IT201800011015A1 - PROCESS FOR THE PREPARATION OF ACTIVATED CARBON FROM PETROLEUM RESIDUES - Google Patents
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Description
PROCEDIMENTO DI PREPARAZIONE DI CARBONE ATTIVO A PARTIRE DA RESIDUI PETROLIFERI PROCEDURE FOR PREPARING ACTIVATED CARBON FROM PETROLEUM RESIDUES
Descrizione Description
La presente invenzione riguarda un procedimento per la preparazione di carbone attivo partendo da residui petroliferi di raffineria o di processi di idroconversione di prodotti petroliferi pesanti. The present invention relates to a process for the preparation of activated carbon starting from oil refinery residues or to hydroconversion processes of heavy petroleum products.
I procedimenti di raffineria o di idroconversione dei prodotti petroliferi pesanti portano alla formazione di correnti di spurgo, residui petroliferi, che tipicamente contengono carica non convertita, metalli del catalizzatore usato, catalizzatore e residui carboniosi. Si comprende quindi come sia importante ai fini del miglioramento dell’efficienza produttiva e della conversione di una raffineria o dei processi di idroconversione di idrocarburi pesanti, trattare lo spurgo cercando di valorizzare le componenti che opportunamente trattate possono generare carbone attivo. Lo spurgo può essere trattato in modo tale da separare una corrente di leggeri, o chiarificato, da una fase solida nota come “cake”. Refinery or hydroconversion processes of heavy petroleum products lead to the formation of purge streams, petroleum residues, which typically contain unconverted feedstock, metals of the used catalyst, catalyst and carbon residues. It is therefore clear how important it is for the purpose of improving production efficiency and the conversion of a refinery or the hydroconversion processes of heavy hydrocarbons, to treat the purge trying to enhance the components that properly treated can generate activated carbon. The purge can be treated in such a way as to separate a stream of light, or clarified, from a solid phase known as a “cake”.
Scopo della presente invenzione è quindi quello di valorizzare il cake con il quale è possibile preparare un carbone attivo che presenta elevate aree superficiali ed elevato volume microporoso. The aim of the present invention is therefore to enhance the cake with which it is possible to prepare an activated carbon which has high surface areas and high microporous volume.
Nella presente domanda di brevetto per prodotti petroliferi pesanti si intendono greggi, greggi pesanti, bitumi da sabbie bituminose, residui di distillazione, tagli pesanti della distillazione, residui della deasfaltazione, olii sintetici prodotti provenienti dal processo Fischer Tropsch, olii vegetali, olii derivati da coke e scisti bituminosi, olii ottenuti per decomposizione termica di scarti, polimeri, biomasse. In the present patent application for heavy petroleum products we mean crude oils, heavy crudes, bitumens from tar sands, distillation residues, heavy distillation cuts, deasphalting residues, synthetic oils produced by the Fischer Tropsch process, vegetable oils, oils derived from coke and bituminous shales, oils obtained by thermal decomposition of waste, polymers, biomass.
Nella presente domanda di brevetto con il termine “spurgo” si intendono correnti organiche in fase slurry che contengono una quantità di idrocarburi aventi un punto di ebollizione superiore o uguale a 540°C maggiore del 65% in peso, una quantità di asfalteni superiori o uguali al 20% in peso e caratterizzata dalla presenza di tenori di solidi superiori o uguali al 4% in peso, il resto essendo idrocarburi che hanno punto di ebollizione compreso tra 350°C e 500°C. I solidi dello spurgo contengono residui carboniosi e composti metallici che possono contenere solfuri di metalli di transizione, quali ad esempio molibdeno, ferro, nichel e vanadio, ed aventi dimensioni sub-millimetriche. In the present patent application, the term "purge" means organic streams in the slurry phase that contain an amount of hydrocarbons having a boiling point greater than or equal to 540 ° C greater than 65% by weight, an amount of asphaltenes greater than or equal at 20% by weight and characterized by the presence of solids contents greater than or equal to 4% by weight, the rest being hydrocarbons having a boiling point between 350 ° C and 500 ° C. The purging solids contain carbon residues and metal compounds which may contain transition metal sulphides, such as molybdenum, iron, nickel and vanadium, and having sub-millimeter dimensions.
Ai fini della presente trattazione con il termine “solido” si intende la frazione insolubile in tetraidrofurano, indicata nel presente testo con la sigla THF-i. For the purposes of this discussion, the term "solid" means the fraction insoluble in tetrahydrofuran, indicated in this text with the initials THF-i.
Ai fini della presente trattazione con il termine “asfalteni” si intende la frazione organica solubile in tetraidrofurano ma insolubile in n-pentano. For the purposes of this discussion, the term "asphaltenes" means the organic fraction soluble in tetrahydrofuran but insoluble in n-pentane.
Gli asfalteni sono classificati in base alla loro insolubilità in n-paraffine (tipicamente aventi da 5 a 7 atomi di carbonio C5-C7). Tali composti sono generalmente costituiti da nuclei di aromatici policondensati variamente ramificati e uniti tra loro attraverso catene lineari. Tali composti possono contenere al proprio interno eteroatomi (S, N) i quali ne conferiscono la natura polare. Asphaltenes are classified based on their insolubility in n-paraffins (typically having 5 to 7 C5-C7 carbon atoms). Such compounds generally consist of polycondensed aromatic cores variously branched and joined together through linear chains. These compounds can contain heteroatoms (S, N) which give them their polar nature.
