ES2620420T3 - Proceso para la preparación de carbón activado químicamente - Google Patents

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Michael Rodgers
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Abstract

Proceso para producir un carbón activado químicamente, proceso que comprende las etapas de: proporcionar un material de partida en la forma de una mezcla de partículas de madera, materiales vegetales carbonosos triturados seleccionados de grano, semilla de fruto o material de cáscara y opcionalmente aglutinantes, en donde la relación en peso de las partículas de madera con el material vegetal carbonoso triturado en dicha mezcla está entre 10-90 y 90-10; mezcla de dicho material de partida con un agente de activación química seleccionado entre ácido fosfórico y cloruro de zinc, para impregnar las partículas con dicho agente de activación química; conformar dicha mezcla; someter dicha mezcla conformada a un tratamiento térmico, que comprende calentar la mezcla conformada para eliminar el agua y otros constituyentes volátiles presentes para consolidar la naturaleza granular; y carbonizar las partículas tratadas, preferiblemente a una temperatura de 350ºC a 700ºC.

Description

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DESCRIPCION
Proceso para la preparacion de carbon activado qmmicamente
La presente invencion se refiere a metodos para preparar carbon activado. En particular, esta invencion se refiere a nuevos carbonos utiles en la adsorcion de vapor ya metodos para la produccion de carbones utiles en la adsorcion de vapor. Mas particularmente, esta invencion se refiere al carbon activado derivado de material carbonoso preparado por conformacion y activacion qmmica para producir carbon de alta densidad, baja cafda de presion, alta dureza, bajo desgaste y alta actividad.
El carbon activado es una forma microcristalina, no grafftica de carbon que ha sido procesada para aumentar la porosidad interna. Los carbones activados se caracterizan por una gran area superficial espedfica por lo general en el intervalo de 400 a 2500 m2/g, lo que permite su uso industrial en la purificacion de lfquidos y gases por adsorcion de gases y vapores de gases y de sustancias disueltas o dispersadas a partir de lfquidos. Las calidades comerciales de carbon activado se designan como adsorbentes ya sea en fase gaseosa o en fase lfquida. Los carbones en fase lfquida generalmente pueden ser pulverulentos, granulares o conformados y los carbones adsorbentes en fase gaseosa son granulos duros o pellas conformadas duras, relativamente sin polvo.
El carbon activado es ampliamente utilizado en la industria en la purificacion de lfquidos y gases. Por ejemplo, un gas que se va a purificar se hace pasar a traves de un lecho de carbon activado granular. A medida que el gas pasa a traves del lecho de carbon activado, las moleculas de impurezas en el gas son adsorbidas sobre la superficie del carbon activado.
El carbon activado tambien se utiliza en la industria para el almacenamiento y recuperacion de componentes valiosos. Por ejemplo, se hace pasar un gas con un componente valioso a traves de un lecho de carbon activado granular. Cuando el lecho se ha saturado, el componente adsorbido se recupera por desorcion utilizando un gas portador que pasa contra corriente a traves del lecho de carbon activado o disminuyendo la presion.
El area superficial disponible de carbon activado depende de su volumen de poro. Dado que el area superficial por unidad de volumen disminuye a medida que aumenta el tamano de poro individual, se maximiza el area superficial grande maximizando el numero de poros de dimensiones muy pequenas y/o minimizando el numero de poros de dimensiones muy grandes. Los tamanos de poro son definidos por la International Union of Pure and Applied Chemistry como microporos (anchura de poro <2 nm), mesoporos (anchura de poro de 2-50 nm) y macroporos (anchura de poro >50 nm). Los microporos y los mesoporos contribuyen a la capacidad de adsorcion del carbon activado; mientras que los macroporos reducen la densidad y pueden ser perjudiciales para la eficacia adsorbente del carbon activado, sobre una base de volumen de carbon.
La capacidad de adsorcion y la velocidad de adsorcion dependen en gran medida del area superficial interna y de la distribucion del tamano de poro en relacion con las dimensiones del adsorbato a eliminar. Para la purificacion, la capacidad de adsorcion y la velocidad de adsorcion deben ser lo mas altas posible. Los carbones convencionales basados en lignocelulosa activados qmmicamente presentan generalmente mas mesoporosidad que el carbon activado con vapor. Por otra parte, el carbon activado con vapor (por lo general, gas) generalmente presenta mas microporosidad.
La velocidad de desorcion de un carbon activado depende en gran medida del area superficial interna y de la distribucion del tamano de poro. Para la adsorcion pura se alcanza una capacidad de adsorcion optima maximizando el numero de poros con dimensiones lo suficientemente grandes como para encerrar las moleculas de adsorbato a eliminar. Un ajuste optimo entre la dimension del adsorbato y la dimension de los poros aumenta no solo la capacidad de adsorcion, sino que tambien aumenta las fuerzas ffsicas de adsorcion, evitando la desorcion. Sin embargo, para la recuperacion de los componentes, se desean formas de adsorcion tan bajas como sea posible para mejorar el proceso de desorcion. Por lo tanto, para la recuperacion de componentes, la distribucion del tamano optimo de los poros es un compromiso entre los poros que da una alta capacidad de adsorcion inicial y poros que dan una adsorcion de reposo bajo como una consecuencia de una alta capacidad de desorcion.
