ПОЛИАМФОЛИТНЫЙ ВОЛОКНИСТЫЙ УГЛЕРОДНЫЙ МАТЕРИАЛ, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО АКТИВИРОВАНИЯ ВОЛОКНИСТОГО УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА

ПОЛИАМФОЛИТНЫЙ ВОЛОКНИСТЫЙ УГЛЕРОДНЫЙ МАТЕРИАЛ, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО АКТИВИРОВАНИЯ ВОЛОКНИСТОГО УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА


RU (11) 2070436 (13) C1

(51) 6 B01J20/20, C01B31/08 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 26.12.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 93053637/26 
(22) Дата подачи заявки: 1993.11.25 
(45) Опубликовано: 1996.12.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Заявка Японии N 61-58404, кл. C 01 B 31/08, опубл. 1986. 2. Заявка Японии N 3-10566, кл. C 01 B 31/02, опубл. 1991. 3. Заявка Японии N 1-31449, кл. C 01 B 31/08, опубл. 1989. 4. Заявка Германии N 3525961, кл. C 01 B 31/08, B 01 J 20/20, опубл. 1987. 5. Заявка Японии N 62-61529, кл. C 01 B 31/08, B 01 D 53/02, 53/34, опубл. 1987. 6. Заявка Германии N 3912886, кл. C 01 B 31/00, 31/08, опубл. 1989. 7. Аширов А. Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов. Химия, Ленинградское отделение, Л.: 1983, с. 100-101. 8. Заявка Японии N 61-58403, кл. C 01 B 31/08, опубл. 1986. 9. Заявка Японии N 60-50724, кл. C 01 B 31/10, B 01 J 20/20, опубл. 1985. 10. Заявка Японии N 62-3086, кл. C 01 B 31/10, опубл. 1987. 11. Авторское свидетельство Болгарии N 42736, кл. C 01 B 31/10, 1987. 12. Заявка Японии N 62-14486, кл. C 01 B 31/10, опубл. 1987. 13. Заявка Японии N 60-45123, кл. C 01 B 31/12, опубл. 1985. 14. Заявка Франции N 2570068, кл. C 01 B 31/12, B 01 J 20/20, опубл. 1986. 15. Патент США N 4699896, кл. B 05 D 3/02, НКИ 502/423, 264/29.2, 423/447, опубл. 1987. 16. Патент США N 3969268, кл. B 05 J 21/18, НКИ 252/423, 444, 445, 423/447, 460, опубл. 1976. 17. Патент США N 4409125, кл. C 01 B 31/12, B 05J 21/18, НКИ 502/180, 264/29, 423/447, опубл. 1983. 18. Авторское свидетельство N 1279960, кл. C 01 B 31/08, 1986. 19. Заявка Великобритании N 2188916, кл. C 01 B 31/08, F 27 B 29/30, опубл. 1987. 20. Заявка Японии N 2-289412, кл. C 01 B 31/10, опубл. 1990. 21. Авторское свидетельство СССР N 1105520, кл. D 01 F 9/12, 1984. 22. Патент США N 4274979, кл. C 01 B 31/12, B 01 J 20/20, НКИ 252/422, 13/7, 252/445, 423/447, опубл. 1981. 23. Авторское свидетельство СССР N 1604737, кл. C 01 B 31/08, 1988. 
(71) Заявитель(и): Совместное российско-американское предприятие - Акционерное общество закрытого типа "Аквафор" 
(72) Автор(ы): Либерман А.И.; Пименов А.В.; Горохов Н.Я.; Шмидт Д.Л.; Либерман Л.И. 
(73) Патентообладатель(и): Совместное российско-американское предприятие - Акционерное общество закрытого типа "Аквафор" 

(54) ПОЛИАМФОЛИТНЫЙ ВОЛОКНИСТЫЙ УГЛЕРОДНЫЙ МАТЕРИАЛ, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО АКТИВИРОВАНИЯ ВОЛОКНИСТОГО УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА 