Nella presente domanda di brevetto con il termine “cake” si intende un materiale solido a temperatura ambiente con caratteristiche vetrose (vale a dire l’aspetto del cake ha le caratteristiche del vetro) che lo rendono facilmente macinabile e di conseguenza trasportabile anche per lunghi tratti senza rendere necessaria una particolare termostatazione. Tale caratteristica permane a temperature che variano nell’intervallo compreso fra 50°C e 60°C. In the present patent application, the term "cake" means a solid material at room temperature with glassy characteristics (ie the appearance of the cake has the characteristics of glass) which make it easy to grind and consequently transportable even for long stretches without requiring a particular thermostating. This characteristic persists at temperatures ranging in the range between 50 ° C and 60 ° C.
Il cake risulta duro a temperatura ambiente con punto di rammollimento compreso tra 80°C e 100°C e grado di penetrazione da 2 dmm a 5 dmm (dmm indica decimillimetri). Il punto di rammollimento è la temperatura alla quale il cake da solido diventa molle ed indica la dipendenza della consistenza del cake dalla temperatura. Il grado di penetrazione è misurato secondo il metodo ASTM-D5-06 ed esprime in decimillimetri la penetrazione subita dal materiale, a temperatura ambiente, da parte di un ago di peso noto. The cake is hard at room temperature with a softening point between 80 ° C and 100 ° C and a degree of penetration from 2 dmm to 5 dmm (dmm indicates decimillimeters). The softening point is the temperature at which the cake becomes soft from solid and indicates the dependence of the consistency of the cake on the temperature. The degree of penetration is measured according to the ASTM-D5-06 method and expresses the penetration undergone by the material, at room temperature, by a needle of known weight in decimillimeters.
La consistenza del cake è dovuta alla presenza dei solidi (THFi) in concentrazione maggiore rispetto alle altre correnti ed alla presenza di composti asfaltenici. The consistency of the cake is due to the presence of solids (THFi) in higher concentration than the other streams and to the presence of asphaltenic compounds.
Il cake contiene solidi come definiti precedentemente nel testo della presente domanda di brevetto. The cake contains solids as defined above in the text of this patent application.
I solidi del cake contengono residui carboniosi e composti metallici che possono contenere solfuri di metalli di transizione, quali ad esempio molibdeno, ferro, nichel e vanadio, ed aventi dimensioni submillimetriche. The solids of the cake contain carbon residues and metal compounds that may contain transition metal sulphides, such as molybdenum, iron, nickel and vanadium, and having submillimeter dimensions.
Nella presente domanda di brevetto con il termine “chiarificato” si intende un residuo idrocarburico privo di solidi e metalli, con un contenuto di asfalteni inferiore a quello presente inizialmente nello spurgo, e fluido già a temperature comprese nell’intervallo tra 100°C e 160°C. In the present patent application the term "clarified" means a hydrocarbon residue free of solids and metals, with a content of asphaltenes lower than that initially present in the purge, and fluid already at temperatures between 100 ° C and 160 ° ° C.
Nella presente domanda di brevetto con il termine malteni si intende l’insieme di quei composti solubili sia in Tetraidrofurano sia in n-pentano. In the present patent application, the term maltenes means the set of those compounds that are soluble in both tetrahydrofuran and n-pentane.
Nella presente domanda di brevetto, tutte le condizioni operative riportate nel testo devono intendersi come condizioni preferite anche se non espressamente dichiarato. In the present patent application, all the operating conditions indicated in the text must be understood as preferred conditions even if not expressly stated.
Ai fini della presente trattazione il termine “comprendere” o “includere” comprende anche il termine “consistere in” o “consistente essenzialmente di”. For the purposes of this discussion, the term "understand" or "include" also includes the term "consist in" or "essentially consisting of".
Ai fini della presente trattazione le definizioni degli intervalli comprendono sempre gli estremi a meno di diversa specificazione. For the purposes of this discussion, the definitions of the intervals always include the extremes unless otherwise specified.
I carboni attivi sono materiali contenenti principalmente carbonio amorfo, aventi una struttura altamente porosa. La proprietà principale del carbone attivo è l'elevata area superficiale specifica, tipicamente compresa fra 500 a 2500 m<2>/g, dovuta alla sua elevata porosità. Activated carbons are materials containing mainly amorphous carbon, having a highly porous structure. The main property of activated carbon is the high specific surface area, typically between 500 to 2500 m <2> / g, due to its high porosity.
I carboni attivi possono essere prodotti a partire da una larga varietà di materie prime ad elevato tenore di carbonio, quali torba, carbone, lignite, legno e noce di cocco. In aggiunta ai materiali di origine naturale, si sono sviluppate linee produttive che utilizzano come materia prima resine sintetiche o altri materiali polimerici, come il cloruro di polivinilidene (PVDC), o residui di raffineria o coke di petrolio. Activated carbon can be produced from a wide variety of high-carbon raw materials, such as peat, coal, lignite, wood and coconut. In addition to materials of natural origin, production lines have developed that use synthetic resins or other polymeric materials, such as polyvinylidene chloride (PVDC), or refinery residues or petroleum coke as raw material.
E’ nota la possibilità di utilizzare residui petroliferi per la preparazione di carboni attivi (GB 701174, 1951, Standard oil). Il processo prevede che il residuo sia sottoposto a coking e/o distillazione e successivamente trattato mediante un agente attivante ad elevate temperature. The possibility of using petroleum residues for the preparation of activated carbon is known (GB 701174, 1951, Standard oil). The process requires that the residue is subjected to coking and / or distillation and subsequently treated with an activating agent at high temperatures.
