Файл: Методические указания для проведения лабораторных и практических работ по предмету "Технология и оборудование по переработке твердых бытовых и промышленных отходов".doc

Экспериментальная часть

1. Подготовка сырья. Определение основных физических характеристик сырья, угля-сырца и активного угля

С точки зрения получения собственно целевого продукта наиболее важными характеристиками сырья, используемого для производства активного угля, являются его гранулометрический состав (максимальная однородность которого служит определенной гарантией возможности получения продукта с идентичной пористой структурой отдельных частиц), влажность (существенно влияющая на энергетические затраты процесса карбонизации) и зольность (зола концентрируется в полупродукте и приготовляемом из него активном угле, серьезно осложняя в ряде случаев соответствующие технологические процессы с его использованием).*

В настоящей работе в качестве исходного сырья используют древесные опилки хвойных пород. В связи с изложенным исходные опилки подвергают фракционированию на лабораторных ситах, отбирая для проведения экспериментов фракцию 2 - 4 мм в количестве 120 г.

Влажность (W) и зольность (А) древесных опилок (а также получаемых угля-сырца и активного угля) определяют стандартными методами технического анализа твердого топлива. Получаемые при таком анализе данные обычно относят к определенному состоянию топлива: рабочему (р), воздушно- сухому (а) или абсолютно сухому (с). Рабочим топливом называют такое, которое не подвергается подсушке. Воздушно-сухим обозначают топливо, получаемое подсушкой образца в сушильном шкафу при 70 … 75 ⁰С с последующим выдерживанием его на воздухе при температуре 18… 20 ⁰ С. Топливо, полученное подсушкой пробы до постоянной массы при 105 ⁰С, называют абсолютно сухим.

2. Определение влажности.

Древесина содержит свободную (в полостях клеток) и связанную (в оболочках клеток) влагу. Влажность древесины, соответствующая пределу ее гигроскопичности (состоянию, при котором в древесине содержится максимальное количество связанной, или гигроскопической влаги, а свободная влага отсутствует) при 20 ⁰С составляет в среднем 30 %.

Для определения влажности в предварительно взвешенный бюкс диаметром 35 - 40 мм и высотой 25 - 30 мм помещают взвешенную на аналитических весах с точностью до 0,01 г навеску опилок (1 г), размер частиц которых не превышает 0,21 мм. Навеску разравнивают легким встряхиванием бюкса и высушивают в предварительно разогретом сушильном шкафу при 105…110

---

⁰С при полуоткрытой крышке бюкса в течение 60 мин. Затем бюкс с испытуемой пробой вынимают из шкафа, плотно закрывают крышкой, охлаждают на воздухе 2 - 3 мин, затем в эксикаторе до комнатной температуры и взвешивают. Контрольные просушивания проводят при той же температуре в течение 30 мин, каждое до тех пор, пока убыль массы не окажется меньше 0,01 г. Проводят не менее двух параллельных определений, причем расхождение между ними при вычислении результатов анализа с точностью до 0,01% не должно превышать 0,3%.

При промышленной реализации процесса целесообразным является изучение и ряда других характеристик сырья, например, выхода летучих веществ, элементного состава и т.п.

Содержание влаги в испытуемом образце рассчитывают по формуле:

W = (m‑mo) / m *100 (%) (1)

где m – начальная масса образца, г; mo – масса образца в абсолютно сухом состоянии, г.

3. Определение зольности

Минеральные примеси в виде золы в том или ином количестве присутствуют практически во всех активных углях, получаемых из традиционного, «чистого» сырья. Присутствия более значительных их количеств следует ожидать по вполне очевидным причинам в активных углях, получаемых из промышленных отходов. Отдельные компоненты золы являются катализаторами многих нежелательных реакций, могущих осуществляться в присутствии ряда адсорбентов, в условиях работы адсорбционной аппаратуры. В связи с этим контроль зольности исходного сырья, полупродуктов и получаемых сорбентов является весьма важным.

Для определения зольности в предварительно взвешенный на аналитических весах фарфоровый тигель берут навеску древесных опилок (1 ± 0,1г) и помещают его в нагретую до 250…300 ⁰С муфельную печь, температуру в которой повышают в течение 1- 1,5 ч до 850±25 С. Образовавшийся зольный осадок выдерживают при температуре в течение 1-2 ч, после чего тигель вынимают из муфеля и охлаждают вначале на воздухе в течение 5 мин, а затем в эксикаторе до температуры 18…20 ⁰ С. Охлажденный тигель взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,0002 г. Контрольные прокаливания при той же температуре проводят в течение 30 мин до получения разности между двумя последовательными взвешиваниями, не превышающей 0,001г.

Содержание золы вычисляют по формуле:

Аа = mo/m^.100(%) (2)

где m – начальная масса образца, г; mo – масса прокаленного образца, г.

---

Результаты двух параллельных определений для образцов с зольностью ниже 12 % не должны расходиться более чем на 0,2 %.

Пересчет зольности на абсолютно сухое Ас (%) и рабочее Ар (%) состояние образца осуществляют по формулам:

Ас = Аа * 100/(100-Wa); (3)

Ap = Aa * (100-Wp)/(100-Wa) (4)

где Wa и Wp – содержание влаги соответственно при воздушно-сухом и рабочем состоянии образца, %.
Получение угля-сырца и активного угля

• 
  Описание экспериментальной установки
  

Пиролиз исходного сырья с получением угля сырца осуществляют в муфельной печи при Т= 350…600 ⁰С (температуру указывает преподаватель). Затем производим активацию угля паром. Задание, каким способом провести активацию необходимо получить у преподавателя.