Группа изобретений относится к производству активированных углеродных материалов, используемых в качестве сорбентов для выделения нежелательных примесей из жидких и/или газовых сред, и может найти применение для очистки питьевой воды, сточных вод, газовых выбросов в химической и других отраслях промышленности. Волокнистый активированный углеродный материал (ВАУМ), получаемый из карбонизированных полимерных волокон (КВ), наряду с кислотными содержит основные функциональные группы (ФГ), то есть материал (М) является полиамфолитным. При этом количество кислотных ФГ, характеризующееся значением статической обменной емкости (СОЕ) не менее 0,40 мэкв/г, а количество основных ФГ характеризуется значением СОЕ не менее 0,25 мэкв/г, а сорбционная активность материала характеризуется значением поглощения метиленового голубого не менее 350 мг/г. По способу получения ВАУМ, включающему активирование КВ, перед активированием КВ обрабатывают добавкой, в качестве которой используют соединения, разлагающиеся при температуре активирования с образованием газообразного аммиака и других газообразных продуктов, а обработку М добавкой осуществляют пропиткой М водным раствором добавки. В устройстве для непрерывного активирования углеродного волокнистого М, содержащем камеру активирования, средство подачи углеродного М в камеру активирования и средство удаления из нее активированного М, дополнительно содержится средство для пропитки волокнистого М раствором добавки, выполненное, например, в виде емкости для пропитывающего состава, расположенной со стороны подвода М в камеру активирования и сообщающейся с камерой активирования. Использование данного материала при очистке питьевой воды позволяет удалить до 99,5% фенолов, 96% нефтепродуктов, 98% пестицидов, 99% ионов тяжелых металлов. 3 с. п. 26 з.п. ф-лы, 1 ил, 1 табл. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Группа изобретений относится к производству активированных углеродных материалов, используемых в основном в качестве сорбентов для выделения нежелательных примесей из жидких и/или газовых сред, и может найти применение для очистки питьевой воды, сточных вод, газовых выбросов в химической, медицинской и других отраслях промышленности.

Известен волокнистый активированный уголь, получаемый из волокон на основе полиакрилонитрила, содержащего 0,06-10% диоксида титана, диоксида кремния и/или оксида алюминия [1] При получении данного материала в волокно из полиакрилонитрила вводят 0,03 2,0% упомянутых оксидов, а затем проводят процесс окисления и активирования.

Известен волокнистый углеродистый материал с плотно расположенными углеродистыми микроворсинками, который получают в газовой фазе при термокрекинге углеводородов в присутствии серы или ее соединений [2] При этом в процессе производства на углеродистых волокнах образуются микроворсинки со средним диаметром менее 10 мкм в количестве более 100 на 1 кв. мм.

Известен также формованный и ячеистый активированный уголь для разложения озона, который имеет удельную поверхность 600 900 кв.м/г, а распределение пор угля по размерам имеет второй по величине пик (максимум) в размерах 50 150 ангстрем [3]

Известен активный уголь, полученный из буроугольного кокса, сорбционные параметры которого характеризуются соотношением мелассового числа и йодного числа 1000:(1001 4000) и соотношением мелассового к титру метиленового синего 10:(1201 5200) [4]

Известен активированный уголь из нефтяного кокса или его смеси с каменноугольным коксом, имеющий структуру графитового типа, плотность более 0,25 г/куб. см. и удельную поверхность более 2300 кв.м/г, определенную по способу Брунауэра, Эммета и Теллера [5] Активированный уголь обладает пористостью, и его поры, имеющие практически одинаковые размеры, составляют более 60% площади его поверхности.

Известен пористый углеродный материал в форме трехмерной матрицы с объемом пор 0,2 1,7 куб.см/г, отличающийся тем, что матрица образована искривленными слоями углерода с толщиной слоев 100 10000 ангстрем и радиусом кривизны 100 100000 ангстрем. При этом истинная плотность материала 1,8 - 2,1 г/куб. см, его рентгеновская плотность 2,112 2,236 г/куб.см. а распределение пор по размеру имеет max в области 200 2000 ангстрем [6]

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому при использовании результату (прототипом для материала) и способа его получения является волокнистый углеродный материал, поверхность которого наряду с кислотным содержит основные функциональные группы, т.е. полиамфолитный материал, который получают обработкой волокон раствором смеси NaOH и гидразина. (А. Аширов. Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов, изд. "Химия". Л. 1983, с. 100, 101). Данный полиамфолитный материал обладает сравнительно высокой обменной емкостью: суммарная емкость составляет 6,5 4,5 мэкв/г, на долю кислотных 2,3 3,5 мэкв/г [7]

Техническими недостатками известных активированных углеродных материалов являются сравнительно невысокая сорбционная емкость (т.е. предельно возможное количество сорбируемых примесей), недостаточно высокая скорость сорбции и недостаточная глубина очистки (т.е. полнота удаления нежелательных примесей), а также наличие в материале примесей (ионов металлов и отдельных функциональных групп соединений, используемых при получении материала), ограничивающих возможность получения высокоочищенных веществ и материалов.

Кроме этого, в известных активированных углеродных материалах на поверхности присутствуют только кислотные функциональные группы, а количество основных ионообменных групп известными методами анализа не определяется.