GB 1215794 descrive un processo per la produzione di carboni attivi ad alta efficienza che hanno un’elevata area superficiale, controllo delle dimensioni dei pori e della distribuzione dei pori ed elevata selettività. GB 1215794 describes a process for the production of highly efficient activated carbons that have a high surface area, control of pore size and pore distribution and high selectivity.
Il processo prevede di trattare un acido carbossilico aromatico con almeno un elettrolita formando un sale, quindi il sale viene decomposto mediante trattamento termico formando carbone attivo. The process involves treating an aromatic carboxylic acid with at least one electrolyte forming a salt, then the salt is decomposed by heat treatment forming activated carbon.
GB 1287275 descrive un processo per la produzione di carbone attivo ed un processo per aumentarne l’area superficiale. GB 1287275 describes a process for the production of activated carbon and a process for increasing its surface area.
Un acido carbossilico di un aromatico viene scaldato ad una temperatura e per un tempo sufficiente perché avvenga una decarbossilazione. Il composto viene impregnato con una base e successivamente trattato con anidride per formare carbone attivo. Per aumentare l’area superficiale del carbone attivo, questi viene impregnato con una base e successivamente con una anidride acida. A carboxylic acid of an aromatic is heated to a temperature and for a time sufficient for decarboxylation to occur. The compound is impregnated with a base and subsequently treated with anhydride to form activated carbon. To increase the surface area of the activated carbon, it is impregnated with a base and subsequently with an acid anhydride.
US 2,556,859 descrive un processo per la preparazione di carbone altamente selettivo verso alcune molecole, ed in particolare verso idrocarburi a catena lineare quali nparaffine ed iso-paraffine. Il processo prevede che materiale carbonioso sia sottoposto a coking ad elevate temperature formando carbone che viene successivamente attivato ad elevate temperature in un primo stadio usando vapore acqueo e successivamente in atmosfera inerte. US 2,556,859 describes a process for the preparation of highly selective coal towards some molecules, and in particular towards linear chain hydrocarbons such as nparaffins and iso-paraffins. The process requires that carbonaceous material is subjected to coking at high temperatures forming charcoal which is subsequently activated at high temperatures in a first stage using water vapor and subsequently in an inert atmosphere.
US 3994829 descrive un processo per preparare carbone attivo trattando termicamente e deacidificando termicamente materiale carbonioso, quindi carbonizzando il materiale ottenuto eliminando le componenti volatili. Infine il prodotto carbonizzato viene attivato in una certa fornace. US 3994829 describes a process for preparing activated carbon by thermally treating and thermally deacidifying carbonaceous material, then carbonizing the material obtained by eliminating the volatile components. Finally the charred product is activated in a certain furnace.
Tipicamente nella preparazione di un carbone attivo, la materia prima viene inizialmente sottoposta ad elevata temperatura in presenza di un gas, rimuovendo idrocarburi e altri prodotti gassosi. Questa fase può essere realizzata in gas inerte, in condizioni di pirolisi. Typically in the preparation of an activated carbon, the raw material is initially subjected to a high temperature in the presence of a gas, removing hydrocarbons and other gaseous products. This phase can be carried out in inert gas, under pyrolysis conditions.
Successivamente il residuo carbonioso viene sottoposto al processo di attivazione. Subsequently the carbonaceous residue is subjected to the activation process.
L’attivazione può avvenire per via fisica, ad esempio per trattamento ad elevate temperature in presenza di CO2, O2 o vapore a temperature comprese fra 800°C e 1000°C, Activation can take place physically, for example by treatment at high temperatures in the presence of CO2, O2 or steam at temperatures between 800 ° C and 1000 ° C,
causando la decomposizione di una quota del materiale di causing the decomposition of a portion of the material of
partenza e la produzione di numerosi pori e cricche. departure and production of numerous pores and cracks.
L’attivazione può avvenire anche per via chimica, ad Activation can also take place chemically, for example
esempio per trattamento ad elevate temperature in for example for treatment at high temperatures in
presenza di ZnCl2, acidi minerali quali ad esempio H3PO4, presence of ZnCl2, mineral acids such as H3PO4,
HNO3, K2CO3, Na2CO3, KOH, NaOH. La temperatura a cui HNO3, K2CO3, Na2CO3, KOH, NaOH. The temperature at which
avviene è generalmente compresa tra i 400°C e i 1000°C. occurs is generally between 400 ° C and 1000 ° C.
Dopo la rimozione dell'agente chimico attraverso After the removal of the chemical agent through
un'estrazione resta la struttura porosa del carbone an extraction remains the porous structure of the coal
attivato. activated.
La resa in carbone attivo dipende dal grado di The yield in activated carbon depends on the degree of
attivazione: un alto grado di attivazione è associato ad activation: a high degree of activation is associated with
una bassa resa. In generale la resa può essere compresa a low yield. In general, the yield can be understood
tra il 20% e il 60%. between 20% and 60%.
