PL184239B1

PL184239B1 - Sposób wytwarzania węgla aktywnego zawierającego na swej powierzchni azot w różnych ugrupowaniach

Info

Publication number: PL184239B1
Application number: PL97320652A
Authority: PL
Inventors: Jan Bimer; Stanisław Berłożecki; Piotr D. Sałbut
Original assignee: Pan
Priority date: 1997-06-19
Filing date: 1997-06-19
Publication date: 2002-09-30
Also published as: PL320652A1

Abstract

1. Sposób wytwarzania węgla aktywnego zawierającego na swej powierzchni azot w różnych ugrupowaniach, znamienny tym, że surowce wybrane z grupy obejmującej drewno, torf, węgiel brunatny, węgiel kamienny lub antracyt poddaje się reakcji amoksydacji w temperaturze 150 - 400°, następnie uzyskany materiał węglowy o zawartości do 25% azotu poddaje się obróbce termochemicznej w znany sposób do uzyskania węgla aktywnego zawierającego od 3 do 12% azotu. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że reakcję amoksydacji prowadzi się w reaktorze przepływowym, w strumieniu mieszaniny powietrza i amoniaku.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania węgla aktywnego zawierającego na swej powierzchni azot w różnych ugrupowaniach, będącego preparatem o bardzo atrakcyjnych własnościach fizykochemicznych.

Chemiczna budowa powierzchni węgli aktywnych w istotny sposób wpływa na ich własności sorpcyjne, elektrochemiczne, hydrofilowo-hydrofohowe, kwasowo-zasadowe, utleniająco-redukujące, katalityczne i inne. Typowe węgle aktywne otrzymywane przez termochemiczną obróbkę surowców takich jak drewno, torf, węgle brunatne i kamienne oraz antracyt posiadają na swej powierzchni tlenowe grupy funkcyjne: karboksylowe, hydroksylowe, laktonowe i bezwodnikowe. Określone zmiany własności węgli aktywnych osiąga się przez ukierunkowane modyfikacje budowy chemicznej ich powierzchni. Aktywacja termiczna w atmosferze beztlenowej, wygrzewanie węgla w próżni, bądź jego uwodornienie powoduje usunięcie tlenowych grup z powierzchni węgla. Natomiast utlenianie węgla aktywnego zwiększa ilość tlenowych grup funkcyjnych na jego powierzchni.

Inne modyfikacje chemiczne powierzchni węgli aktywnych polegają na wbudowaniu w warstwę powierzchniową niektórych pierwiastków takich jak azot, siarka czy halogeny, lub na impregnacji węgli różnymi organicznymi i nieorganicznymi substancjami.

Węgle aktywne zawierające na swej powierzchni ugrupowania azotowe należą do preparatów o bardzo atrakcyjnych własnościach fizykochemicznych. Węgle takie otrzymywano dotychczas między innymi przez karbonizację bogatych w azot materiałów biologicznych lub polimerów takich jak poliakrylonitryl, poliwinylopirydyna czy poliamidy. Główne zainteresowanie koncentrowano jednak na modyfikacjach chemicznych zaktywowanego już preparatu węglowego. Przykładowo węgiel aktywny, wstępnie utleniony tlenem lub kwasem azotowym, poddawano reakcji z amoniakiem, uzyskując na powierzchni węgla ugrupowania azotowe typu soli amonowych, grup aminowych i amidowych. Trwałe powierzchniowe ugrupowania azotowe uzyskiwano również przez reakcję wstępnie utlenionego węgla aktywnego z hydroksyloaminą i redukcję powstałych oksymów do grup aminowych.

W ostatnich latach doniesiono o skutecznej metodzie „azotowania” węgli aktywnych przez poddanie ich jednoczesnemu działaniu amoniaku i tlenu w podwyższonej temperaturze (R.J.J. Jensen, H. Van Bekkum, Carbon, 1994, 32, 1507-1516). Reakcja ta, znana w literaturze anglosaskiej pod mianem „amoksydacji” (ammoxidation), polega na tworzeniu w strukturze substratu grup nitrylowych przez utleniające współodwodomienie grup metylowych i cząsteczek amoniaku (F.T. Tercioglu, D. Honicke, K. Griesbaum, Erdol, Kohie, Erdgas, Petrochem., 1992, 45, 109-114). Przez amoksydację węgla aktywnego otrzymuje się modyfikowane preparaty węglowe o zawartości azotu w granicach 0.6-3.8% w zależności od parametrów reakcji.

184 239

Nieoczekiwanie okazało się, że można otrzymać węgiel aktywny o znacznie wyższej zawartości azotu, stosując sposób według wynalazku.

Sposób wytwarzania węgla aktywnego zawierającego na swej powierzchni azot w różnych ugrupowaniach, według wynalazku polega na tym, że surowce wybrane z grupy obejmującej drewno, torf, węgiel brunatny, węgiel kamienny lub antracyt poddaje się reakcji amoksydacji w temperaturze 150 - 400°C, a następnie uzyskany materiał węglowy o zawartości do 25% azotu poddaje się obróbce termochemicznej w znany sposób do uzyskania węgla aktywnego zawierającego od 3 do 12% azotu.