Кроме этого, известные материалы с относительно высокой сорбционной активностью могут быть получены только при повышенной потере массы исходного карбонизированного материала при проведении процесса активирования, то есть они отличаются повышенной (как правило, более 40%) степенью обгара материала при активировании. При этом повышенная степень обгара обусловливает пониженные прочностные показатели материала и снижение выхода активированного материала.

Известен способ получения волокнистого угля из волокна полиакрилонитрила, содержащего 0,1 20% галогенида алюминия или аммония, которое подвергают окислению и проводят процесс активирования [8]

Известен способ получения активированного угля окислением исходного углеродистого вещества, к которому добавляют 0,5 1,5% соединения калия и/или натрия и соединения кальция при отношении количества Ca:(Na + K) 0,8 2,0 [9]

Известен способ получения активированного угля, получаемого активированием газом углеродистого вещества, отличающийся тем, что к углеродистому веществу добавляют 0,001 1% (в пересчете на металл) соли железа, кобальта и/или никеля [10]

Известен способ получения активного углерода без загрязнения ионами хлора и фосфат-ионами для очистки пищевых продуктов и растворов, по которому тонкодисперсный углерод обрабатывают разбавленной уксусной кислотой с концентрацией 1 3% при массовом соотношении активного углерода и уксусной кислоты 1:6 1:10, при 20 50oC, времени активации 30 180 мин в вакууме 0,2 0,01 МПа, посредством барботирования воздухом с последующим фильтрованием и промывкой водой до pH 4 7 [11]

Известен способ получения волокнистого активированного угля из акрилового волокна, которое подвергают окислительной обработке для придания им огнестойкости, и их массу с насыпной плотностью более 0,05 г/куб.см непрерывно активируют газом при давлении 0,005 2 кг/кв.см. [12]

Известен способ волокнистого активированного угля путем окисления и активирования волокна на основе полиакрилонитрила, содержащего 0,1 20% (в пересчете на металл) соединения галогенида аммония NH X, где Х фтор, хлор, бром или йод, и 0,001 0,5% (в пересчете на металл) соединения магния, цинка, кремния или марганца [13]

Известен способ получения активированного волокнистого угля карбонизацией и активированием целлюлозных волокон при 200 1000oC в инертной атмосфере. Перед активацией волокно пропитывают составом, содержащим в форме одного или нескольких соединений бор и по крайней мере один щелочной металл. Полученный активированный уголь используют в качестве катализатора, компонента пористых электродов или адсорбента крупных молекул [14]

Известен способ получения волокнистого активированного углерода, включающий этапы карбонизации и активирования целлюлозного волокна при температурах от 200 до 1000oC в инертной атмосфере, по которому перед активированием волокно пропитывают импрегнирующими материалами, содержащими соединения бора и по крайней мере один щелочной металл [15]

Известен способ получения активированных углеродных волокон, включающий предварительную обработку целлюлозных волокон фосфорсодержащими соединениями, карбонизацию волокон при температуре от 200 до 350oC до потери массы от 40 до 75% от исходной массы волокна, активирование карбонизированного волокна в диапазоне от 450 до 1000o в атмосфере, содержащей не менее 5% пара до потери массы волокном от 65 до 95% от ее исходного значения. При этом остаточное содержание фосфора по сравнению с его исходным значением составляет не более 70% при нагревании на этапе карбонизации и не более 10% после операции активирования [16]

Известен способ получения активированного волокнистого углеродного материала, включающий карбонизацию растительных волокон в присутствии по крайней мере одного из соединений из группы аммониевой соли неорганических кислот, а также азотной и борной кислоты, и последующее активирование карбонизированного волокна в присутствии хлорида цинка в количестве от 20 до 200 весовых частей на 100 весовых частей карбонизированного материала, при этом активирование ведут к атмосфере азотного газа или технологических газов переработки тяжелой или легкой фракцией нефти или керосина [17]

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому при использовании результату (прототипом для способа) является способ получения углеродного волокнистого адсорбента, включающий термоактивирование карбонизированного волокна до степени обгара 40 50% и его охлаждение, по которому с целью повышения адсорбционной способности адсорбента по отношению к биологически активным веществам охлаждение волокна осуществляется воздухом со скоростью 70 140o в минуту, а активированию подвергают волокно, содержащее 8 16 г воды на 1 г волокна при 900 1000oC [18]