Costituisce quindi oggetto della presente domanda di It is therefore the subject of this application for
brevetto un procedimento per la preparazione di carbone patent a process for the preparation of coal
attivo, preferibilmente il carbone attivo descritto e active, preferably the described activated carbon e
rivendicato nella presente domanda di brevetto, claimed in the present patent application,
utilizzando come fonte di carbonio residui di raffineria using refinery residues as a source of carbon
o di processi di idroconversione di prodotti petroliferi or hydroconversion processes of petroleum products
pesanti, che comprende le seguenti fasi: heavy, which includes the following stages:
● Riscaldare uno spurgo ad una temperatura maggiore o ● Heat a purge to a higher temperature or
uguale di 185°C e non oltre 220°C, equal to 185 ° C and not more than 220 ° C,
● Separare detto spurgo riscaldato mediante ● Separate this heated bleed with
sedimentazione statica formando una corrente di static sedimentation forming a current of
chiarificato ed un cake; clarified and a cake;
● Sottoporre il cake direttamente ad attivazione per via ● Subject the cake directly to activation by way
fisica o chimica, ed escludendo che il cake sia physics or chemistry, and excluding that the cake is
sottoposto ad una fase di pirolisi prima della fase di subjected to a step of pyrolysis before the step of
attivazione, formando carbone attivo, e activation, forming activated carbon, e
● Successivamente raffreddare a temperatura ambiente e ● Then cool down to room temperature e
lavare con acqua detto carbone attivo, eventualmente in wash said activated carbon with water, possibly in
presenza di un acido, scelto ad esempio fra acido cloridrico, acido acetico, acido solforico, fino a pH neutro; quindi presence of an acid, selected for example from hydrochloric acid, acetic acid, sulfuric acid, up to neutral pH; so
● essiccare il carbone attivo lavato a temperatura compresa fra 50°C e 200°C. ● dry the washed activated carbon at a temperature between 50 ° C and 200 ° C.
Costituiscono un’ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione i carboni attivi, ottenibili con il procedimento descritto e rivendicato, che hanno le seguenti caratteristiche: A further embodiment of the present invention constitutes the activated carbons, obtainable with the process described and claimed, which have the following characteristics:
- Presenta isoterme di adsorbimento/desorbimento di azoto a 77K reversibili di tipo I - Features type I reversible 77K nitrogen adsorption / desorption isotherms
- Un’area superficiale specifica (SSA) superiore o uguale a 1800m<2>/g, preferibilmente compresa fra 2000 m<2>/g e 3000 m<2>/g, - A specific surface area (SSA) greater than or equal to 1800m <2> / g, preferably between 2000 m <2> / g and 3000 m <2> / g,
- un volume totale dei pori maggiore o uguale a 0.8ml/g, di cui il contributo della componente microporosa è compresa fra il 70% e il 95% in volume, preferibilmente compreso fra 80% e 90% in volume. - a total volume of pores greater than or equal to 0.8ml / g, of which the contribution of the microporous component is between 70% and 95% by volume, preferably between 80% and 90% by volume.
- un contributo della componente mesoporosa compresa fra il 5% e il 30% in volume, preferibilmente compresa fra il 10% e il 20% in volume rispetto al volume totale dei pori; - a contribution of the mesoporous component of between 5% and 30% by volume, preferably between 10% and 20% by volume with respect to the total volume of the pores;
- una capacità di adsorbimento di metano superiore o uguale al 14% in peso. - an adsorption capacity of methane greater than or equal to 14% by weight.
I carboni attivi così ottenuti, permettono di valorizzare i residui di raffineria o di processi di idroconversione di prodotti petroliferi pesanti. The activated carbons thus obtained make it possible to valorise refinery residues or hydroconversion processes of heavy petroleum products.
Il carbone attivo così ottenuto presenta un’alta area superficiale (SSA) superiore o uguale a 1800m<2>/g, preferibilmente compresa fra 2000 m<2>/g e 3000 m<2>/g, che lo rende particolarmente efficace nell’adsorbimento dei gas. Grazie all’attenta ottimizzazione e allo stretto controllo delle condizioni di attivazione, i carboni attivi presentano le caratteristiche tessiturali desiderate. The activated carbon thus obtained has a high surface area (SSA) greater than or equal to 1800m <2> / g, preferably between 2000 m <2> / g and 3000 m <2> / g, which makes it particularly effective in gas adsorption. Thanks to the careful optimization and strict control of the activation conditions, the activated carbons have the desired textural characteristics.
I carboni attivi così ottenuti hanno rese maggiori del The activated carbons thus obtained have yields greater than
45% in peso, vale a dire il peso di carbone attivo 45% by weight, i.e. the weight of activated carbon
rispetto al cake utilizzato, preferibilmente comprese fra with respect to the cake used, preferably between
45 e 70%. 45 and 70%.
Descrizione dettagliata. Detailed description.
La Richiedente descrive ora nel dettaglio il procedimento The Applicant now describes the procedure in detail
di preparazione del carbone attivo, oggetto della for the preparation of activated carbon, subject of the
presente domanda di brevetto. this patent application.
Una corrente di spurgo di raffineria o di processi di A refinery or process purge stream
idroconversione viene riscaldata ad una temperatura hydroconversion is heated to a temperature
maggiore o uguale di 185°C e non oltre 220°C, greater than or equal to 185 ° C and not more than 220 ° C,
preferibilmente tra i 200°C e 220°C. preferably between 200 ° C and 220 ° C.
Successivamente lo spurgo viene sottoposto a The purge is then subjected to
sedimentazione statica abbassando progressivamente ed in static sedimentation by progressively lowering and in
modo controllato la temperatura sino alla temperatura controlled way the temperature up to the temperature
minima di 100°C, preferibilmente comprese tra 100°C e minimum of 100 ° C, preferably between 100 ° C and
170°C, più preferibilmente compresa tra 100°C e 160°C. 170 ° C, more preferably between 100 ° C and 160 ° C.