Se han comercializado diferentes aplicaciones relativas a la recuperacion de componentes de lfquidos y gases. Una de las aplicaciones es la recuperacion de vapor de combustible del tanque de combustible en automoviles en dispositivos de control de perdidas por evaporacion (ELCD) para evitar la emision de vapor de combustible al medio ambiente. En esta aplicacion, el vapor de combustible emitido desde el deposito de combustible se adsorbe sobre carbon activado durante la conduccion a baja velocidad y durante el estacionamiento. El vapor de gasolina adsorbido es desorbido contra corriente (purgado) durante la conduccion a mayor velocidad y aerodinamico al motor y quemado. Al desorber la capacidad de adsorcion de vapor de gasolina adsorbida, vuelve a estar disponible nuevamente para el siguiente ciclo de conduccion lento y estacionamiento. La capacidad de adsorcion disponible despues de la purga se denomina "capacidad de trabajo". Otras aplicaciones de recuperacion conocidas son la recuperacion de vapores de depositos de almacenamiento de combustible y filtros usados para la adsorcion de vapores durante el reabastecimiento a bordo.
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Para la aplicacion ELCD se utiliza butano como componente del modelo y se especifica el carbon en la capacidad de trabajo del butano (BWC). Mediante la desorcion de la contra corriente de la gasolina a la direccion de adsorcion, el sitio de salida del filtro tiene la adsorcion de reposo mas baja de todo el filtro minimizando la emision desde la salida durante el siguiente ciclo de adsorcion. Esta emision tambien se conoce como "sangrado".
Para la aplicacion en fase gaseosa, tambien es importante la cafda de presion, la dureza y el desgaste, junto a la distribucion optima del tamano de los poros. La cafda de presion debe ser tan baja como sea posible. La cafda de presion disminuye a medida que aumenta el tamano de partfcula. Sin embargo, la velocidad de adsorcion y la velocidad de desorcion disminuyen a medida que aumenta el tamano de partfcula. Si es deseable una alta tasa de adsorcion y desorcion, es necesario un compromiso. Una dureza alta y un desgaste bajo son necesarias para prevenir el deterioro del adsorbente de carbon durante una estancia de muchos anos en un filtro, especialmente en aplicaciones de recuperacion. Los carbones conformados como extrudidos se pueden producir con un diametro optimo y una alta dureza y un desgaste bajo
El carbon activado comercial generalmente se ha fabricado a partir de material de origen vegetal, tal como madera (madera dura y madera blanda), mazorcas de mafz, algas marinas, granos de cafe, cascaras de arroz, huesos de fruta, cascaras de nuez, por ejemplo, de coco y desechos como el bagazo y la lignina. El carbon activado tambien se ha hecho de turba, lignito, carbones blandos y duros, alquitranes y brea, asfalto, residuos de petroleo y negro de carbon.
La activacion de la materia prima se realiza por uno de dos procesos distintos: 1) activacion qrnmica, o (2) activacion de gas. Para la produccion a gran escala, el vapor se usa normalmente como gas en la activacion de gas. La porosidad efectiva del carbon activado producido por activacion con vapor es el resultado de la gasificacion del carbon a temperaturas relativamente altas (despues de una carbonizacion inicial de la materia prima), pero la porosidad de los productos qmmicamente activados generalmente se crea mediante reacciones de deshidratacion/condensacion qrnmica que se producen a temperaturas significativamente inferiores.
La activacion qrnmica por lo general se lleva a cabo comercialmente por impregnacion del precursor del material carbonoso con un agente de activacion qrnmica, y la mezcla se calienta a una temperatura de 350°C-700°C. Los agentes de activacion qrnmica reducen la formacion de alquitran y otros subproductos, aumentando asf el rendimiento.
La activacion qrnmica del carbon solo es posible para los materiales carbonicos que tienen suficiente contenido de oxfgeno e hidrogeno, es decir, al menos 25% (atomo) de oxfgeno y 5% de hidrogeno. Esto significa que los materiales de carbon regulares no pueden ser activados qmmicamente en cualquier medida util.
En DE 4416576 C se describe un proceso para preparar carbon activo globular, en donde se forma una mezcla de materia prima carbonosa, carbon, celulosa, una mezcla de sales que contiene al menos una sal de litio y un aglutinante de resina auto endurecible en globulos, seguido por endurecimiento y carbonizacion. No se produce ninguna activacion qrnmica en este proceso. Ademas, se utilizan aqm componentes no deseados que no anaden a las propiedades utiles del carbon activado de la invencion, tales como carbon graso o aglutinante de resina.
El carbon activado qmmicamente, en virtud de sus materias primas y proceso de fabricacion, tiende a ser de baja densidad con una estructura de mesoporo altamente desarrollada, opcionalmente combinada con una estructura de microporos grandes desarrollados. Para los procesos procesos de recuperacion en fase gaseosa es importante una alta capacidad de adsorcion combinada con una velocidad de desorcion rapida y una alta capacidad de desorcion, para lo cual se requiere una gran estructura de microporos altamente desarrolla. La estructura de microporos altamente desarrollada es una caractenstica deseable, mientras que la baja densidad es una desventaja de cualquier forma granular de carbono activado qmmicamente. El exito de cualquier proceso para fabricar carbon granular qmmicamente activado esta dictado por su capacidad para combinar la retencion de la naturaleza microporosa y mesoporosa con el desarrollo de una alta densidad por minimizacion de la macroporosidad, lo que no contribuye a la eficacia adsorbente.
Por lo tanto, la estructura de poros del carbon con su area superficial inherente es de suma importancia para determinar la eficacia del carbon activado como un adsorbente.