Недостатками известных способов получения активированных углеродных материалов являются возможность получения только материалов со сравнительно невысокой сорбционной емкостью, недостаточно высокой скоростью сорбции и недостаточно глубокой степенью очистки, а повышенная степень обгара волокна при его активировании по известным способам приводит в конечном итоге к уменьшению выхода конечного продукта и значительному снижению механических показателей активированных угольных волокон и появлению в материале нежелательных примесей, ограничивающих возможность получения высокоочищенных веществ и материалов. Кроме этого, при получении активированных углеродных материалов по известным способам на их поверхности образуется ограниченное количество кислотных функциональных групп, а количество основных ионообменных групп известными методами анализа не определяется, то есть известные способы позволяют получать материалы только с незначительными кислотными свойствами. Кроме этого, для получения по известным способам материалов с относительно высокой сорбционной активностью требуется повышенная (как правило, более 40% ) степень обгара, то есть при потерях массы исходного волокна более 40% При этом повышенная степень обгара обусловливает пониженные прочностные показатели материала и снижение выхода активированного материала, а использование при карбонизации и активировании соединений, содержащих ионы металлов, обусловливает присутствие ионов металлов и других нежелательных функциональных групп в активированном материале, что резко снижает возможность использования материала для получения соединений с высокой степенью очистки.

Известно устройство для получения угля из растительных волокон, содержащее питатель, замкнутый канал для термообработки с транспортирующим шнеком внутри, патрубками для отвода карбонизированного продукта, патрубком удаления газообразных продуктов карбонизации и обогреваемой снаружи горячими газами рубашкой [19]

Известна выполненная в виде замкнутого цилиндра печь для получения активированного угля, содержащая горелку и трубу подачи пара для активирования, причем горелка выполнена с возможностью ее удаления при начале процесса активирования и введения вместо горелки дополнительной трубы подвода пара [20]

Известен аппарат для производства сорбционно-активного волокнистого углеродсодержащего материала, содержащий последовательно установленные и сообщающиеся между собой секции ввода материала, карбонизации, активирования, охлаждения и вывода материала, в котором с целью улучшения эксплуатационных свойств, повышения производительности и надежности аппарат дополнительно снабжен переходными камерами, установленными между секциями карбонизации и активирования, каждая из которых содержит приспособление для струйной обработки материала и расположенные между ними газовые затворы, причем каждая из камер имеет термоизолированный короб, а газовые затворы выполнены в виде сопловых коробов [21]

Известна печь для периодического производства активированного угля из целлюлозного волокна, обработанного по крайней мере одной кислотой Льюиса из группы, включающей галогениды цинка, алюминия, магния, железа, бария, аммония и хрома. В печи осуществляют сушку обработанного материала, механическое размягчение материала, размещение материала на каркасе без натяжения. Каркас помещают в адаптированную по форме печь, имеющую по крайней мере один нагревающий элемент в основании и по крайней мере один нагревающий элемент в/на боковой стенке, причем материал отделен от нагревательных элементов. Затем проводят карбонизацию материала, а затем карбонизированный материал активируют до требуемой степени активирования, после чего быстро охлаждают печь [22]

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому при использовании результату (прототипом для устройства) является аппарат для активирования углеродных волокнистых материалов, содержащий камеру активирования с расположенными внутри электронагревателями направленного излучения с защитным чехлом, встроенным змеевиковым теплоизолированным электропароперегревателем и инжектором для частичной рециркуляции отходящих газов и воздуха, а также средства для ввода и вывода волокнистого жгута, выполненные в виде сматывающей и наматывающей бобин и направляющих роликов, обеспечивающих двухкратное прохождение волокнистого материала через камеру активирования [23]

Недостатками данных аппаратов являются сложность конструкции и сложность регулирования параметров процесса активирования, что обусловливает неравномерность качества получаемых материалов.

Основная техническая проблема (не разрешенная до настоящего времени изобретательская задача), сдерживающая расширение промышленного использования активированных углеродных волокон, заключается в том, что необходимость производства активированных углеродных материалов с повышенными сорбционными показателями требует по известным технологиям повышенной степени обгара при активации углеродного волокна, что приводит к уменьшению выхода конечного продукта и значительному снижению механических показателей активированных углеродных волокон.

Требуемым техническим результатом группы изобретений (целью группы изобретений) является получение волокнистого активированного углеродного материала с повышенными эксплуатационными сорбционными показателями за счет обеспечения возможности получения полиамфолитного материала путем более эффективного активирования карбонизированного волокна при одновременном повышении выхода целевого продукта за счет снижения степени обгара волокна при активировании.