L’abbassamento controllato della temperatura può avvenire Controlled lowering of the temperature can take place
in diversi modi: in different ways:
● mediante l’uso di un serbatoio adeguatamente ● through the use of an adequately equipped tank
dimensionato e termostatato, ad esempio termostatato sized and thermostated, for example thermostated
ad hot-oil, oppure to hot-oil, or
● mediante miscelazione della corrente calda da ● by mixing the hot stream from
decantare, ad esempio lo spurgo riscaldato, con una decant, for example heated purge, with a
corrente fredda, ad esempio il chiarificato che può cold current, for example the clarified it can
trovarsi ad una temperatura che varia da 200°C a be at a temperature ranging from 200 ° C to
80°C, considerando l’opportuno bilancio termico del 80 ° C, considering the appropriate heat balance of
sistema per calcolarne le portate. system for calculating the flow rates.
L’abbassamento della temperatura può essere di un valore The lowering of the temperature can be of a value
che varia da 3°C al minuto a 10°C al minuto, which varies from 3 ° C per minute to 10 ° C per minute,
preferibilmente da 5°C al minuto a 10°C al minuto, più preferibilmente 10°C al minuto. preferably from 5 ° C per minute to 10 ° C per minute, more preferably 10 ° C per minute.
Impiegando una delle due modalità precedenti per l’abbassamento controllato della temperatura la temperatura varia di un valore che ricade nell’intervallo da 3°C al minuto a 10°C al minuto, preferibilmente da 5°C al minuto a 10°C al minuto, più preferibilmente 10°C al minuto. Using one of the two previous modes for controlled lowering of the temperature, the temperature varies by a value that falls in the range from 3 ° C per minute to 10 ° C per minute, preferably from 5 ° C per minute to 10 ° C per minute , more preferably 10 ° C per minute.
Durante la sedimentazione statica, la temperatura deve essere tale da rendere insolubili gli asfalteni e contemporaneamente rendere movimentabile la parte chiarificata permettendone l’estrazione. During static sedimentation, the temperature must be such as to make asphaltenes insoluble and at the same time make the clarified part movable, allowing its extraction.
Nell’intervallo di temperatura compreso tra 100°C e 160°C la separazione della fase densa risulta ottimale. In the temperature range between 100 ° C and 160 ° C, the separation of the dense phase is optimal.
Durante la fase di sedimentazione lo spurgo non viene agitato. La sedimentazione forma una fase leggera, detta chiarificato, ed una fase pesante, detta cake, in funzione della densità. During the sedimentation phase, the purge is not stirred. Sedimentation forms a light phase, called clarified, and a heavy phase, called cake, depending on the density.
Il cake è sottoposto direttamente ad attivazione per via fisica o chimica e successivamente raffreddato a temperatura ambiente formando carbone attivo. Non è prevista nessuna fase di pirolisi prima della fase di attivazione. The cake is directly subjected to physical or chemical activation and subsequently cooled to room temperature forming activated carbon. There is no pyrolysis phase before the activation phase.
L’attivazione può preferibilmente avvenire per via fisica mediante un trattamento ad elevate temperature in presenza di CO2 o vapore acqueo; oppure per via chimica, per trattamento ad elevate temperature in presenza di un composto scelto preferibilmente fra ZnCl2, K2CO3, Na2CO3, KOH, NaOH, acidi minerali, quali ad esempio H3PO4 o HNO3. Un metodo di attivazione (carbonizzazione) preferito prevede il trattamento con KOH, a rapporti KOH/cake compreso da 0.5/1 a 5/1, preferibilmente da 1/1 a 3/1. La temperatura del trattamento di attivazione (carbonizzazione) è compresa preferibilmente fra 500°C e 900°C ed il tempo fra 1 ora e 10 ore, preferibilmente da 1.5 a 8 ore. L’attivazione è realizzata tipicamente in presenza di un flusso di azoto compreso fra 50 ml/min e 300 ml/min. Activation can preferably take place physically by means of a treatment at high temperatures in the presence of CO2 or water vapor; or chemically, by treatment at high temperatures in the presence of a compound preferably selected from ZnCl2, K2CO3, Na2CO3, KOH, NaOH, mineral acids, such as for example H3PO4 or HNO3. A preferred activation (carbonization) method provides for the treatment with KOH, at KOH / cake ratios ranging from 0.5 / 1 to 5/1, preferably from 1/1 to 3/1. The temperature of the activation treatment (carbonization) is preferably between 500 ° C and 900 ° C and the time between 1 hour and 10 hours, preferably from 1.5 to 8 hours. Activation is typically carried out in the presence of a nitrogen flow between 50 ml / min and 300 ml / min.
Si procede quindi a lavaggio con acqua, eventualmente in presenza di un acido, ad esempio scelto fra acido cloridrico, acido acetico o acido solfidrico, fino a raggiungere un pH neutro; quindi detto carbone attivo lavato viene essiccato a temperatura compresa fra 50°C e 200°C. Washing is then carried out with water, optionally in the presence of an acid, for example selected from hydrochloric acid, acetic acid or hydrogen sulphide, until a neutral pH is reached; then said washed activated carbon is dried at a temperature comprised between 50 ° C and 200 ° C.
