия. В процесс ежечасно подается 15 кг того же древесного угля в гранулах
размером 3-5 мм, температура в реторте составляет около 800 °C, а разрежение – 25 мм. Выход
активированного угля составит около 6 кг в час, адсорбционная способность которого практически равна
адсорбционной способности угля, продававшегося в 1923 году под зарегистрированной торговой маркой
«Norit».
Эти два примера иллюстрируют лишь количественные данные. Способ осуществления процесса активации
125 более подробно описан ниже.
Ниже более подробно описан конкретный тип аппарата для получения продукта228,582 11, однако мое
изобретение не ограничивается этим аппаратом, поскольку продукты, полученные в соответствии с моим
изобретением, считаются в целом новыми и могут быть получены другими способами в рамках процесса,
заявленного ниже.
Данная форма аппарата предпочтительно используется для производства описанных новых продуктов, но,
варьируя условия (например, увеличивая количество углеродсодержащего материала, природу и количество
активирующих газов, способ нагрева и температуру и т. д.), его можно использовать и для производства
продуктов с известной активностью.
В устройстве, изображенном на чертеже, приложенном к предварительной спецификации № 4529/24,
активируемый материал подается в процесс через бункер или контейнер 1, в котором предпочтительно
предварительно нагревается материал (предварительно перегнанный или нет), или в некоторых случаях
контейнер 1 может быть заменен ретортой для предварительной перегонки или карбонизации, в которой
сырье, такое как древесина, торф, бурый уголь или лигнит, или другие материалы растительного, животного
или минерального происхождения, могут подвергаться соответствующей перегонке или карбонизации. В
других случаях предпочтительнее сначала карбонизировать материал, затем измельчить его и подать в
активационную камеру способом, показанным на рисунке. Разумеется, в некоторых случаях будет возможно
подвергнуть сырье непосредственно процессу активации без предварительной дистилляции.
В нижней части контейнера 1 имеется нисходящий канал 2, ведущий в активационную камеру, и в этом канале
находится инжекторная трубка 3, взаимодействующая с активационной камерой и контролирующая ее подачу.
При желании подача материала может осуществляться механически.
Активирующая камера 4 имеет форму вертикальной реторты с конической нижней частью. В нижней части
прохода 2 расположено несколько подводящих газопроводов, а именно: труба 5, по которой подается
перегретый пар для активации, и трубы 6, 61, через которые в реторту подается горючая газовая смесь или
жидкое топливо для обеспечения необходимого внутреннего нагрева реторты. Для улучшения
суспензирования, обеспечения теплоснабжения и предотвращения чрезмерного окисления могут быть
добавлены горячие инертные газы.
Поток пара, выбрасываемого из трубы 5, и других газов будет регулироваться по скорости и количеству таким
образом, чтобы он вызывал суспендирование материала в камере активации 4 в течение периода времени,
достаточного для достижения желаемой активации (в зависимости от указанных факторов), и который
является относительно коротким, может составлять всего минуту или даже меньше, при этом частицы
углерода, будучи достаточно активированными, уносятся выходящим потоком газа. Смесь активированного
угля и газов удаляется через выходное отверстие 7, ведущее в разделительные камеры 8 и 9, в которых
происходит разделение активированного угля и газов, при этом осевший активированный уголь отводится в
контейнеры 10 и 11, а газы удаляются путем отсоса с помощью вытяжного вентилятора 12, проходящего
через пылеулавливающее и очистное устройство 13.
Следует понимать, что разделительный аппарат представлен лишь схематически, поскольку очевидно, что
его можно изменять различными способами, не выходя за рамки сущности изобретения.
Одной из особенностей аппарата, подходящего для данного изобретения, является наличие в активирующей
камере 4 средств, обеспечивающих тщательный, плотный и прочный контакт активирующих газов с
активируемым материалом в течение достаточного периода времени. Желательно не только обеспечить
тщательное перемешивание материала и газов, но и, что еще более важно, чтобы углеродистые частицы при
попадании в реторту немедленно нагревались до высокой температуры 100°C, необходимой для активации, и
чтобы тепло подавалось быстро во время активации.
Из-за очень плохой теплопроводности углерода в каждом процессе активации возникают трудности с
обеспечением равномерного и быстрого нагрева материала до температуры активации.