Поставленная цель (требуемый технический результат) достигается тем, что волокнистый углеродный материал, содержащий углеродную матрицу, имеющую на поверхности кислотные и основные функциональные группы, согласно изобретению в качестве матрицы содержит карбонизированные и активированные полимерные волокна и характеризуется значением сорбционной емкости по метиленовому голубому не менее 350 мг/г при отношении массы активированного материала к массе карбонизированного волокна не менее 60% При этом материал характеризуется значением статической обменной емкости по кислотным функциональным группам (СОЕ) не менее 0,40 мэкв/г, значением статической обменной емкости (СОЕ) по основным функциональным группам не менее 0,25 мэкв/г и значением окисляемости по перманганату калия не менее 15 мэкв/г.

При этом материал получен активацией карбонизированных целлюлозосодержащих волокон или активацией карбонизированных полиакрилонитрильных волокон, содержит углеродные волокна диаметром 1,0 10,0 мкм.

При этом материал характеризуется распределением значений размера диаметра пор преимущественно 20 200 ангстрем, величиной объема пор по воде не менее 0,48 куб.см/г, величиной объема пор по этиловому спирту не менее 0,50 куб. см/г и величиной объема пор по бензолу не менее 0,52 куб.см/г. Поставленная цель (требуемый технический результат) достигается также тем, что по способу получения полиамфолитного волокнистого углеродного материала, включающем обработку полимерных волокон азотсодержащим соединением, согласно изобретению обработке подвергают карбонизированные волокна, в качестве азотсодержащего соединения используют соединения, разлагающиеся при температуре активирования с образованием газообразного аммиака и других газообразных веществ, а после обработки осуществляют активирование обработанных карбонизированных волокон.

При этом активирование обработанных азотсодержащим соединением карбонизированных волокон осуществляют при температуре 800 1200oC, азотсодержащее соединение используют в виде раствор 0,1 20% концентрации, обработку карбонизированных волокон осуществляют их пропиткой водным раствором азотсодержащего соединения путем окунания волокон в раствор добавки или путем окунания волокон в раствор добавки в процессе их непрерывного транспортирования в камере активирования или путем напыления азотсодержащего соединения на поверхность волокон или путем напыления азотсодержащего соединения на предварительно увлажненные волокна.

При этом в качестве азотсодержащего соединения используют органические соединения, разлагающиеся при температуре активирования с образованием газообразного аммиака и других газообразных веществ, в частности в качестве азотсодержащего соединения используют мочевину, карбонат или бикарбонат аммония, или ацетат аммония, или раствор аммиака, а активирование проводят путем перемещения обработанных азотсодержащим соединением карбонизированных волокон через камеру активирования.

Поставленная цель (требуемый технический результат) достигается также тем, что устройство для непрерывного активирования углеродного волокнистого материала, содержащее камеру активирования, средство подачи углеродного материала в камеру активирования и средство удаления из нее активированного материала, согласно изобретению дополнительно содержит средство для пропитки волокнистого материала раствором добавки, выполненное, например, в виде емкости для пропитывающего состава, расположенной со стороны подвода материала в камеру активирования и сообщающейся с камерой активирования.

При этом емкость для пропитывающего состава дополнительно содержит средство для регулирования уровня пропитывающего состава, выполненное, например, в виде переливной трубы, камера активирования выполнена цилиндрической формы с обеспечением возможности непрерывного активирования материала, изготовленных в виде жгута, или камера для активирования выполнена плоской с обеспечением возможности непрерывного активирования материала, изготовленных в виде плоских листов или ленты.

При этом к камере активирования со стороны подвода материала присоединена перегородка, один край которой герметично соединен с верхней частью камеры активирования непосредственно над местом ввода материала в камеру активирования, а другой край перегородки опущен в емкость для пропитывающего состава с возможностью образования гидрозатвора в емкости для пропитки, к опущенному в емкость для пропитывающего состава краю перегородки дополнительно присоединено средство для изменения направления движения материала в емкости для пропитки, выполненное, например, в виде ролика или валка.

Предложенная группа изобретений позволяет получить новый материал с существенно увеличенными сорбционными показателями и значительной механической прочностью (сопротивляемостью разрыву) из-за сравнительно низкой степени обгара волокна при активировании. Кроме этого, новый материал обладает новой уникальной совокупностью свойств, обеспечивающих возможность одновременной сорбции соединений различных типов, а именно материал является полиамфолитом. То есть особенности способа получения материала обеспечивают одновременное образование на поверхности материала значительного количества кислотных и основных функциональных групп.

На чертеже изображен общий вид устройства для непрерывного активирования углеродного волокнистого материала.