Sin embargo, en el caso del carbon activado granular, la densidad es tambien una caractenstica importante de la eficacia del adsorbente, ya que la aplicacion de carbon activado granular esta invariablemente en forma de un lecho estatico de tamano volumetrico fijo.
El metodo normal utilizado para determinar el rendimiento de un carbon activado granular para purificacion es el peso de material que puede adsorber, por unidad de volumen de carbon activado hasta la ruptura. Para la recuperacion es importante determinar el peso del material que puede desorber por unidad de volumen de carbon activado.
Este ensayo se lleva a cabo normalmente colocando un volumen de carbon activado en un tubo U estandar y haciendo pasar un vapor a traves del lecho de carbon activado seguido opcionalmente por desorcion del material adsorbido.
El carbon se pesa antes y despues de este proceso y la diferencia proporciona el peso de la sustancia adsorbida o desorbida por el carbon.
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La materia prima normalmente utilizada en la produccion de carbon activado qmmicamente es un material vegetal carbonoso tal como madera que se ha molido a un tamano de partfcula de aproximadamente 2-5 mm. El carbon activado cuando se produce es molido generalmente en forma de polvo para su uso en la purificacion lfquida. Para el uso en la purificacion de gases, el carbon activado puede ser molido (por ejemplo, malla 10*35) o el carbon activado puede conformarse en pellas de diversos tamanos, opcionalmente utilizando un aglutinante antes o despues de la activacion. Los carbones conformados y especialmente los extrudidos muestran una baja cafda de presion, una alta dureza y un desgaste bajo
En US 4,677,086 se ha descrito la union de carbon activado en materiales extrudidos utilizando un aglutinante inorganico. En el metodo descrito, es necesario una etapa separada para producir productos extrudidos. Los carbones activados producidos de esta manera han sido limitados en BWC.
En EP-A 557 208 tambien se ha descrito un proceso de activacion qmmica de un material granular utilizando madera como material de partida. De acuerdo con este proceso, el polvo de madera se mezcla con acido fosforico. Despues de mezclar la plastificacion tiene lugar durante el calentamiento a la temperatura de activacion. Por regulacion el perfil de temperatura, se produce una plastificacion adicional. Este documento describe metodos para manipular y utilizar la plastificacion para aumentar el rendimiento del producto (mayor capacidad de trabajo de butano, BWC). La plastificacion se lleva a cabo en una etapa separada. Despues de la plastificacion, el material se forma por ejemplo por esferonizacion o por extrusion. Para la extrusion se muele el material plastificado. El material debe ser lo suficientemente "blando" para conformacion como extrusion. Despues de la conformacion el material se activa.
En US 5,538,932 se adiciona un aglutinante activable antes de la extrusion y activacion para producir un carbon activado con mayor dureza e integridad ffsica.
En EP-A 423 967 se describe un proceso para producir carbon activado directamente mediante la activacion qmmica de un material granular conformado que contiene una materia prima vegetal de alta lignina. De acuerdo con este proceso, la materia prima vegetal molida, tal como polvo de semilla de aceituna se mezcla con acido fosforico, conformado por extrusion, secado y activacion.
Los carbones de fase gaseosa de la tecnica anterior descritos en US 4,677,086 y EP-A 423 967 han sido satisfactorios para volumenes limitados de vapores emitidos desde el deposito de combustible. Debido a las inminentes regulaciones ambientales que requieren la captura de mayores cantidades de emisiones de vapor de combustible, se preve que el volumen de estos vapores adicionales, combinado con las limitaciones de espacio y las consideraciones economicas que limitan la expansion del tamano de los sistemas de envase, necesitaran carbones activos con densidades superiores, actividades superiores y capacidades de trabajo volumetricas superiores que las reveladas por esta tecnica anterior.
Las regulaciones ambientales inminentes requieren la captura de mayores cantidades de vapor de combustible dando emisiones mas bajas como consecuencia de la ruptura en combinacion con una emision mas baja como consecuencia del sangrado del vapor de combustible del carbon en el punto de salida del filtro despues de la purga. Las propiedades del carbon que dan un sangrado mas bajo tambien muestran un menor envejecimiento. Un menor envejecimiento tiene como consecuencia una vida util mas larga del filtro de carbon, lo cual es importante para asegurar que cumplan los requisitos de emision tambien despues de conducir 100.000 millas o mas.
Los carbones de fase gaseosa de la tecnica anterior descritos en EP-A 557 208 y US 5,538,932 se producen satisfactoriamente para grandes volumenes de vapores emitidos desde el deposito de combustible. La captura de grandes volumenes ha sido a costa del sangrado que produce un vapor de emision mas alto del carbon en el punto de salida del filtro despues de la purga.
Los carbones de fase gaseosa de la tecnica anterior descritos en US 4,677,086, EP-A 557 208 y US 5,538,932 se producen de acuerdo con procesos extensivos de etapas multiples que hacen que el proceso de produccion para estos carbonos sea costoso. En US 4,677,086 se produce un carbon activado de acuerdo con un proceso aplicado para la produccion de polvos o carbones quebrados. El carbon activado en polvo se une con un aglutinante y se trata termicamente a alta temperatura. En EP-A 557 208 y US 5,538,932 se tiene que llevar a cabo una etapa de plastificacion separada despues de mezclar la materia prima con acido fosforico antes de dar forma al secado y activacion.