Al termine del procedimento si ottiene un carbone attivo con elevata area superficiale ed elevato volume poroso. Costituiscono quindi un’ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione i carboni attivi, ottenibili con il procedimento descritto e rivendicato, che hanno le seguenti caratteristiche: At the end of the process, an activated carbon with a high surface area and a high porous volume is obtained. Therefore, a further embodiment of the present invention constitutes the activated carbons, obtainable with the process described and claimed, which have the following characteristics:
- isoterme di adsorbimento/desorbimento di azoto a 77K reversibili di tipo I - reversible type I nitrogen adsorption / desorption isotherms at 77K
- un’area superficiale specifica (SSA) superiore o uguale a 1800m<2>/g, preferibilmente compresa fra 2000 m<2>/g e 3000 m<2>/g, - a specific surface area (SSA) greater than or equal to 1800m <2> / g, preferably between 2000 m <2> / g and 3000 m <2> / g,
- un volume totale dei pori maggiore o uguale a 0.8 ml/g, di cui il contributo della componente microporosa è compresa fra il 70% e il 95% in volume, preferibilmente compreso fra 80% e 90% in volume. - a total volume of pores greater than or equal to 0.8 ml / g, of which the contribution of the microporous component is between 70% and 95% by volume, preferably between 80% and 90% by volume.
- un contributo della componente mesoporosa compresa fra il 5% e il 30% in volume, preferibilmente compresa fra il 10% e il 20% in volume rispetto al volume totale dei pori; - a contribution of the mesoporous component of between 5% and 30% by volume, preferably between 10% and 20% by volume with respect to the total volume of the pores;
- una capacità di adsorbimento di metano superiore o uguale al 14% in peso. - an adsorption capacity of methane greater than or equal to 14% by weight.
Il carbone attivo così preparato ha rese maggiori del 45% in peso (peso di carbone attivo rispetto al precursore cake utilizzato, preferibilmente comprese fra 45 e 70%. The activated carbon thus prepared has yields greater than 45% by weight (weight of activated carbon with respect to the cake precursor used, preferably between 45 and 70%.
Il carbone attivo così preparato può essere impiegato efficacemente nei processi di adsorbimento dei gas, in particolare del gas metano. The activated carbon thus prepared can be used effectively in gas adsorption processes, in particular methane gas.
Grazie all'elevata area superficiale specifica il carbone attivo è in grado di assorbire all’interno del suo sistema poroso molte molecole di altre sostanze, pertanto il carbone attivo è un materiale che presenta elevate capacità adsorbenti. Thanks to the high specific surface area, activated carbon is able to absorb many molecules of other substances within its porous system, therefore activated carbon is a material that has high adsorbing capacity.
I carboni attivi possono essere utilizzati nell'ambito della filtrazione, purificazione, deodorizzazione e decolorazione di fluidi, adsorbimento di gas. Activated carbon can be used in the field of filtration, purification, deodorization and discoloration of fluids, gas adsorption.
In particolare nel caso di adsorbimento di metano, i carboni attivi possono agire da adsorbenti nella tecnologia ANG (Adsorbed Natural Gas). La tecnologia ANG permette lo stoccaggio di gas naturale tramite materiali solidi e presenta vantaggi sia in termini gravimetrici sia di densità energetica volumetrica, sia relativamente alla sicurezza e all'efficienza energetica. In linea di principio permette di evitare la necessità di alte pressioni (tipiche della tecnologia CNG (Compressed Natural Gas) e/o basse temperature (tipiche della tecnologie LNG, Liquefied Natural Gas) per lo stoccaggio del gas naturale. In particular in the case of methane adsorption, activated carbons can act as adsorbents in the ANG (Adsorbed Natural Gas) technology. ANG technology allows the storage of natural gas through solid materials and has advantages both in terms of gravimetric and volumetric energy density, as well as in terms of safety and energy efficiency. In principle, it avoids the need for high pressures (typical of CNG (Compressed Natural Gas) technology) and / or low temperatures (typical of LNG, Liquefied Natural Gas technologies) for the storage of natural gas.
La tecnologia si basa sull'adsorbimento delle molecole di gas su un materiale adsorbente poroso a pressione relativamente bassa (ad esempio pressione massima di adsorbimento minore di 100 bar, preferibilmente minore di 70 bar, più preferibilmente minore di 50 bar) e a temperatura uguale o prossima alla temperatura ambiente, e permette di immagazzinare, in un recipiente in pressione riempito di tale materiale, un quantitativo di gas maggiore rispetto allo stesso recipiente vuoto alla medesima pressione. Questo aumento della capacità di stoccaggio del gas è principalmente dovuto alla formazione di uno strato sottile di molecole di gas ad elevata densità sulla superficie del materiale. The technology is based on the adsorption of gas molecules on a porous adsorbent material at relatively low pressure (for example maximum adsorption pressure less than 100 bar, preferably less than 70 bar, more preferably less than 50 bar) and at the same or close temperature. at room temperature, and allows to store, in a pressure vessel filled with this material, a greater quantity of gas than the same empty vessel at the same pressure. This increase in gas storage capacity is mainly due to the formation of a thin layer of high density gas molecules on the surface of the material.
La capacità di adsorbimento è fortemente influenzata dal materiale utilizzato. Come già specificato, l'adsorbimento è un processo superficiale e, pertanto, una caratteristica fondamentale per gli adsorbenti è la loro area superficiale specifica (SSA). The adsorption capacity is strongly influenced by the material used. As already specified, adsorption is a surface process and, therefore, a key feature for adsorbents is their specific surface area (SSA).