Устройство для непрерывного активирования углеродного волокнистого материала (чертеж) содержит камеру активирования 1, внутри которой при активировании перемещают волокнистый материал 2. Камера активирования 1 расположена в корпусе 3 и снабжена средством нагревания, выполненным, например, в виде электрического нагревательного элемента 4. Переход входом в камеру активирования расположено средство для пропитки волокнистого материала раствором добавки 5, выполненное, например, в виде емкости 6, сообщающейся с камерой активирования.

При этом емкость для пропитывающего состава 6 дополнительно содержит средство для регулирования уровня пропитывающего состава, выполненное, например, в виде переливной трубы 7.

При этом камеру активирования 1 выполняют цилиндрической формы с обеспечением возможности непрерывного активирования материалов, изготовленных в виде жгута, либо выполняют плоской с обеспечением возможности непрерывного активирования материалов, изготовленных в виде плоских листов или ленты.

Кроме этого, в камере активирования со стороны подвода материала присоединена перегородка 8, один край которой герметично соединен с верхней частью камеры активирования 1 непосредственно над местом ввода материала в камеру активирования, а другой край перегородки опущен в емкость 6 для пропитывающего состава с возможностью образования гидрозатвора в емкости для пропитки.

Кроме этого, к опущенному в емкость для пропитывающего состава 1 краю перегородки 8 дополнительно присоединено средство 9 для изменения направления движения материала в емкости для пропитки, выполненное, например, в виде ролика или валка.

Перемещение волокнистого материала через камеру активирования обеспечивается при помощи роликов или валков 10. Для удаления газов, образующихся в процессе активирования, в устройстве предусмотрена труба 11.

Устройство работает следующим образом.

Исходный волокнистый материал при помощи средств перемещения 9 и 10 подают в камеру для пропитывающего раствора 5, где волокно пропитывается водным раствором добавки 5. Затем пропитанное волокно поступает в камеру активирования 1, а на выходе из камеры активирования активированное волокно охлаждают на воздухе путем перемотки на дополнительных валках.

Материал по изобретению получают, а способ его получения реализуют следующим образом.

Исходное углеродное волокно, полученное карбонизацией полимерных волокон, преимущественно целлюлозосодержащих или полиакрилнитрильных, пропитывают водным раствором добавки. Пропитанное волокно подвергают активированию при температуре 800 1200oC, а затем охлаждают на воздухе.

В качестве добавки преимущественно используют азотсодержащие соединения, преимущественно органические, способные при активировании разлагаться с образованием газообразного аммиака и других газообразных продуктов, например мочевину, карбонат или бикарбонат аммония, ацетат аммония или раствор аммиака.

Добавку используют в виде водного раствора с концентрацией добавки 0,1 - 20,0 мас. преимущественно 1,0 2,0%

Скорость подачи волокна в камеру активирования регулируют так, чтобы в результате проведения процесса активирования потери массы исходного волокна (степень обгара) не превышали 40%

Полученное углеродное активированное волокно анализируют на сорбционную активность по метиленовому голубому в соответствии с ГОСТ 4453-74 и содержание кислотных и основных функциональных групп по показателю СОЕ (статической обменной емкости) в соответствии с ГОСТ 20255.1-84. Для получения дополнительной информации о пористости материала используют методы электронной микроскопии, малоуглового рентгеновского рассеяния, определения общего объема пор изопиестическим методом по воде, этиловому спирту и бензолу. Окисляемость материала определяют по количеству восстановленного перманганата калия в нейтральном растворе.

Для доказательства возможности промышленной применимости материала по изобретению и способа его получения проводили сравнение свойств известных сорбционных волокнистых углеродных материалов и материала по изобретению, полученного при различных вариантах реализации изобретения.

Пример 1 (аналог). Проводили анализ промышленно выпускаемого волокнистого углеродного сорбента АКТИЛЕНа по ТУ 6-06-И160-87. Результаты анализа приведены в таблице.

Пример 2 (прототип для материала). Проводили анализ промышленно выпускаемого углеродного волокна УГЛЕН-9 по ТУ 6-06-И87-81. Результаты анализа приведены в таблице.

Примеры 3 и 4 (аналог). Исходное волокно УГЛЕН-9 пропитывали водой и подвергали активированию в среде водяного пара при температуре 800 - 1200oC и при степени обгара соответственно 38 и 50% Показатели полученного при этом волокнистого активированного углеродного материала приведены в таблице 1.

Пример 5. Исходное волокно УГЛЕН-9 пропитывали водным 1% раствором ацетата аммония, затем подвергали активированию при температуре Т 800 - 1000oC. Показатели полученного при этом волокнистого активированного углеродного материала приведены в таблице.

