Второй материал в мире

Производство активных углей как важное направление развития углехимии в Кузбассе


Прогрессирующее загрязнение окружающей среды сделало экологическую безопасность важной составляющей национальной безопасности в целом.

Сегодня практически вся планета и особенно районы массового проживания людей, подвержены серьезным экологическим угрозам, главными из которых являются: радиационное загрязнение территорий; разливы нефти на суше и на море; угнетение почв кислотными дождями; загрязнение почв химическими веществами и пестицидами; разрушение атмосферы.

Проблемы глобального загрязнения окружающей среды поднимались еще раньше российским ученым, профессором МХТУ имени Менделеева Николаем Кельцевым, предложившим магистральный путь разрешения ситуации. Он писал: «В настоящее время, когда вопрос жизни и смерти стоит уже не только перед армией, но и перед всем человечеством, обеспокоенным катастрофическим загрязнением биосферы, настало время вновь обратиться за помощью к адсорбции — одному из самых эффективных методов защиты окружающей среды от загрязнений».

В силу своих физико-химических свойств АУ позволяют решать практически весь спектр задач защиты окружающей среды: атмосферы, гидро­сферы, литосферы и самого человека как главного объекта биосферы.

Активные угли (АУ) — это высокопористые твердые вещества, полученные на основе углеродсодержащего сырья, обладающие развитой внут­ренней поверхностью (от сотен до двух тысяч м2/г) и имеющие высокие поглотительные характеристики по примесям, находящимся в очищаемых средах (воздух, газы, вода, жидкости, почва). В пористой структуре активного угля происходит поглощение любых типов органических микропримесей за счет адсорбционных сил (сил поверхностного взаимодействия).

Общий объем производства АУ в мире составляет сегодня 1 миллион 250 тысяч тонн в год и характеризуется устойчивым ростом в 5% годовых. Максимальная производительность по активным углям четырех основных предприятий СССР достигала 40 тысяч тонн в год (1989). В настоящее время в РФ производится только 3 тысяч тонн в год на единственном оставшемся заводе. Около 30 тысяч тонн в год закупается импортных АУ (США, Голландия, Франция, Китай и др.).

Говоря об уровне экологии и экономики страны, следует обратить внимание на удельное производство АУ, которое в США, Японии, Западной Европе находится на уровне 0,5 кг/чел. в год. В России в настоящее время этот показатель равен 0,02 кг/чел. в год. То есть наша экология, особенно питьевое водоснабжение, в 25 раз хуже мирового уровня. Исходя из вышесказанного, нашей стране нужно производить не менее 70 тысяч тонн активных углей в год для устойчивого развития экономики и создания высокого качества жизни населения.

Концепция устойчивого развития вообще не может быть реализована на территории РФ без активных углей в связи со значительными загрязнениями воды, почвы и продукции агропромышленного комплекса.

Рассмотрим ряд конкретных глобальных и национальных примеров, требующих решений с помощью активных углей.

Несмотря на огромные запасы пресной воды на нашей планете, дефицит питьевой воды на Земле постоянно растет. В настоящее время из 6,5 миллиарда населения Земли 1,5 миллиарда, то есть почти четверть, испытывают недостаток питьевой воды. Есть данные, что к 2015 году это число достигло 2,5 миллиарда человек. Особенно это сказывается в странах Африки и Юго-Восточной Азии, а также в Китае и Индии. В 2020 году, по данным ЮНЕСКО, гибель ожидает 76 миллионов человек из-за грязной питьевой воды.

На рисунке 1 приведена классическая схема озоно-сорбционной очистки питьевой воды. Видно, что АУ используют по данной схеме на двух этапах: на третьей стадии, когда в смеситель дозируют порошковый активный уголь (ПАУ) в дозах 20-80 мг/дм3 в зависимости от степени загрязнения воды, и на седьмой стадии, когда идет финишная очистка на гранулированном активном угле (ГАУ). Поэтому особенно актуальной становится задача разработки технологий и создания производств активных углей для питьевого водоснабжения, так как на эти цели идет 30% мирового производства АУ.

На основе каменных углей марок СС и Т Кузбасса нами в начале 2000‑х годов были разработаны для целей водоподготовки активные угли марок «Гидросорб-МВК», «Гидросорб-УК» (Таблица 1). Их испытания в Центре водных технологий ДФГВ-ТЦВ (Карлс­руэ, Германия) показали, что они имеют наиболее хорошие прочностные свойства и, хотя несколько уступает эталонному углю ROW 08S (Norit, Голландия), значительно превосходят требования европейского стандарта для углей такого назначения DIN-EN 12915, особенно по обобщенной адсорбционной способности по органическим загрязнителям — ДОС.

В настоящее время в АО «ЭНПО «Неорганика» (Электросталь, Московская область) полностью завершена разработка технологии получения уникального активного угля на основе антрацита. В качестве исходного сырья был взят антрацит Горловского месторождения Кузбасса. После дробления кусков антрацита высевали требуемую фракцию 1-5 мм, которую подвергали активации в лабораторной вращающейся электропечи в среде водяного пара при температуре 900 °С, активацию проводили до величины обгара 15%. При этом следует заметить, что технология ДАС включает всего две операции против одиннадцати у обычных технологий ГАУ.

В таблице 2 приведены технические характеристики активных углей марки ДАС и промышленных углей АГ-3 (Россия, ОАО «Сорбент», на основе каменного угля марки СС) и GCN 830 (Нидерланды, фирма Norit, на основе скорлупы кокосового ореха).

Очевидно, что адсорбционные свойства ДАС на единицу объема в среднем в 1,5 раза выше, чем у АГ-3, что обусловлено его высоким объемом микропор на единицу объема (см3/см3). При этом по своему качеству (за исключением прочности) ДАС находится даже на уровне лучшего мирового аналога GCN 830 на основе скорлупы кокосового ореха.

