Характеристика промышленных адсорбентов

Выбор эффективного поглотителя зависит от природы и пористой структуры адсорбентов. Далее будут рассмотрены характеристики наиболее распространенных адсорбентов.

Активные угли - это пористые адсорбенты органического происхождения. Их получают из различных видов органического сырья: твердого топлива (антрацита, каменного и бурого углей, торфа), древесных материалов (дерева, древесного угля, отходов бумажного производства), веществ животного и растительного происхождения (костей животных, скорлупы орехов, косточек плодов и т.д.).

При производстве активного угля вначале исходный материал подвергают термической обработке без доступа воздуха, при температуре 600...900°С, в результате которой из него удаляют летучие вещества (влагу, частично смолы). Структура образовавшегося при этом угля-сырца крупнопористая, и в таком виде он еще не может непосредственно быть использован как промышленный адсорбент. Пористую структуру он получает в процессе активации. Активация проводится путем обработки углей паром, газами или химическими реагентами. При парогазовом методе обработки в качестве активаторов применяют оксид и диоксид углерода, аммиак, водяной пар, кислород или смеси этих газов. При химическом методе активации уголь-сырец обрабатывают раствором неорганических веществ, например, сернистым калием, хлоридом цинка, фосфорной кислотой и др. Иногда применяют смешанные методы активирования. В этом случае обработку угля-сырца проводят парогазовой смесью с одновременным использованием неорганических активаторов. При взаимодействии активаторов с углем-сырцом при температуре 800...900°С изменяется пористая структура углей, их поверхность, размеры и объем пор. Структура угля после активации представлена гаммой пор всех размеров, причем адсорбционная емкость углей определяется в основном содержанием микропор.

Структура активных углей зависит от степени обгара угля-сырца при активации (выгорание угля с образованием пустот). Если степень обгара составляет до 50%, то получаются микропористые угли. Угли со степенью обгара 50...70% характеризуются наличием микро- и мезопор. А если степень обгара составляет 75%, то получаются крупнопористые угли.

Изменяя температуру, скорость подачи активаторов и время активации, можно изменять степень обгара и таким образом получать активные угли с заранее заданными адсорбционно-структурными свойствами.

В зависимости от назначения угли подразделяют на осветляющие, рекуперационные и газовые. Каждый тип отличается характерной структурой пор.

Осветляющие, крупнопористые угли предназначены для обесцвечивания растворов, а рекуперационные — для улавливания паров легко кипящих растворителей. Газовые угли предназначены для поглощения газов и паров с малыми размерами молекул и малыми их концентрациями в газовых смесях.

Для санитарной очистки газов наибольшее значение имеют микропористые рекуперационные и газовые угли.

Практически все промышленные активные угли содержат в том или ином количестве зольные примеси. Зола в ее ингредиенты (минеральные примеси) являются катализаторами многих нежелательных реакций, которые могут протекать в адсорбенте.

По размеру и форме частиц активные угли подразделяют на гранулированные и порошкообразные.

Гранулированные угли выпускают в форме цилиндриков диаметром 2— 5 мм, причем высота цилиндрика всегда больше диаметра. Применяются они главным образом на установках со стационарным слоем адсорбента при очистке и разделении технологических потоков в газовой фазе. Чтобы увеличить интенсивность массообмена, гранулированный уголь иногда дробят и после просеивания получают узкие фракции, например: 0,15...0,25; 0,25...0,55; 0,55...1,65; 1,65...2,35 и 2,35...4,70 мм. Дробленые угли применяют во всех вариантах адсорбционных процессов: при проведении процесса как в газовой, так и в жидкой фазах со стационарным, движущимся или псевдоожиженным слоем адсорбента.

Активированный уголь гидрофобен, поэтому он адсорбирует прежде всего гидрофобные вещества, к числу которых принадлежит большинство органических растворителей.

Отрицательной особенностью активного угля как адсорбента является его горючесть. В воздушной атмосфере окисление углей начинается при температуре 250 ºС. Чтобы уменьшить пожароопасность, к углю при его изготовлении иногда добавляют до 5 % силикагеля. Такой адсорбент называют силикарбалом.

Силикагели – одни из самых первых минеральных адсорбентов, нашедших широкое применение в промышленной практике. По сравнению с активными углями силикагели обладают рядом преимуществ. При получении можно регулировать их пористую структуру, кроме того они дешевы, просты в изготовления, обладают повышенной механической прочностью к истиранию, имеют низкую температуру регенерации (110... 120 °С). Благодаря указанным свойствам по масштабам производства и применению силикагели превосходят все другие адсорбенты. Силикагель используют для осушки газов и выделения из газовых смесей органических веществ.