Примеры 6, 7, 8. Условия опытов аналогичны примеру 5, но в качестве пропитывающего раствора использовали соответственно 0,5-ный, 1%-ный и 2%-ный раствор мочевины. Показатели полученного при этом волокнистого активированного углеродного материала приведены в таблице. Объем сорбционного пространства полученных образцов материала, определенный по сорбции паров этилового спирта, составил 0,65, 0,60 и 0,50 куб.см/г соответственно.

Примеры 9, 10, 11. Условия опытов аналогичны примеру 5, но в качестве пропитывающего раствора использовали соответственно 0,2%-ный, 1%-ный и 2%-ный раствор бикарбонат аммония. Показатели полученного при этом волокнистого активированного углеродного материала приведены в таблице. Объем сорбционного пространства полученных образцов материала, определенный на сорбции паров бензола, составил 0,54, 0,60 и 0,61 куб.см/г соответственно.

Примеры 12. Условия опыта аналогичны примеру 5, но в качестве пропитывающего раствора использовали 2%-ный раствор гексаметилентетрамина (уротропина). Показатели полученного при этом волокнистого активированного углеродного материала приведены в таблице. Объем сорбционного пространства полученных образцов материала, определенный по сорбции паров бензола, составил 0,48 куб.см/г соответственно.

Примеры 13, 14, 15, 16. Условия опытов аналогичны примеру 5, но в качестве пропитывающего раствора использовали 0,5%-ный раствор ацетата аммония, а активирование материала проводили соответственно при температуре 750, 950, 1100 и 1250oC. Показатели полученного при этом волокнистого активированного углеродного материала приведены в таблице.

Аналогичные результаты были получены при использовании растворов различных азотсодержащих соединений, в частности при использовании карбоната аммония, мочевины и ацетата аммония различных концентраций.

Анализ примеров показывает, что наряду с приданием углеродному активированному волокнистому материалу по изобретению полиамфолитических свойств введение добавок при активировании приводит к существенному увеличению сорбционной емкости материала при сравнительно невысоких степенях обгара.

Данный технический результат достигался при использовании 0,2 20,0%-ных растворов добавки различных азотсодержащих соединений, однако наилучший результат наблюдался при использовании 1 2%-ных растворов добавок. Дополнительные опыты, проведенные при использовании раствора добавки концентрацией 0,2% и ниже, показали недостаточное влияние добавки на качественные показатели материала, а увеличение концентрации добавки в растворе от 2,0 до 20% приводит к снижению сорбционных характеристик материала, что связано, вероятно, с преимущественным прогоранием мезо- и макропор материала при высоком содержании в реакторе газообразных продуктов разложения добавки. Таким образом, наилучший технический результат достигается при использовании 1 2% -ных растворов добавки.

Использование предлагаемого материала при очистке питьевой воды показало возможность удаления до 99,5% фенолов, 96% нефтепродуктов, 98% пестицидов, 99% ионов тяжелых металлов.

Предлагаемый волокнистый активированный углеродный материал может быть использован при очистке жидких сред от нежелательных примесей, в частности при очистке питьевой воды, сточных вод, при предподготовке вод производственных циклов, а также для удаления нежелательных примесей из газообразных сред. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Полиамфолитный волокнистый углеродный материал, содержащий углеродную матрицу, имеющую на поверхности кислотные и основные функциональные группы, отличающийся тем, что в качестве матрицы он содержит карбонизированные и активированные полимерные волокна и характеризуется значением сорбционной емкости по метиленовому голубому не менее 350 мг/г при отношении массы активированного материала к массе карбонизированного волокна не менее 60%

2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что характеризуется значением статической обменной емкости по кислотным функциональным группам (СОЕ) не менее 0,40 мэкв/г.

3. Материал по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что характеризуется значением статической обменной емкости (СОЕ) по основным функциональным группам не менее 0,25 мэкв/г.

4. Материал по пп.1 3, отличающийся тем, что характеризуется значением окисляемого по перманганату калия не менее 15 мэкв/г.

5. Материал по пп. 1 4, отличающийся тем, что материал получен активацией карбонизированных целлюлозосодержащих волокон.

6. Материал по пп. 1 4, отличающийся тем, что материал получен активацией карбонизированных полиакрилонитрильных волокон.

7. Материал по пп. 1 6, отличающийся тем, что содержит углеродные волокна диаметром 1,0 10,0 мкм.

8. Материал по пп. 1 7, отличающийся тем, что характеризуется распределением значений размера диаметра пор преимущественно 20 200 Ангстрем.