Los carbones de fase gaseosa de la tecnica anterior descritos en EP-A 423 967 se producen de acuerdo con un proceso de etapas limitados haciendo que el proceso de produccion de estos carbonos sea menos costoso. Despues de mezclar la materia prima con acido fosforico, se conforma el material mezclado, seguido directamente por secado y activacion.
Para que se pueda practicar, la forma de los extrudidos tiene que permanecer intacta durante todas las etapas del proceso despues de la extrusion y no sudar el acido fosforico, pegando las partfculas juntas formando grumos grandes, que son diffciles de activar. Los grumos grandes no son adecuados para procesos en fase gaseosa debido a una disminucion de la cinetica, causada por el area superficial externa baja de las partfculas y por una gran fraccion de huecos, provocando una baja densidad y flujos de fugas como consecuencia de la forma irregular. Este fenomeno
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dificulta el uso de la madera en estos procesos. El uso de un agente menos activante en relacion con la materia prima vegetal no es posible debido a la capacidad de extrusion de la mezcla. Por lo tanto, la relacion materia prima/agente activador no es flexible para ajustar y esto limita la optimizacion del producto y la capacidad del proceso.
Existe necesidad de carbones activados mejorados adicionalmente, especialmente con respecto al sangrado de vapores organicos, capacidad, caractensticas de envejecimiento, procesabilidad, flexibilidad y rendimiento.
La invencion se basa en el hallazgo sorprendente de que el uso de una combinacion de partfculas de madera, por una parte, y, por otra parte, un material vegetal joven, tal como cascaras y granos, da como resultado una mejora sinergica de una serie de las propiedades del carbon activado.
Esta solicitud describe un carbon activado qmmicamente, basado en una combinacion de partfculas de madera y material vegetal carbonoso triturado seleccionado entre el material de granos o cascaras, en una relacion en peso entre 10-90 a 90-10, preferiblemente entre 15-85 y 90-10, que ademas opcionalmente contiene un aglutinante, habiendose activado qmmicamente dicho carbon utilizando acido fosforico o cloruro de cinc.
El aglutinante esta preferiblemente presente en una concentracion de hasta 35% en peso, basado en el peso de dicha combinacion de partfculas de madera y material vegetal carbonoso triturado mas aglutinante. Si esta presente, la concentracion preferiblemente es de al menos 5% en peso, basado en el peso de dicha combinacion de partfculas de madera y material vegetal carbonoso triturado mas aglutinante.
La invencion se refiere a un proceso de produccion de este carbon activado qmmicamente. Este proceso para producir un carbon activado qmmicamente comprende las etapas de: proporcionar un material de partida en forma de una mezcla de partfculas de madera y material vegetal carbonoso triturado a partir de material de grano y material vegetal carbonoso triturado a partir de material de cascara y opcionalmente un aglutinante, en donde la relacion en peso de las partfculas de madera al material vegetal carbonoso triturado en dicha mezcla esta entre 10-90 y 90-10; mezclar dicho material de partida con un agente de activacion qmmica, seleccionado entre acido fosforico y cloruro de zinc, para impregnar las partfculas con el agente de activacion qmmica; pelletizar (conformar) dicha mezcla que comprende el agente de activacion qmmica; someter dicha mezcla conformada a un tratamiento termico, que comprende calentar la mezcla conformada para eliminar el agua y otros constituyentes volatiles presentes para consolidar la naturaleza granular; y carbonizar las partfculas tratadas, preferiblemente a una temperatura desde 350 a 700°C, en particular de 400 a 650°C. No es necesario una etapa de plastificacion previa al tratamiento termico separado antes de la conformacion.
La relacion en peso de partfculas de madera con el material vegetal carbonoso triturado esta usualmente entre 10-90 a 90-10.
Si esta presente, la concentracion del aglutinante es usualmente hasta 35% en peso, basado en el peso total antes de la activacion, preferiblemente 5-35% en peso. Como material aglutinante se utiliza preferiblemente un aglutinante activable, tal como compuestos de lignina o de lignina.
Tal metodo para preparar carbon activado de acuerdo con la invencion es particularmente adecuado para preparar carbon activado.
La invencion se refiere ademas al uso de un carbon activado tal como se produce de acuerdo con la invencion, en un dispositivo de control de perdidas por evaporacion.
Sorprendentemente, se ha encontrado que la invencion proporciona una forma de obtener carbon activado qmmicamente de una manera sencilla, utilizando la madera como materia prima combinada con un material vegetal carbonoso triturado o un aglutinante, manteniendo al mismo tiempo una buena capacidad de trabajo, y mejorar la estabilidad de la forma (baja tendencia de las pellas a pegarse juntas) en comparacion con un proceso comparable en donde el carbon activado se prepara a partir de solo material de madera.
Sorprendentemente, se ha encontrado que el uso combinado de partfculas de madera y material vegetal carbonoso triturado o aglutinante da como resultado un carbon activado mejorado, mas en particular con respecto a las propiedades de adsorcion, tales como capacidad de trabajo y procesamiento en partfculas finales para uso en diversos procesos, mas en particular en dispositivos para reducir la emision de vapor de los vehfculos (dispositivos de control de perdidas por evaporacion). En particular, el uso de una combinacion de partfculas de madera y material vegetal carbonoso triturado, mas opcionalmente aglutinante, puede incluso proporcionar un efecto sinergico con respecto a la capacidad de trabajo.
