Наука: Новый активный уголь - 13-03-2013, 00:50

Виктор Михайлович МУХИН

начальник лаборатории активных углей ОАО «ЭНПО «Неорганика», доктор технических наук, профессор, лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники, академик Международной академии наук экологии, безопасности человека и природы

НОВЫЕ АКТИВНЫЕ УГЛИ НА ОСНОВЕ АНТРАЦИТА

Экологическая обстановка в существенной мере влияет на качество жизни человека. При этом поглощение вредных газов и паров из отходящего воздуха, а также очистка сточных вод и питьевое водоснабжение в значительной степени определяют чистоту биосферы. Резко возросшее загрязнение окружающей среды стало приносить человечеству вред, соизмеримый с последствиями применения оружия массового поражения, в том числе и химического.

Результаты исследований Всемирной организации здравоохранения, охватывающих почти полувековой период (1945-1993), свидетельствуют, что в военных конфликтах в мире погибло 23 миллиона военнослужащих и гражданских лиц, а от малярии, туберкулеза, СПИДа и других инфекционных заболеваний умерло 150 миллионов человек. По данным Высшей школы экономики (Новая газета, 2008, № 8) из-за сильного загрязнения воздуха в Москве ежегодно умирают 11 тысяч человек, а смертность жителей из-за нездоровой экологической обстановки в 2-3 раза выше, чем от дорожно-транспортных происшествий. Эти факты убедительно свидетельствуют о том, насколько важна чистота окружающей среды.

Еще более катастрофическая ситуация связана с питьевым водоснабжением. Несмотря на огромные запасы пресной воды на нашей планете, дефицит питьевой воды на Земле постоянно растет. В настоящее время из 7 миллиардов человек населения Земли 1,5 миллиарда (почти четверть) испытывают недостаток питьевой воды. Есть данные, что к 2025 году это число достигнет 2,5 миллиардов человек. Особенно это сказывается на жителях стран Северной Африки и Юго-Восточной Азии, а также Китая и Индии. Прогнозы футурологов говорят, что третья мировая война может начаться не из-за энергоресурсов (нефти и газа), а из-за пресной воды.

Активный уголь (АУ) является единственным типом сорбента, имеющего высокую адсорбционную способность при извлечении токсичных органических загрязнений из воды. Все питьевое водоснабжение и глубокая (ниже предельно допустимых концентраций) очистка сточных вод базируются на использовании порошковых и зерненных активных углях. На эти цели расходуется 30% мирового производства активного уголя.

Активный уголь не снижают своей адсорбционной емкости до влажности паровоздушного потока 90%. Вследствие этого в большинстве реализованных технологических процессов влажность паровоздушных смесей (ПВС), очищаемых активным углем, практически не оказывает влияния на эффективность извлечения примесей. В настоящее время общие объемы производства активного угля в мире составляют 1 миллион 250 тысяч тонн и характеризуются ежегодным приростом объема производства около 5%.

Максимальная производительность по активному уголю предприятий СССР достигала в 1989 году 40 тысяч тонн. В 2000 году в России по разным оценкам было произведено 10–12 тысяч тонн активных углей, а в 2008 году – всего лишь 4-5 тысяч тонн. Сегодня в среднем производится порядка 2,5–3 тысяч тонн в год. Говоря об объемах производства и потребления этой продукции, следует подчеркнуть важность таких показателей, как удельное производство и удельное потребление активных углей на человека в год. В СССР величины этих показателей были равны и составляли 0,15 килограмма на человека. В настоящее время в Российской Федерации они сократились до 0,02 килограмма на человека. В странах же Западной Европы, Японии и США удельное потребление АУ находится на уровне 0,5 килограмма на человека, причём в Голландии, находящейся в устье Рейна – в недавнем прошлом одной из самых загрязнённых рек Европы – величина этого показателя составляет 2,5 килограмма на человека. То есть наша экология в 25 раз хуже мировой.

Таким образом, вышеизложенное говорит об острейшей проблеме организации новых производств активного угля с желательным использованием простых технологических приемов переработки исходного углеродсодержащего сырья.

В различных регионах России широко представлены антрациты как ископаемое каменноугольное сырье. Потенциальные запасы и объемы этого типа каменноугольного сырья составляют 35 миллионов тонн. Наибольший интерес представляют антрациты Донецкого бассейна, Кузнецкого бассейна и Магаданской области, то есть для организации на их основе новых производств активных углей будет потребляться не более 0,2% их запаса. Особо важно отметить низкое содержание летучих веществ (менее 5%), что позволяет подвергать такой материал непосредственно активации без проведения операции карбонизации и обезлетучивания, а также малая зольность.

Полученные положительные результаты лабораторных исследований позволили поставить вопрос об изготовлении укрупненной опытно-промышленной партии активного угля на основе антрацита марки АУА в условиях опытного завода ОАО «ЭНПО «Неорганика». При этом технологический регламент на изготовление данной партии угля на основе антрацита включал всего четыре технологические операции, в то время как производство активного угля на каменноугольной основе марки АГ-3 требует 11 операций.