9. Материал по пп.1 8, отличающийся тем, что характеризуется величиной объема пор по воде не менее 0,48 куб.см/г.

10. Материал по пп. 1 9, отличающийся тем, что характеризуется величиной объема пор по этиловому спирту не менее 0,50 куб.см/г.

11. Материал по пп.1 10, отличающийся тем, что характеризуется величиной объема пор по бензолу не менее 0,52 куб.см/г.

12. Способ получения полиамфолитного волокнистого углеродного материала, включающий обработку полимерных волокон азотсодержащим соединением, отличающийся тем, что обработке подвергают карбонизированные волокна, в качестве азотсодержащего соединения используют соединения, разлагающиеся при температуре активирования с образованием газообразного аммиака и других газообразных веществ, а после обработки осуществляют активирование обработанных карбонизированных волокон.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что активирование обработанных азотсодержащим соединением карбонизированных волокон осуществляют при температуре 800 1200 oС.

14. Способ по п. 12, отличающийся тем, что азотсодержащее соединение используют в виде растворов 0,1 20% концентрации.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что обработку карбонизированных волокон осуществляют их пропиткой водным раствором азотсодержащего соединения.

16. Способ по п. 14, отличающийся тем, что обработку волокон раствором добавки осуществляют путем окунания волокон в раствор добавки.

17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что пропитку волокон осуществляют путем окунания волокон в раствор добавки в процессе их непрерывного транспортирования в камеру активирования.

18. Способ по п. 12, отличающийся тем, что обработку волокон азотсодержащим соединением осуществляют путем напыления азотсодержащего соединения на поверхность волокон.

19. Способ по п. 17, отличающийся тем, что обработку волокон производят путем напыления азотсодержащего соединения на предварительно увлажненные волокна.

20. Способ по п. 12, отличающийся тем, что в качестве азотсодержащего соединения используют органические соединения, разлагающиеся при температуре активирования с образованием газообразного аммиака и других газообразных веществ.

21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что в качестве азотсодержащего соединения используют мочевину.

22. Способ по п. 12, отличающийся тем, что в качестве азотсодержащего соединения используют карбонат или бикарбонат аммония, или ацетат аммония, или раствор аммиака.

23. Способ по пп. 12 22, отличающийся тем, что активирование проводят путем перемещения обработанных азотсодержащим соединением карбонизированных волокон через камеру активирования.

24. Устройство для непрерывного активирования углеродного волокнистого материала, содержащее камеру активирования, средство подачи углеродного материала в камеру активирования и средство удаления из нее активированного материала, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство для пропитки волокнистого материала раствором добавки, выполненное, например, в виде емкости для пропитывающего состава, расположенной со стороны подвода материала в камеру активирования и сообщающейся с камерой активирования.

25. Устройство по п. 24, отличающееся тем, что емкость для пропитывающего состава дополнительно содержит средство для регулирования уровня пропитывающего состава, выполненное, например, в виде переливной трубы.

26. Устройство по пп. 24 и 25, отличающееся тем, что камера активирования выполнена цилиндрической формы с обеспечением возможности непрерывного активирования материалов, изготовленных в виде жгута.

27. Устройство по пп. 24 26, отличающееся тем, что камера для активирования выполнена плоской с обеспечением возможности непрерывного активирования материалов, изготовленных в виде плоских листов или ленты.

28. Устройство по пп. 24 27, отличающееся тем, что к камере активирования со стороны подвода материала присоединена перегородка, один край которой герметично соединен с верхней частью камеры активирования непосредственно над местом ввода материала в камеру активирования, а другой край перегородки опущен в емкость для пропитывающего состава с возможностью образования гидрозатвора в емкости для пропитки.

29. Устройство по п. 28, отличающееся тем, что к опущенному в емкость для пропитывающего состава краю перегородки дополнительно присоединено средство для изменения направления движения материала в емкости для пропитки, выполненное, например, в виде ролика или валка.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Воздухо- и водоочистка. Опреснительные установки






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "и" означает, что будут найдены только те страницы, где встречается каждое из ключевых слов. Например, при запросе "очистка воды" будет найдено словосочетание "очистка воды". При использовании режима "или" результатом поиска будут все страницы, где встречается хотя бы одно ключевое слово ("очистка" или "воды").

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+очистка -воды".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "сток" будут найдены слова "стоков", "стоки" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу "сток!".


Устройства и способы водоочистки | Опреснительные установки. Дистилляторы | Устройства и способы воздухоочистки


Рейтинг@Mail.ru