Пары неполярных органических веществ (углеводородов нормального строения и циклических) поглощаются слабо, в то время как пары полярных веществ (воды, метилового спирта и др.) адсорбируются хорошо.

В зависимости от области применения промышленностью выпускаются силикагели различных марок: от мелкопористых, обладающих молекулярно-ситовыми свойствами, до широкопористых. Удельная поверхность силикагелей в зависимости от назначения может отличаться на 2...3 порядка. Силикагель по своей химической природе является гидратированным аморфным кремнеземом (SiO₂ • пН₂О). Его получают путем взаимодействия жидкого стекла с серной кислотой. Продукты реакции в виде геля (SiO₂ • пН₂О) промывают водой, высушивают при температуре 100-150 °С до остаточной влажности 5-7%, прокаливают при 800 °С, после чего дробят и рассеивают на фракции размером 0,2...7 мм. По другой технологии силикагель можно получить в виде гранул шарообразной формы диаметром 3...6 мм. Готовый продукт обладает большой поверхностью и пористостью. Одним из факторов, оказывающих влияние на формирование пористой структуры силикагеля, является рН среды. Силикагели, полученные в кислой среде и промытые подкисленной водой, обладают мелкими порами, а в щелочной среде – крупными. Изменяя рН среды, можно в широких пределах изменять пористую структуру адсорбента.

Силикагели представляют собой твердые стекловидные прозрачные или матовые зерна, бесцветные или светлокоричневые, насыпной плотностью 0,4... 0,9 г/см³ с размерами зерен 1...7 мм. В зависимости от формы зерна они подразделяются на две модификации: кусковой силикагель (зерна неправильной формы) и гранулированный (зерна сферической или овальной формы). В зависимости от характера пористой структуры кусковые и гранулированные силикагели могут быть крупно- и мелкопористые.

Недостатком силикагелей, особенно мелкопористых, является разрушение их зерен под воздействием капельной влаги.

Алюмогели — активные оксиды алюминия Al₂O₃·nH₂O, как и силикагели, являются гидрофильными адсорбентами. Они обладают развитой структурой, большой поверхностью и могут применяться для осушки газов, улавливания угле­водородных примесей, а также для извлечения фтора и т.д. При осушке газов они способны поглощать от 4% до 10% водяных паров от собственной массы. В отличие от силикагелей алюмогели более стойки к действию воды. Технология получения алюмогелей схожа с технологией получения силикагелей.

Управляя процессом образования частиц и их упаковкой, получают адсорбенты с заранее заданными свойствами.

Цеолиты. Описанные выше адсорбенты — активные угли, силикагели, алюмогели — отличаются нерегулярной пористой структурой. Размеры макро- и микропор в них могут отличаться на несколько порядков, поэтому они не обладают избирательной адсорбцией. В их поры могут проникать и удерживаться на поверхности самые различные по размерам молекулы. Это является недостатком указанных адсорбентов. Избирательно адсорбировать одинаковые по размеру молекулы могут адсорбенты со строго регулярной пористой структурой, имеющие одинаковые по размеру поры. Этим требованиям в значительной мере отвечают природные минералы – сидерит, фожазит, эрионит, шабазит, морденит, клиноптилолит и др. Путем термической обработки эти природные вещества можно превратить в эффективные адсорбенты, обладающие высокой пористостью, большой поверхностью и одинаковыми размерами пор. В переводе с греческого «цеолит» означает «кипящие камни», названные так вследствие бурного выделения из них пузырьков водяных паров и газов при нагревании.

Цеолиты представляют собой алюмосиликаты, содержащие в своем составе оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов. Общая химическая формула цеолитов – Ме_2/nO·Al₂O₃·xSiO₂·yH₂O, где Ме – катион щелочного металла (К⁺, Na⁺, Са⁺), n – его валентность.

Природные цеолиты рассеяны в природе, к тому же они загрязнены различными примесями, что усложняет их производство на промышленной основе. Исследованиями установлено, что цеолиты, аналогичные тем, что встречаются в природе, могут быть получены из гелеобразной смеси, отвечающей составу минерала, путем гидротермального синтеза.

В настоящее время синтезировано около 100 наименований цеолитов, в том числе не имеющих аналогов в природе, однако промышленное значение имеют не более 10.

С помощью цеолитов из газовых смесей извлекают аммиак, диоксид серы, ацетилен, сероводород, диоксид углерода, различные углеводороды и др.

Дата добавления: 2014-01-20