Sposób według wynalazku prowadzi się korzystnie w reaktorze przepływowym, w strumieniu mieszaniny powietrza i amoniaku.

Wyniki reakcji, to znaczy wydajność produktu i zawartość w nim azotu, zależą od rodzaju użytego surowca oraz warunków reakcji, takich jak temperatura, czas i stosunki ilościowe reagentów.

W przypadku zastosowania jako materiałów wyjściowych surowców wybranych z grupy obejmującej drewno, torf, węgiel brunatny, węgiel kamienny lub antracyt, mechanizm reakcji amoksydacji jest dużo bardziej skomplikowany, niż w przypadku węgla aktywnego. Surowce te, nie poddane jeszcze procesom karbonizacji i aktywacji, zawierają znacznie więcej ugrupowań strukturalnych ulegających reakcji z tlenem i amoniakiem, są więc bardziej reaktywne i nie wymagają zbyt drastycznych warunków reakcji, a wprowadzony azot występuje w różnych ugrupowaniach strukturalnych. W wyniku amoksydacji wymienionych surowców otrzymuje się modyfikowane materiały węglowe o zawartości azotu w granicach 10-25%, w zależności od rodzaju substratu oraz warunków reakcji.

Tak otrzymany materiał węglowy o podwyższonej zawartości azotu poddaje się ogólnie znanym procesom obróbki termochemicznej do wytworzenia węgla aktywnego zawierającego od 3 do 12%o azotu, wykazującego atrakcyjne własności sorpcyjne, jonowymienne i katalityczne.

Poniżej przedstawiono przykłady wykonania wynalazku, nie ograniczające jego zakresu.

Przykład I. W rurowym reaktorze szklanym o średnicy 40 mm z płytką ze szkła spiekanego umieszczono 20 g trocin drewna sosnowego o składzie: 49,2% C, 6,8% H, 0,2% N i 0,5% popiołu i przepuszczano mieszaninę powietrza i amoniaku w stosunku objętościowym 1:1 z szybkością 10 hgodz. Reakcję prowadzono w temperaturze 250°C w ciągu 6 godzin, otrzymując jako produkt materiał węglowy o składzie: 59,1°% C, 2,1% H, 23,1% N, 0,9% popiołu, w ilości 11,5 g. Otrzymany w ten sposób azotowany materiał węglowy poddano karbonizacji w temperaturze 700°C i aktywacji parą wodną z wypałem 50% w temperaturze 700°C. Otrzymano węgiel aktywny o zawartości 9,3% azotu.

Przykład 11. 20 g węgla brunatnego o rozdrobnieniu 0,3 - 0,5 mm i składzie: 62,1% C, 4,1%o H, 1,0% N, i 4% popiołu umieszczono w szklanym reaktorze rurowym o średnicy 40 mm z płytką ze szkła spiekanego i przez tak utworzone złoże przepuszczano strumień gazów reakcyjnych będących mieszaniną powietrza i amoniaku w stosunku objętościowym 1:1 z szybkością 10 1/godz. Reakcję prowadzono w temperaturze 275°C w ciągu 6 godzin otrzymując jako produkt materiał węglowy o składzie: 59%> C, 2,3%> H, 18,3% N i 5,0% popiołu w ilości 16,1 g. Tak przygotowany, azotowany materiał węglowy poddano karbonizacji w teenperaturze 800°C i aktywacji parą wodną z wypałem 50% w temperaturze 800°C. Otrzymano węgiel aktywny o zawartości 7,4% azotu.

Przykład III. 20 g węgla kamiennego o rozdrobnieniu 0,1 - 0,2 mm i składzie: 81,0% C, 4,4% H, 0,8% N, i 5,2% popiołu umieszczono w szklanym reaktorze rurowym o średnicy 40 mm z płytką, ze szkła spiekanego i przez tak utworzone złoże przepuszczano strumień gazów reakcyjnych będących mieszaniną powietrza i amoniaku w stosunku objętościowym 1:1 z szybkością 10 1/godz. Reakcję prowadzono w temperaturze 300°C w ciągu 6 godzin otrzymując jako produkt materiał węglowy o składzie: 69,6% C, 2,2% H, 14% N i 5,5% popiołu w ilości 19,5 g. Tak przygotowany, azotowany materiał węglowy poddano karbonizacji w temperaturze 800°C i aktywacji parą wodną z wypałem 50% w temperaturze 700°C. Otrzymano węgiel aktywny o zawartości 4,8% azotu.

184 239

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania węgla aktywnego zawierającego na swej powierzchni azot w różnych ugrupowaniach, znamienny tym, że surowce wybrane z grupy obejmującej drewno, torf, węgiel brunatny, węgiel kamienny lub antracyt poddaje się reakcji amoksydacji w temperaturze 150 - 400°C, następnie uzyskany materiał węglowy o zawartości do 25% azotu poddaje się obróbce termochemicznej w znany sposób do uzyskania węgla aktywnego zawierającego od 3 do 12% azotu.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że reakcję amoksydacji prowadzi się w reaktorze przepływowym, w strumieniu mieszaniny powietrza i amoniaku.