Mas en particular, se ha encontrado que el aumento de la cantidad de partfculas de madera en la mezcla con material de semilla o grano triturado, da como resultado una gran mejora de las propiedades, manteniendose esta mejora en todo el intervalo de la relacion en la mezcla.
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Otra ventaja reside en el aumento de la flexibilidad en la seleccion de los materiales de partida, lo que hace posible, al tiempo que se mantienen las buenas propiedades del producto, seleccionar la combinacion de materiales mas barata, dependiendo de la situacion del mercado.
Una propiedad importante del carbon activado de la invencion es la medida de sangrado y envejecimiento, que se determina sobre la base de la capacidad para retener el butano. El valor de la misma es preferiblemente inferior a 7.5 g/100 g, segun se determina de acuerdo con ASTM D5228.
Las materias primas utilizadas en la produccion de carbon activado qmmicamente de la invencion son, por una parte, madera. Preferiblemente, las partfculas de madera se seleccionan de astillas de madera, polvo de aserrrn y harina de madera.
Por otra parte, la cascara de nuez, semilla de fruta y grano, y en particular, semilla de aceituna, cascara de almendra y cascara de coco son especialmente utiles como el segundo componente de la mezcla. Estos materiales tambien se utilizan preferiblemente en forma triturada, como virutas o harina.
El tamano de partfcula de la madera y otras partfculas se pueden seleccionar dentro de intervalos amplios.
En particular, el tamano de partfcula de los materiales vegetales triturados se puede caracterizar por un maximo del 5% en peso que tiene un tamano inferior a 1 |im y al menos un 95% en peso que tiene un tamano inferior a 750 |im. Mas en particular, como maximo, el 5% en peso puede tener un tamano inferior a 1 |im y al menos el 95% en peso tiene un tamano inferior a 500 |im.
En particular, el tamano de partfcula de los materiales de partfculas de madera se puede caracterizar por un maximo del 5% en peso que tiene un tamano inferior a 1 |im y al menos un 95% en peso que tiene un tamano inferior a 750 |im. Mas en particular, como maximo, el 5% en peso puede tener un tamano inferior a 1 |im y al menos el 95% en peso tiene un tamano inferior a 500 |im.
Para la mezcla, los tamanos de las partfculas se eligen preferiblemente para proporcionar una alta densidad y buenas propiedades de procesamiento, en particular con respecto al bajo encogimiento por plastificacion.
Las partfculas se mezclan con el agente de activacion qmmica, preferiblemente como una solucion acuosa. Este agente se basa en acido fosforico o cloruro de zinc, preferiblemente acido fosforico. El acido fosforico preferido es un acido ortofosforico acuoso al 50-86%, por ejemplo, un acido ortofosforico acuoso al 60-80%. El agente de activacion qmmica no contiene sales de litio.
El agente de activacion qmmica se adiciona a la combinacion de partfculas de madera y material vegetal carbonoso triturado en una relacion en peso de entre 1:1 y 3:1, respectivamente, y preferiblemente una relacion de entre 1.5: 1 y 2.2: 1.
Se debe observar que la mezcla preferiblemente consiste unicamente en las partfculas de madera, material vegetal carbonoso triturado seleccionado entre material de granos o cascaras, en una relacion en peso de entre 10-90 a 90-10, aglutinante, agente de activacion qmmica, agua y aglutinante opcional.
La mezcla se conforma especialmente por extrusion para obtener extrudidos duros y que se pueden procesar con diametros entre 1.5 y 5 mm.
A continuacion, preferiblemente, la mezcla se calienta para plastificar el material de madera dentro de los extrudidos, mientras que el material vegetal actua como una plantilla que evita la exudacion. Este calentamiento es preferible a una temperatura final de entre 100 y 200°C, en particular durante una duracion de entre 10 y 50 minutos. Durante este tratamiento el material se plastifica y se seca. Posteriormente se carboniza a una temperatura apropiada para esto, tal como una temperatura de entre 350 y 700°C.
Despues de la activacion, el carbon activado preparado de acuerdo con el metodo de la presente invencion es muy duro con un desgaste bajo y con una baja cafda de presion
El carbon activado preparado de acuerdo con el metodo de la presente invencion es especialmente adecuado para uso en procesos de adsorcion, mas en particular aquellos procesos en donde se tiene que obtener una alta capacidad de adsorcion dentro de un volumen relativamente pequeno. Debido a la mayor capacidad por volumen, el material se puede utilizar para mejorar los procesos de adsorcion.
Una realizacion especialmente importante es el uso en dispositivos de control de perdidas por evaporacion, por ejemplo, como se describe en las Patentes de los Estados Unidos 6,866,699 y 6,540,815. Una realizacion muy interesante de la presente invencion reside en que el carbon se utiliza por una parte como un extrudido en la primera etapa del dispositivo de acuerdo con la primera patente y a continuacion, en forma de un monolito en la segunda etapa de la misma.
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20
25
La invencion se ha elucidado ahora sobre la base de los siguientes ejemplos no limitativos.