I carboni attivi preferiti per la tecnologia ANG sono principalmente microporosi. In accordo con la terminologia IUPAC “Manual of Symbols and Terminology” (1972), Appendix 2, Part I Coll. Surface Chem. Pure Appl. Chem., Vol. 31, pag. 578, vengono definiti micropori i pori con diametro inferiore a 2 nm, mesopori quelli con diametro compreso tra 2 e 50 nm, macropori quelli con diametro maggiore di 50 nm. L’area superficiale e la porosità dei campioni sono state determinate dalle isoterme di adsorbimento-desorbimento di N2 alla temperatura dell’azoto liquido (77 K), usando uno strumento Micromeritics ASAP 2020. The preferred activated carbons for the ANG technology are mainly microporous. In accordance with the IUPAC terminology "Manual of Symbols and Terminology" (1972), Appendix 2, Part I Coll. Surface Chem. Pure Appl. Chem., Vol. 31, p. 578, micropores are defined as pores with a diameter of less than 2 nm, mesopores those with a diameter between 2 and 50 nm, macropores those with a diameter greater than 50 nm. The surface area and porosity of the samples were determined by the adsorption-desorption isotherms of N2 at liquid nitrogen temperature (77 K), using a Micromeritics ASAP 2020 instrument.
Prima dell’acquisizione delle isoterme, i campioni (~ 30 mg) in polvere sono degasati per 16 ore a 200°C in vuoto. L’area superficiale specifica (SSA) è valutata utilizzando il metodo BET. Il volume totale specifico dei pori (VP) di Gurvitsch a 0.99 di p/p0. La frazione microporosa della porosità viene determinata utilizzando il metodo DFT sulla base delle curve di distribuzione cumulativa dei pori in funzione del loro diametro. Viene considerato volume microporoso, il volume dei pori con diametro minore o uguale a 2nm. Before the acquisition of the isotherms, the samples (~ 30 mg) in powder are degassed for 16 hours at 200 ° C in vacuum. The specific surface area (SSA) is evaluated using the BET method. Gurvitsch's total specific pore volume (VP) at 0.99 of p / p0. The microporous fraction of the porosity is determined using the DFT method on the basis of the cumulative distribution curves of the pores as a function of their diameter. Microporous volume is considered to be the volume of pores with a diameter less than or equal to 2nm.
Le misure di adsorbimento di metano ad alta pressione sono state effettuate utilizzando la bilancia a sospensione magnetica Rubotherm Isosorp. Prima della misura i campioni sono pretrattati in vuoto a 200°C per 15 ore. Le prove di adsorbimento sono state fatte a 25°C. High pressure methane adsorption measurements were performed using the Rubotherm Isosorp magnetic suspension balance. Before the measurement, the samples are pretreated in vacuum at 200 ° C for 15 hours. The adsorption tests were performed at 25 ° C.
Il metano viene caricato con incrementi successivi di pressione di 5 bar, lasciando per ogni pressione un tempo di equilibrio di 3 ore. Per la determinazione della massa di gas adsorbito vengono sommate la variazione di massa Δm in funzione della pressione e la forza di galleggiamento, che è funzione del volume del sistema vuoto, del volume del campione e della densità del gas spostato alla pressione e temperatura di analisi. I valori di adsorbimento riportati sono sempre riferiti ad adsorbimento in eccesso, dove per adsorbimento in eccesso si intende la determinazione della quantità di gas che interagisce con la superficie porosa dell’adsorbente. The methane is charged with successive pressure increases of 5 bar, leaving an equilibrium time of 3 hours for each pressure. To determine the mass of adsorbed gas, the mass variation Δm as a function of the pressure and the buoyancy force are added, which is a function of the volume of the empty system, the volume of the sample and the density of the gas displaced at the analysis pressure and temperature. . The adsorption values reported always refer to excess adsorption, where excess adsorption means the determination of the amount of gas that interacts with the porous surface of the adsorbent.
In letteratura è descritto che l’adsorbimento risulta particolarmente rilevante all’interno dei micropori (d<2nm), in cui le forze di attrazione di Van der Waals tra molecola di gas e superficie del solido consentono una significativa interazione tra gas e solido. In particolare sulla base di simulazioni basate sulla dinamica molecolare [K.R. Matranga, A.L. Myers, E.D. Glandt, Chem. Eng. Sci., 47 (1992) 1569; R.F. Cracknell, P. Gordon, K.E. Gubbin, J. Phys. Chem., 97 (1993) 494] sono stati individuati come ottimali i pori caratterizzati da dimensioni pari alla somma dei diametri di un numero di molecole di metano compreso tra 2 e 4, quindi diametri compresi fra 0,8 e 1,5 nm. Inoltre, la presenza addizionale di mesopori (pori di diametro compreso tra 2 e 5 nm), costituisce un ulteriore elemento in grado di favorire la diffusione dalla corrente gassosa massiva (esistente all'esterno delle particelle di adsorbente) verso i micropori responsabili del fenomeno dell'adsorbimento. Le caratteristiche tessiturali richieste nel caso di applicazione ANG sono particolarmente stringenti, rispetto a quelle richieste per le altre applicazioni dei carboni attivi (es.: filtrazione, purificazione, deodorizzazione e decolorazione di fluidi). In the literature it is described that adsorption is particularly relevant within micropores (d <2nm), in which the Van der Waals attraction forces between the gas molecule and the surface of the solid allow for a significant interaction between gas and solid. In particular on the basis of simulations based on molecular dynamics [K.R. Matranga, A.L. Myers, E.D. Glandt, Chem. Eng. Sci., 47 (1992) 1569; R.F. Cracknell, P. Gordon, K.E. Gubbin, J. Phys. Chem., 97 (1993) 494] pores characterized by dimensions equal to the sum of the diameters of a number of methane molecules comprised between 2 and 4, therefore diameters comprised between 0.8 and 1.5 nm, have been identified as optimal. Furthermore, the additional presence of mesopores (pores with a diameter between 2 and 5 nm), constitutes a further element capable of favoring the diffusion from the massive gaseous stream (existing outside the adsorbent particles) towards the micropores responsible for the phenomenon of adsorption. The textural characteristics required in the case of ANG application are particularly stringent, compared to those required for other applications of activated carbon (eg: filtration, purification, deodorization and discoloration of fluids).