Технологические операции производства активного угля:

Тип АГ-3:

1. Дробление; 2. Размол; 3. Подготовка связующего; 4. Смешение (пастоприготовление); 5. Грануляция; 6. Сушка;

7. Карбонизация; 8. Рассев; 9. Активация; 10. Рассев; 11. Затаривание.

Тип АУА:

1. Дробление; 2 Активация; 3. Рассев; 4. Затаривание.

Проведенные исследования показали, что полученный активный антрацит марки АУА имеет более высокую прочность и низкое содержание золы по сравнению с активными углями марок промышленного производства БАУ-А и ДАУ-А. Адсорбционные показатели по тестовым веществам в жидкой фазе: йоду, метиленовому голубому имеют весьма интересную зависимость: по йоду они находятся на одном уровне (60–62 мин), а адсорбция метиленового голубого у промышленных АУ выше. Однако, если обратить внимание на адсорбционную способность по этим веществам, приведенным к единице объема адсорбента (мг/см3)*, то емкость АУА по сравнению с промышленными углями по этим веществам становится значительно выше.

Относительно адсорбционной способности по извлечению низкомолекулярных органических веществ, таких как бензол и хлористый этил из паровоздушных смесей, антрацит демонстрирует двукратное преимущество, что объясняется тонкой структурой его микропор. Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о перспективности активных антрацитов как сорбентов для использования в процессах защиты окружающей среды.

Активный уголь опытно-промышленной партии был передан в Научно-исследовательский институт коммунального водоснабжения и очистки воды (НИИКВОВ) (Москва) для исследования эффективности очистки воды. В таблице приведены результаты испытаний активированного антрацита, отечественного АГ-3 и бельгийского TL-830 по эффективности удаления формальдегида. Исследования показали, что активированный антрацит вполне может конкурировать с АГ-3 и TL-830 по извлечению формальдегида из воды. Аналогичные исследования по эффективности извлечения плохо сорбируемого фенола, как наиболее распространенного антропогенного загрязнителя как в сточных, так и природных водах, были выполнены в ОАО «НИИ ВОДГЕО» (Москва).

Испытания проводились в одинаковых условиях для двух типов сорбентов АУА и промышленного активного угля КАД-И:

• высота слоя – 120 и 520 мм

• скорость фильтрования растворов сорбата 2 и 4 м/ч

• время контакта раствора сорбата сорбентом – 1,8 и 7,8 мин

• концентрация сорбата в рабочих растворах ~ от 5 до 50 мг/дм³

В результате проведенных испытаний установлено, что при фильтровании раствора сорбата (фенола) через слои сорбентов высотой 120 мм «до проскока» сорбционная емкость сорбента АУА составила 9,4 мг/г, сорбционная емкость сорбента КАД-И – 2,15 мг/г. То есть сорбционная емкость «до проскока» сорбента АУА больше емкости сорбента КАД-И на единицу массы в 4,4 раза. Полученные результаты испытаний свидетельствуют об эффективности использования активированного антрацита в очистке питьевой воды при установке дополнительных адсорберов за слоем кварцевого песка на станциях водоподготовки, а также не исключается возможность замены кварцевого песка на активный антрацит, что значительно упростит эксплуатацию финишной стадии водоподготовки. По предварительным оценкам экономия средств на реконструкцию станций водоподготовки в целом по Российской Федерации может составить несколько десятков триллионов рублей.

Принимая во внимание особую важность Магаданской области, как золотодобывающего региона, мы провели испытание указанного антрацита Омсукчанского месторождения в процессах сорбции цианидного комплекса золота. Результаты испытаний, выполненных в головном институте золотодобывающей промышленности ОАО «Иргиредмет» (Иркутск) показали, что он соответствует требованиям, предъявляемым к активному углю в гидрометаллургии благородных металлов. При механической прочности 87–92% активный антрацит имел адсорбционную способность по золоту 14–22 мг/г (при норме 8 мг/г) и не уступал по своим эксплуатационным свойствам активным углям ведущих мировых производителей. На его основе могут быть организованы технологические процессы извлечения золота по схеме «кучное выщелачивание» и даже «сорбент в пульпе».

Проведенные исследования по получению активных антрацитов и их испытанию в реальных многотоннажных технологических процессах очистки воды и гидрометаллургии золота позволяют ставить вопрос об организации их промышленного производства в различных регионах страны, так как антрациты различных месторождений позволяют получать активный уголь с близкими качественными характеристиками. Внедрение разработанной технологии получения активного угля с использованием антрацитов различных регионов России позволит с минимальными затратами обеспечить отечественную индустрию качественными углеродными адсорбентами для решения экологических и технологических задач.

(Межотраслевой альманах ДСР №39/2013г.)