Для вышеуказанной цели активирующая камера 110 4 может быть снабжена средствами, препятствующими
прохождению материала, обеспечивающими плотный контакт и перемешивание, а также гарантирующими
хорошую передачу тепла от продуктов сгорания 115 к материалу. Для увеличения количества тепла,
излучаемого частицами, могут быть предусмотрены поверхности, которые могут быть образованы с помощью
упомянутых препятствующих средств. Подобные поверхности, излучающие тепло, не являются частью
настоящего изобретения в том виде, в котором они заявлены в спецификации № 228812.
Хотя новые виды угля можно производить без использования перегородок в камере 125, в этом случае
необходимо более точно регулировать поток газа, поскольку его колебания с большей вероятностью приведут
к изменению качества активированного угля.
С этой целью активационная камера 130 228,582 12.............
4 может быть заполнен перегородками 14, расположенными поперечно горизонтальными слоями таким
образом, что стержни последовательных слоев смещены, так что проход между двумя стержнями всегда
отклоняется стержнем следующего слоя. Стержни изготовлены из подходящего жаростойкого материала,
такого как кремнезем, огнеупорная глина или магнезия, и нагреваются до температуры активации, благодаря
чему они эффективно и быстро нагревают материал.
Именно в промежутках между этими стержнями в основном и происходит процесс активации, при этом поток
газов течет вверх, а активируемый материал уносится вместе с газами, двигаясь вверх против силы тяжести.
В процессе этого движения происходит активация, и наблюдается своего рода осаждение материала,
поскольку частицы углерода поднимаются вверх тем быстрее, чем меньше их объемная масса. Таким
образом, только частицы с меньшей объемной массой, а именно высокоактивированные частицы углерода,
могут достичь верхней части камеры активации и быть удалены вместе с выходящими газами.
Вместо использования стержней можно создать зигзагообразный или подобный путь другим удобным
способом, например, с помощью кусков кварца или подобных теплоизоляционных материалов.
Вместо внутреннего нагрева с помощью сжигания газов или в дополнение к нему можно использовать жидкое
топливо, бензол, сырую нефть, нефтепродукты и т. д., или любой другой источник внутреннего или внешнего
тепла, например, стержни можно заменить трубами, нагреваемыми изнутри.
Реторта или стержни могут нагреваться электрическим током изнутри или снаружи.
Описанное выше устройство приведено лишь в качестве примера, чтобы показать, как изобретение может
быть реализовано на практике, но очевидно, что изобретение не ограничивается таким устройством.
Такие параметры, как природа сырья, температура, количество и давление активирующего газа (например,
пара), добавки инертного газа, скорость потока газа, применяемое всасывание или тяга и т. д., должны быть
тщательно отрегулированы, чтобы процесс можно было проводить в течение необходимого времени и в
надлежащих условиях для получения новых продуктов.
Условия также могут быть выбраны таким образом, чтобы получить углерод известных типов с истинной
удельной плотностью около 1,8.
Материал следует мелко измельчить.
В качестве примера могу привести результаты, полученные с фрагментами размером 2-5 мкм, но можно
использовать и порошок, хотя в этом случае его сложнее отделить от газа. Оптимальный размер зависит от
плотности. В более крупных фрагментах можно использовать легкий материал. Для производства
активированного угля для адсорбции газов обычно предпочтительнее использовать сырье высокой плотности,
и в этом случае кажущаяся удельная плотность готового угля может быть выше, чем при использовании
более легкого органического вещества для получения продуктов, пригодных для обработки жидкостей. В
любом случае, сырье должно обладать определенной пористостью, чтобы быть пригодным для активации.
Низкое содержание золы обычно желательно; высокое содержание золы или неорганические добавки, как
правило, разрушают волокнистую или клеточную структуру древесины или косточек плодов, например.
Природа золы имеет важное значение, например, ввиду опасности образования шлака на перегородках.
Температура в реторте варьируется в зависимости от природы используемого газа, но в целом желательно
использовать высокие температуры. Излучение тепла очень полезно, поскольку важно не только быстро
нагревать частицы, но и быстро подводить тепло во время активации.
Поэтому в каждом конкретном цикле необходимо тщательно контролировать переменные, тщательно
проверяя мелкодисперсный активированный уголь, который оседает на 95% от отводимых газов.
Настоящее изобретение исключает возможность получения полностью и практически равномерно
активированного продукта посредством чрезвычайно кратковременного воздействия активирующего газа на
углеродсодержащий материал. Благодаря правильному выбору условий обработки, изобретение позволяет
производить совершенно новый, высококачественный активированный уголь, 105 отдельных частиц которого
образуют каркас из практически чистого углерода, который при использовании древесины будет иметь
микроскопическую волокнистую структуру. Иными словами, можно получить углерод, обладающий
свойствами или комбинацией свойств, ранее не присущих активированным углям, полученным известными
методами.