Le possibili applicazioni della tecnologia ANG vanno dallo stoccaggio di fuel per trasporto veicolare (Natural Gas Vehicles - NGV), allo stoccaggio per operazioni industriali, al trasporto di NG in cilindri per utilizzo su piccola scala come alternativa all’acetilene, fino al trasporto di NG su larga scala. In quest’ultima accezione, la tecnologia ANG può essere considerata, quindi, come una valida opzione per il trasporto del NG in assenza di condotte esistenti, utilizzando serbatoi ANG trasportati su strada o per mare dal sito di produzione del gas al punto di destinazione. The possible applications of ANG technology range from the storage of fuel for vehicular transport (Natural Gas Vehicles - NGV), to storage for industrial operations, to the transport of NG in cylinders for use on a small scale as an alternative to acetylene, up to the transport of NG. on a large scale. In the latter sense, ANG technology can therefore be considered as a valid option for the transport of NG in the absence of existing pipelines, using ANG tanks transported by road or by sea from the gas production site to the point of destination.
Si riportano di seguito alcuni esempi per una migliore comprensione dell’invenzione e dell’ambito di applicazione pur non costituendo in alcun modo una limitazione della portata della presente invenzione. Below are some examples for a better understanding of the invention and the scope of application while not constituting in any way a limitation of the scope of the present invention.
ESEMPIO 1: Preparazione del carbone attivo partendo dal cake di uno spurgo di raffineria, attivato senza la fase di pirolisi prima della fase di attivazione – campione AC1. EXAMPLE 1: Preparation of activated carbon starting from the cake of a refinery purge, activated without the pyrolysis phase before the activation phase - sample AC1.
Tabella 1: Analisi spurgo Table 1: Purge Analysis
Un campione di spurgo proveniente da raffineria viene posto in stufa, polmonato in azoto, e con Temperatura T1 impostata a 200°C. Raggiunta la completa omogeneità del campione il Set Point della stufa viene impostato a 100°C. Dopo circa 0.5 ore di permanenza a 100°C si rimuove il liquido surnatante o chiarificato. La fase densa che rimane nella latta costituisce la fase “cake”. Il cake e KOH (rapporto in peso KOH:cake 3:1) sono miscelati e macinati in un mulino a palle per 30 minuti a 300 rpm. Poi, la miscela è introdotta in un forno orizzontale in atmosfera di azoto. A purge sample from the refinery is placed in an oven, pulverized in nitrogen, and with Temperature T1 set at 200 ° C. Once the sample is completely homogeneous, the stove Set Point is set at 100 ° C. After about 0.5 hours of permanence at 100 ° C, the supernatant or clarified liquid is removed. The dense phase that remains in the can constitutes the "cake" phase. The cake and KOH (weight ratio KOH: cake 3: 1) are mixed and ground in a ball mill for 30 minutes at 300 rpm. Then, the mixture is introduced into a horizontal oven in a nitrogen atmosphere.
Le condizioni di attivazione sono: The activation conditions are:
- T: 700ºC - T: 700ºC
- Tempo: 2 hours - Time: 2 hours
- Atmosfera: N2 100 ml/min. - Atmosphere: N2 100 ml / min.
Dopo 2 ore, il campione è raffreddato in N2 fino a temperatura ambiente. After 2 hours, the sample is cooled in N2 to room temperature.
Il carbone attivato è lavato con una soluzione al 20% vol. di HCl al 37% per 1 ora sotto agitazione. Dopo il lavaggio acido, il carbone attivo è filtrato e lavato con acqua fino a pH neutro. Infine si essicca per 15 ore a 75°C. La resa in carbone attivo è del 50% in peso rispetto al peso di cake. Activated carbon is washed with a 20% vol. Solution. 37% HCl for 1 hour under stirring. After the acid wash, the activated carbon is filtered and washed with water to neutral pH. Finally it is dried for 15 hours at 75 ° C. The yield in activated carbon is 50% by weight with respect to the cake weight.
Le proprietà tessiturali e la capacità di adsorbimento di metano sono riportate nella Tabella 2. Textural properties and adsorption capacity of methane are shown in Table 2.
Tabella 2: Caratterizzazione tessiturale e prestazionale Table 2: Textural and performance characterization
ESEMPIO COMPARATIVO 1: Preparazione del carbone attivo partendo dal cake di uno spurgo di raffineria, in due step: pirolisi e attivazione – campione AC2. COMPARATIVE EXAMPLE 1: Preparation of activated carbon starting from the cake of a refinery purge, in two steps: pyrolysis and activation - sample AC2.
Il cake ottenuto come descritto nell’esempio 1, è caricato in un reattore che viene pressurizzato a 10 bar con N2 e scaldato a 460°C. Una volta raggiunta la temperatura, il trattamento di pirolisi prosegue per 90 minuti. Poi il reattore è raffreddato a temperatura ambiente sotto pressione. The cake obtained as described in example 1, is loaded into a reactor which is pressurized at 10 bar with N2 and heated to 460 ° C. Once the temperature is reached, the pyrolysis treatment continues for 90 minutes. Then the reactor is cooled to room temperature under pressure.
Il campione pirolizzato è attivato con KOH, come descritto nell’esempio 1. La resa in carbone attivo è del 40% in peso rispetto al peso di cake. The pyrolyzed sample is activated with KOH, as described in example 1. The yield in activated carbon is 40% by weight with respect to the weight of the cake.
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