Ejemplos Ejemplo 1
A escala de laboratorio, se mezclo materia prima vegetal (VM), que tiene un intervalo de tamano de partfcula 5% en peso <10 |im y 95% en peso <500 |im en diversas proporciones con materia prima de madera (WM), que tiene un intervalo de tamano de partfcula de 5% en peso <10 |im y 95% en peso <500 |im. Se adiciono una solucion acuosa de acido fosforico (PA) al 65% en una relacion de 1:1.4 hasta 1:2.1 dependiente de los usos de la materia prima. La mezcla se mezclo, seguida por extrusion. Los extrudidos consistentes en VM, WM y acido fosforico se calentaron a 150°C, durante 35 minutos, seguido de carbonizacion
Durante la carbonizacion a 430°C hasta 470°C, durante 20 minutos, la mezcla se activa. Despues de la carbonizacion, el carbon se lava para recuperar el acido fosforico. Como VM se ha utilizado la harina de semilla de aceituna (OSF) o la harina de cascara de coco (CSF). Como WM se ha utilizado harina de madera blanda (SWF), harina de madera dura (HWF) y harina de madera residual (WWF). Para que sea factible, la forma de los extrudidos tiene que estar intacta durante todas las etapas del proceso despues de la extrusion y no pegarse juntas formando grumos grandes, que son bastante diffciles de activar. Los grumos grandes no son adecuados para procesos en fase gaseosa debido a una disminucion de la cinetica causada por la baja area superficial externa de las partfculas y por una gran fraccion de huecos, provocando una baja densidad y flujos de fugas como consecuencia de la forma irregular. Utilizando diferentes tipos de VM y WM se evaluo el carbon activado sobre la capacidad de proceso y sobre la estabilidad de la forma. En la Tabla 1, se han dado los resultados de los mismos.
Tabla 1
Materia prima
Escala Capacidad del proceso
100% de OSF
Lab Factible, los extrudidos no se pegan entre sf
25% SWF/75% de OSF
Lab. Factible, los extrudidos no se pegan entre sf
50% SWF/50% de OSF
Lab. Factible, los extrudidos no se pegan entre sf
75% SWF/25% de OSF
Lab. Factible, los extrudidos no se pegan entre sf
20% de HWF/80% de OSF
Lab. Factible, los extrudidos no se pegan entre sf
50% de HWF/50% de OSF
Lab. Factible, los extrudidos no se pegan entre sf
25% de WWF/75% de OSF
Lab. Factible, los extrudidos no se pegan entre sf
100% de CF
Lab. Factible, los extrudidos no se pegan entre sf
20% de CF/80% de HWF
Lab. Factible, los extrudidos no se pegan entre sf
100% de HWF
Lab. No factible, los extrudidos se pegaron entre sf, formando un gran grumo pegado a la pared del horno
100% de SWF
Lab. No factible, los extrudidos se pegaron entre sf, formando un gran grumo pegado a la pared del horno
Ejemplo 2
Se han llevado a cabo tres series de experimentos con 100% de OSF y con OSF sustituido por SWF. Cada serie de experimentos se ha llevado a cabo bajo las mismas condiciones de proceso. Las series se han producido utilizando diferentes lotes OSF y SWF, con diferentes relaciones de OSF/SWF, con PA puro o con PA recuperado y en diferente escala. Se han producido muestras pequenas en un lote a escala de gramo, se han producido muestras grandes a escala de Kg mezclando un numero de lotes de muestra pequenos. Las condiciones del proceso estaban dentro de los intervalos como se menciono en el ejemplo 1. En la tabla 2 se han dado los resultados de la misma para BWC y capacidad para retener.
Sorprendentemente, los resultados muestran un aumento en BWC para mezclas de OSF/WF en comparacion con 100% de OSF-carbon.
El sangrado y el envejecimiento tienen una relacion con la capacidad para retener. El sangrado se menciona como una propiedad importante para cumplir con los requisitos LEVII para automoviles. El envejecimiento es la disminucion de la 5 capacidad de trabajo (WC) en el tiempo para los carbones aplicados en un filtro en un coche durante un gran numero de ciclos de estacionamiento/conduccion. Sorprendentemente, los resultados muestran una disminucion considerable en la capacidad para retener de las mezclas de OSF/SWF en comparacion con el 100% de OSF-carbon.
Un mayor contenido de SWF en la mezcla de OSF/SWF eleva el efecto sobre el aumento de BWC y la disminucion de capacidad para retener
10 Tabla 2: Sustituciones de OSF por diferentes tipos y diferentes contenidos de SWF
Tamano de la muestra
Conc. PA Temp de activacion VM WM Relacion VM/WM BWC Capacidad para retener el butano
% K g/100 cm3 g/100 g
Pequeno
65R 450 OSF1 100/0 10.2 4.8
Pequeno
65R 450 OSF1 SWF1 75/25 10.6 3.3
Grande
65R 430-470 OSF1 100/0 11.2 5.0
Grande
65R 430-470 OSF1 SWF1 75/25 11.6 3.9
Pequeno
65P 450 OSF2 100/0 11.7 4.9
Pequeno
65P 450 OSF2 SWF2 20/80 13.1 2.5
Ejemplo 3
Cuatro series de muestras de laboratorio con diferentes tipos de. WF se han producido de acuerdo con la receta dada en el ejemplo 1. Como WF ha sido utilizado SWF, HWF y WWF. Las series se han producido con diferentes lotes de 15 OSF y SWF, con diferentes relaciones OSF/WF y con PA puro o con PA recuperado. En la tabla 3 se han dado los resultados para BWC y capacidad para retener. Junto a sWf tambien se puede usar HWF y WWF para reemplazar OSF.