• 
  Методика проведения эксперимента
  

а) Карбонизация исходного сырья с получением угля-сырца

Взвешивают с точностью до 0,01 г древесные опилки в количестве 20 г, обращая особое внимание на равномерность заполнения ими объема (допускается разравнивание, но не уплотнение вводимых порций опилок стеклянной палочкой). Для получения достаточных количеств полупродукта и активного угля операцию карбонизации повторяют в тех же условиях еще с двумя порциями сырья.

б) Активация угля-сырца водяным паром с получением активного угля

Процесс активации ведут в течение задаваемого преподавателем времени (обычно не более 60 — 90 мин). По его окончании и после остывания определяют массу активного угля и степень обгара.
Определение осветляющей способности активированного угля

по метиленовому голубому

Испытуемый уголь, предварительно высушенный при 110±3⁰С в течение 3 ч, в количестве 0,1 г взвешивают с точностью до 0,01 г, помещают в колбу с притертой пробкой емкостью 50 мл 5 мл раствора метиленового голубого (0,15% водный раствор) и взбалтывают в течение 5 мин. После обесцвечивания раствора прибавляют раствор метиленового голубого по 1 мл до неисчезающего в течение 5 мин синего окрашивания раствора.

Если первые 5 мл метиленового голубого не обесцвечиваются в течение 5 мин, то прибавление раствора начинают с 1 мл.

Осветляющую способность угля вычисляют в % к условно принятой величине осветляющей способности такого угля, 0,1 г которого обесцвечивает 20 мл 0,15% водного раствора метиленового голубого. Осветляющая способность такого угля условно принята за 100 %. Для расчета используем формулу:

---

Е=5*n, (5)

где Е – осветляющая способность угля, %,

n – количество мл раствора метиленового голубого, обесцвечивающегося навеской испытуемого угля в 0,1 г,

5 – коэффициент 100/20.

Осветляющую способность вычисляют с точностью до 1 %.
Определение сорбционных характеристик угля-сырца

и активного угля
Сорбция окисленными активными углями определяется в основном дисперсионными силами взаимодействия поглощаемых молекул с углеродной поверхностью и в ряде случаев в определенной степени ионообменными свойствами последней, находящейся в водном растворе. Активные угли представляют собой единственный гидрофобный тип промышленных адсорбентов. Процесс насыщения углей влагой является чрезвычайно медленным: равновесие его достигается в течение нескольких месяцев. В связи с этим влажность среды практически не влияет на эффективность извлечения примесей из газовой или жидкой фаз. Это обстоятельство и определяет широкое использование активных углей для рекуперации паров, очистки влажных газов и сточных вод.

Для полученных в работе угля-сырца и активного угля определяют их влажность и зольность (см. раздел «подготовка сырья»), общую обменную емкость, суммарный объем микро- и мезопор. Кроме того, для активного угля экспериментально определяют изотерму адсорбции по парам бензола, на основании которой рассчитывают параметры термического уравнения адсорбции Дубинина-Радушкевича, характеризующие качество полученного адсорбента
Определение общей обменной емкости

В соответствии с современными представлениями ионообменные свойства окисленных углей обусловлены присутствием на их поверхности различных протогенных функциональных групп (карбоксильных, фенольных, карбонильных, хинонных, пероксидных и др.), а также относительно свободных ионов водорода, образующих наружную обкладку двойного электрического слоя у отрицательно заряженной поверхности окисленных углей. Общее количество указанных групп, их соотношение и степень кислотной ионизации зависят от конкретных условий, т.е. от характеристик исходного углеродного сырья, способа и степени его окисления.

---

Проведенные специальные исследования позволяют утверждать, что функциональные группы являются поверхностными, нефазовыми соединениями, тождественными по химическому составу таким же группам, являющимся частью индивидуальных химических соединений. Это позволяет осуществлять их идентификацию и количественное определение общепринятыми для этих целей методами, наиболее доступным из которых является химический. Данный метод основан на нейтрализации поверхностных групп щелочами и кислотами. В соответствии с ним общая обменная емкость сорбента (в мг-эквивалентах на г сорбента) определяется в статических условиях путем приведения в равновесие 100 см³ 0,1 н водных растворов NaOH и HCl с 1 г сорбента с последующим обратным титрованием не вступивших во взаимодействие реагентов. Для ускорения достижения равновесия рекомендуется периодическое взбалтывание испытуемой пробы при достаточном времени контакта. Последнее устанавливают по совпадению результатов титрования последовательно отбираемых проб раствора или проведением ряда последовательных испытаний.

Вычисление статической обменной емкости (СОЕ) производят по формулам для анионообменной емкости:

COE_a = (N _HCl* V _HCl - N _NaOH * V _NaOH)/V _HCl * 1000 (мг-экв/л) (6)

для катионообменной емкости:

COE_k = (N _NaOH * V _NaOH - N _HCl *V _HCl)/V _NaOH * 1000 (мг-экв/л), (7)

где N_HCl, N_NaOH представляют нормальности, а V_HCl, V_NaOH — объемы реактивов, израсходованных на определение обменной емкости и титрование растворов.

Определение суммарного объема микро- и мезопор.

Адсорбционная способность углей может быть оценена по показателю бензолоемкости, который приблизительно соответствует суммарному объему микро- и мезопор, выраженному в см³/г.

Для осуществления определения этой характеристики навеску угля (1г), взвешенную с точностью до 0,01 г, помещают в предварительно взвешенный бюкс, высушивают при 120⁰С до постоянной массы, охлаждают до температуры 18-20⁰С, помещают в эксикатор с бензолом и выдерживают там при этой температуре до постоянной массы. Определения показателя бензолоемкости осуществляют по формуле:

V = (g₂ - g₁)/((g₁ - g_o)*p C₆H₆) (8)

где g_o – масса пустого сухого бюкса, г; g₁

---