Наиболее важные исследования по эффективности извлечения плохосорбируемого фенола, как наиболее распространенного антропогенного загрязнителя как в сточных, так и природных водах, были выполнены в ОАО «НИИ ВОДГЕО» (Москва).

Испытания проводились в одинаковых динамических условиях для двух типов сорбентов ДАС и промышленного активного угля КАД-И (ОАО «Сорбент», Пермь). Результаты этих испытаний приведены в таблице 3.

Здесь, как мы видим, питьевая вода фильтровалась через колонки с активным углем и эффект преимущества ДАС по высокому объему микропор на единицу объема (Vми, см3/см3) проявился в полной мере. Таким образом, можно констатировать, что сорбционная емкость по фенолу сорбента ДАС превышает сорбционную емкость промышленно изготовляемого сорбента КАД-И на основе каменноугольного полукокса примерно в 2,5–3,5 раза. Сорбент ДАС может эффективно использоваться для очистки фенолсодержащих сточных вод в качестве загрузки в сорбционные фильтры.

На основании вышеприведенного исследования можно сделать вывод, что простая замена песочной или гидро­антрацитовой загрузки в действующих системах водоснабжения на активный антрацит (без строительства отдельного блока с активным углем) на действующих системах водоснабжения городов позволит сэкономить 150 миллиардов рублей бюджетных средств, так как насыпная плотность активного антрацита сравнима с насыпной плотностью кварцевого песка и он не будет вымываться при обратной промывке фильтрационного блока. В этом случае будет осуществляться как фильтрация механических загрязнений, так и сорбция молекулярных токсикантов. Это даст высококачественную чистую и здоровую воду городскому населению России без существенных капитальных затрат.

В настоящее время угольно-сорбционные технологии заняли лидирующие позиции в извлечении золота из руд и хвостов, так как они более экологичны по сравнению с гравитационными технологиями и обеспечивают почти 100-процентное извлечение металла. Объем этого рынка достигает сегодня 2 тысяч тонн в год, а в перспективе может достигнуть 5-10 тысяч тонн в год. Испытания ДАС в ведущем научном центре России по добыче золота — ОАО «Иргиредмет» (Иркутск) — показали, что он полностью соответствует предъявляемым требованиям и находится на уровне активных углей ведущих мировых фирм.

Особо значимая угроза в биосфере заключается в снижении плодородия почв и даже полном истощении сельхозугодий в результате техногенной деятельности. Но почв на планете всего 6% от общей территории суши, причем 30% самых плодородных почв — черноземов — принадлежат России. Учитывая, что в конце XXI века на планете будет жить более 10 миллиардов человек, защите и реабилитации почв должно быть уделено первостепенное внимание.

Так, 50 миллионов гектаров почв сельхозугодий России, на которых выращивается продукция растениеводства (зерновые, овощи, корма), загрязнены остатками пестицидов выше установленных норм (академик РАСХН Ю.Я. Спиридонов). Только Крайагропром Краснодарского края — региона интенсивного земледелия — запросил для нужд агропромышленного комплекса в 1987 году 25 тысяч тонн в год активных углей класса «Агросорб» (Письмо №6 от 18.03.1987 г. за подписью зампредседателя комитета В.Г. Робского).

При решении экологических задач агропромышленного комплекса (АПК) активные угли характеризуют такие преимущества, как избирательность сорбции органических токсикантов, универсальность сорбционных свойств, высокая поглотительная способность, гидрофобность, удобная препаративная форма (зерна, порошок) и низкая стоимость.

Суть углеадсорбционной детоксикации почв состоит во внесении в загрязненную почву АУ в виде зерен или порошка с объемом микропор 0,20-0,30 см3/г и последующей заделке его на глубину 10-15 см; затем в обработанную углем почву высевают заданную сельхозкультуру.

Таким образом, использование АУ для детоксикации почв, загрязненных остатками пестицидов, имеет два важных аспекта: повышение урожайности в среднем на 20-100% и обеспечение возможности получения урожая диетической кондиции. То есть в присутствии активного угля мы всегда будем иметь экологически чистую почву.

Перспектива выпуска нового поколения активных углей на основе каменноугольного сырья Кузбасса может быть обеспечена с использованием технологии УПК (угольно-пековая композиция), заключающейся в получении дробленых углей методом брикетирования с использованием в качестве связующего пеков по технологии, аналогичной американской Calgon Carbon Corp с выпуском АУ типа «Фильтросорб» и BPL на основе отечественного сырья. Суть технологии УПК состоит в том, что в качестве связующего используется не каменноугольная смола, имеющая низкий выход кокса, а каменноугольный пек, что обеспечивает получаемым гранулам активного угля высокую прочность — более 90% по ГОСТ 16188-70, а прочность является главным показателем качества АУ в современных адсорбционных технологиях.

В заключение, анонсируя профессиональное кредо, следует сказать, что по широте применения активный уголь является вторым материалом в мире; первым является железо — сейчас железный век. Но по поверхности раздела фаз активный уголь — первый материал на Земле и по широте своей внутренней поверхности (с учетом всего произведенного в мире АУ) может обернуть Землю два раза.

Инвесторы, которые вложатся в производство активных углей, не только получат высокую прибыль, но и будут иметь общечеловеское признание их заслуг в защите планеты Земля от экоцида — смерти от загрязнения окружающей среды.

Виктор Мухин, д.т.н., профессор, академик МАНЭБ, начальник лаборатории активных углей, эластичных сорбентов и катализаторов АО «ЭНПО «Неорганика», Электросталь, Московской область


Юрист Сухининой