Новый активированный уголь обладает настолько поразительными свойствами, что считается совершенно
новым физическим продуктом; вот некоторые из его отличительных особенностей:
Активированный уголь для обесцвечивания, изготовленный из пористого сырья, такого как сосновая
древесина, который до сих пор производился путем воздействия тепла и газов на углеродсодержащие
материалы, даже в наилучшем качестве после промывки кислотой и сушки, содержит около 96–97% углерода,
рассчитанного без учета влаги и золы, и около 2% золы, и имеет удельную плотность от 1,7 до 1,9
(определенную в эфире с удельной плотностью 0,721 при 20 °C) и кажущуюся удельную плотность или
объемную плотность от 0,2 до 0,3, определенную на воздухе путем постукивания по градуированному сосуду,
содержащему известное количество измельченного угля настолько мелкого помола, что большая его часть
проходит через сито с размером ячейки 200 нитей на линейный дюйм. Углерод, полученный методом хлорида
цинка, имеет содержание углерода 88%, содержание золы около 2%, истинную плотность от 1,6 до 1,7 и
кажущуюся объемную массу от 0,2 до 0,3.
Новый уголь для обесцвечивания, согласно настоящему изобретению, после выщелачивания кислотой и
сушки содержит около 98–99% углерода и более, а также от 0,2 до 1% золы и имеет истинную удельную
плотность от 2,0 до 2,2 или более (чистый уголь = 2,35) с кажущейся объемной массой около 0,1 или менее (в
некоторых случаях менее 0,06).
Таким образом, новый материал, состоящий практически из чистого углерода, обладает ранее недостижимо
высокой истинной удельной плотностью в сочетании с чрезвычайно низким кажущимся объемным весом.
Вероятно, именно такое сочетание свойств объясняет поразительно высокую и почти универсальную
адсорбционную способность, которая, в том числе и для газов, в несколько раз превышает адсорбционную
способность различных известных в данной области активированных углей.
Высокая активность подтверждается также значительным выделением тепла в процессе адсорбции. Для
активированного угля, полученного известными на сегодняшний день процессами, как газовой, так и
химической активацией, теплота адсорбции или смачивания (т.е. количество калорий, выделяемых 1 г
углерода при 15 °C при смешивании с жидкостью) для бензола C616 составляет около 20 кал., а в некоторых
случаях от 20 до 30 кал. Углерод, не подвергавшийся искусственной активации, например, обычный
древесный уголь, имеет гораздо более низкую теплоту адсорбции, например, от 7 до 10 кал.
Напротив, теплота адсорбции для нового углерода составляет примерно 40–50 калорий на грамм или даже
больше.
При абсолютно одинаковых условиях и в процессе активации более плотное сырье позволяет получить
активированный уголь с большей удельной массой, чем более легкое или менее плотное сырье.
Определяется объемная масса измельченного активированного угля, прошедшего через сито с плотностью
200 волокон на линейный дюйм.
Разница в объемной массе активированного угля, полученного из плотного сырья по сравнению с более
легким или менее плотным сырьем, даже если оба вида угля активированы до одинаковой степени активности
в отношении адсорбции веществ из реального раствора, таких как йод, например, заключается во
соотношении микро- и макропор в активированном угле (и в сырье). Однако, начиная с того же плотного сырья
(70%), можно активировать его в таких условиях (избыток активирующего газа при высокой температуре,
более длительный контакт и т. д.), чтобы получить активированный уголь, который легче или менее плотный
(имеющий меньший объем).
Вероятно, из-за высокой плотности эти углеродные материалы, даже активированные до одинаковой степени
активности, обычно не очень хорошо подходят для адсорбции коллоидных или полуколлоидных веществ, а
также высокомолекулярных веществ из растворов. Однако они, как правило, лучше подходят для адсорбции
из газовой фазы (газовая адсорбция).
Вероятно, капиллярная адсорбция в микропорах в значительной степени является причиной или способствует
этому явлению.
Известный адсорбционный уголь для газов, изготовленный из плотного материала, например, антрацита или
скорлупы кокосового ореха, в гранулах, просеянных через сито с размером ячейки 90 мкм (8-10 нитей на
линейный дюйм), имеет истинную удельную плотность от 1,6 до 2,0 согласно литературным данным, но при
измельчении этого продукта и определении его удельной плотности в эфире она оказывается существенно
ниже.
Соседние файлы в папке патенты