Tabla 3: Sustituciones de OSF por diferentes tipos y diferentes contenidos de WM
PA
Material vegetal (VM) Material de madera (WM) Relacion VM/WM BWC Capacidad para retener el butano
g/100cm3 g/100g
65R
OSF1 100/0 10.2 4.8
65R
OSF1 SWF1 75/25 10.6 3.3
65R
OSF1 100/0 10.2 4.8
65R
OSF1 WWF 75/25 12.7 4.3
65P
OSF2 100/0 11.7 4.9
65P
OSF2 SWF2 20/80 13.1 2.5
65P
OSF2 100/0 11.7 4.9
65P
OSF2 HWF 80/20 12.7 3.2
5
10
15
20
25
30
65P
OSF2 HWF 50/50 13.4 2.9
Ejemplo 4
Se han producido muestras de laboratorio con diferentes tipos de VM de acuerdo con la receta dada en el ejemplo 1. Como material VM se ha elegido CSF en lugar de OSF. En la tabla 4 se han dado los resultados de BWC y capacidad para retener. Los resultados dados en la tabla 4 muestran las mismas tendencias. El reemplazo de una parte de la CSF por WF da un aumento en BWC y una disminucion en la capacidad para retener como se observo para experimentos con OSF
Tabla 4: Sustitucion de OSF por CSF
Material vegetal (VM)
Material de madera (WM) Relacion VM/WM BWC Capacidad para retener el butano
g/100cm3 g/100g
CSF
100/0 11.0 4.9
CSF
HWF 20/80 12.9 3.2
Ejemplo 5
A escala completa se ha llevado a cabo un ciclo de produccion de 2 toneladas. El ensayo comenzo con la produccion de carbon activado consistente en 100% de harina de semilla de aceituna (OSF). La OSF que tiene un intervalo de tamanos de partfcula de 5% en peso <10 |im y 95% en peso <300 |im se mezclo con una solucion acuosa de acido fosforico acuoso al 65% en una relacion de 1:1.4. La mezcla se mezclo, seguida por extrusion. Para producir carbon activado, los extrudidos se calentaron a 150°C hasta 35 minutos, seguido por carbonizacion a 430°C a 500°C hasta 35 minutos. Despues de la carbonizacion se lava el carbon. La operacion se continua reemplazando el 25% de la OSF por la harina de madera blanda (SWF). Por lo tanto, se mezclo la OSF que tema un intervalo de tamano de partfcula 5% en peso <10 |im y 95% en peso <300 |im con SWF blanda al 25% con un intervalo de tamano de partfcula de 5% en peso <10 |im y 95% en peso <300 |im. Se adiciono una solucion acuosa de acido fosforico acuoso al 65% en una relacion de 1:2 y la mezcla se mezclo, seguida de extrusion. Para producir carbon activado, la mezcla de productos extrudidos consistente en OSF, SWF y acido fosforico se calentaron a 150°C hasta 35 minutos, seguido por carbonizacion a 430°C a 500°C hasta 35 minutos. Despues de la carbonizacion, el carbon se lavo para recuperar el acido fosforico. El carbon activado se evaluo sobre la capacidad del proceso y sobre la estabilidad de la forma. El reemplazo del 25% de la OSF por SWF es muy factible a escala completa. Los extrudidos no se pegaron entre sf. En la tabla 5 se han dado los resultados para BWC y capacidad para retener para la produccion a escala completa comenzando con 100% de OSF y terminando con 75% de OSF y 25% de SWF. Los resultados muestran un aumento en la BWC y una disminucion en la capacidad para retener como se predice por el laboratorio. Como consecuencia de la sustitucion de OSF por SWF.
Los resultados de la muestra de laboratorio, producida con acido de planta y la misma materia prima como se utiliza para el experimento a gran escala, han estado implicados en la tabla 5. Los carbones activados producidos a escala completa muestran una BWC mas alta y una mayor capacidad para retener que la escala de laboratorio producida. Vista la diferencia en BWC entre escala de laboratorio y muestras a escala completa de una BWC de mas de 15 debe ser factible a escala completa vistos los resultados de laboratorio
Tabla 5: experimentos a gran escala con mezclas OSF-SWF
Material vegetal (VM) Material de madera (WM) Relacion VM/WM BWC Capacidad para retener el butano
g/100cm3 g/100g
Prueba completa 2007
OSF1 100/0 11.9 7.4
Prueba completa 2007
OSF1 SWF1 75/25 13.7 5.4
Prueba de
OSF1 SWF1 75/25 11.6 4.1
laboratorio
Las muestras de produccion a escala completa se han ensayado sobre la dureza del boffgrafo de punta fina de acuerdo con NSTM4.04, cuyo metodo de prueba se basa en ASTM D 3802-79. Los resultados se dan en la tabla 6. Los resultados no muestran diferencia en BPH reemplazando OSW por SWF
5 Tabla 6: Muestras a escala completa de BPH
Material vegetal (VM) Material de madera (WM) Relacion VM/WM BPH
%
Prueba completa 2007
OSF 100/0 83
Prueba completa 2007
OSF SWF 75/25 83
Ejemplo 6
Las muestras de laboratorio con diferentes fracciones WM y VM se han mezclado antes de la extrusion. Las otras condiciones del proceso se han descrito en el ejemplo 1. Los resultados se dan en la tabla 7. El experimento con WM 10 (5% <25 mm; 95 <600 mm) fue factible pero la extrusion fue mas diffcil que con una fraccion mas fina
Tabla 7: fracciones de parffculas diferentes
Material vegetal (VM)
Material de madera (WM) Relacion VM/WM BWC Capacidad para retener el butano
OSF
WF g/100cm3 g/100g
5%<8.3 |im : 95%<150 ^m
5%<25 |im; 95<600 |im 80/20 13.0 3.9
5%<8.3 |im : 95%<150 ^m
5%<8.1 |im ; 95%<336 ^m 80/20 12.7 3.2
5%<8.3 |im : 95%<150 ^m
5%<5.1 |im ; 95%<182 ^m 50/50 13.4 2.9
5%<250 |im ; 95% <560 ^m
5%<7.2 |im ; 95%< 160 ^m 80/20 Diffcil de extrudir
5%<250 |im ; 95% <560 ^m
5%<8.1 |im ; 95%<336 ^m 80/20 Diffcil de extrudir
Los resultados muestran que las limitaciones en la distribucion del tamano de parffcula (PSD) de VM y WM son importantes en relacion con la capacidad de procesamiento. Especialmente el material VM demasiado grueso muestra 15 problemas durante la extrusion
Ejemplo 7
Se han producido muestras de laboratorio con adicion de aglutinantes a la mezcla de extrusion de acuerdo con la receta dada en el ejemplo 1. Como aglutinante se ha elegido el lignosulfonato. La concentracion de lignosulfonato fue del 20%. Las muestras de produccion a escala de laboratorio han sido probadas en dureza del boffgrafo de punta fina de acuerdo 20 con NSTM4.04, cuyo metodo de prueba se basa en ASTM D 3802-79. Los resultados se dan en la tabla 9.
Los resultados muestran un aumento de BPH. Sin embargo, con un contenido tan alto de LS la BWC disminuye
Tabla 8: La adicion de lignosulfonato como aglutinante 10
Material vegetal (VM)
Material de madera (WM) Relacion VM/WM Relacion LS/(VM + WF) BPH BWC Capacidad para retener el butano
% g/100cm3 g/100g
OSF1
HWF3 50/50 0 69 13.4 2.9
OSF1
HWF3 50/50 20 90 9.6 4.0

Claims (15)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    Reivindicaciones
    1. Proceso para producir un carbon activado qmmicamente, proceso que comprende las etapas de:
    proporcionar un material de partida en la forma de una mezcla de partfculas de madera, materiales vegetales carbonosos triturados seleccionados de grano, semilla de fruto o material de cascara y opcionalmente aglutinantes, en donde la relacion en peso de las partfculas de madera con el material vegetal carbonoso triturado en dicha mezcla esta entre 10-90 y 90-10; mezcla de dicho material de partida con un agente de activacion qmmica seleccionado entre acido fosforico y cloruro de zinc, para impregnar las partfculas con dicho agente de activacion qmmica; conformar dicha mezcla; someter dicha mezcla conformada a un tratamiento termico, que comprende calentar la mezcla conformada para eliminar el agua y otros constituyentes volatiles presentes para consolidar la naturaleza granular; y carbonizar las partfculas tratadas, preferiblemente a una temperatura de 350°C a 700°C.
  2. 2. Proceso de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde el agente de activacion qmmico es acido fosforico.
  3. 3. Proceso de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en donde dicho acido fosforico es 50-86% de acido ortofosforico acuoso.
  4. 4. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en donde el acido fosforico se adiciona a la mezcla en una relacion en peso de entre 1.0:1 y 3:1, respectivamente, y preferiblemente una relacion entre 1.5: 1 y 2.2:1, basado en el peso de las partfculas de madera y del material vegetal carbonoso triturado.
  5. 5. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en donde el tratamiento termico comprende calentar a una temperatura de entre 50°C y 200°C.
  6. 6. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en donde la carbonizacion comprende calentar a una temperatura de entre 350°C y 700°C, durante una duracion de entre 10 y 60 minutos.
  7. 7. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en donde el dicho material vegetal carbonoso triturado se ha seleccionado de semilla de aceituna, cascara de almendra y cascara de coco.
  8. 8. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en donde como maximo el 5% en peso del material vegetal carbonoso triturado esta formado por partfculas que tienen un diametro de menos de 1 |im y al menos 95% en peso del material vegetal carbonoso triturado esta formado por partfculas que tienen un diametro de menos de 750 |im, preferiblemente menos de 500 |im.
  9. 9. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en donde como maximo el 5% en peso de las partfculas de madera esta formado por partfculas que tienen un diametro de menos de 1 |im y al menos 95% en peso de las partfculas de madera esta formada por partfculas que tienen un diametro de menos de 750 |im, preferiblemente menos de 500 |im.
  10. 10. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-9, en donde el carbon activado tiene una capacidad para retener de butano, segun se mide de acuerdo con ASTM D5228, inferior a 7.5 g/100 g de carbon activado.
  11. 11. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en donde la relacion en peso de partfculas de madera con el material vegetal carbonoso triturado esta entre 15-85 y 90-10.
  12. 12. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-11, en donde la relacion en peso de partfculas de madera con el material vegetal carbonoso triturado esta entre 15-85 y 50-50.
  13. 13. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-12, en donde un aglutinante esta presente en el material de partida, en una concentracion correspondiente a una concentracion de hasta 35% en peso, basado en el peso de la combinacion de partfculas de madera, material vegetal carbonoso triturado y aglutinante, antes de la activacion.
  14. 14. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-13, en donde un aglutinante esta presente en el material de partida, siendo seleccionado dicho aglutinante del grupo que consiste en lignina y compuestos de lignina.
  15. 15. Uso de un carbon activado producido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-14, en un dispositivo de control de perdidas por evaporacion.
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