Автор: Д. В. Чурилова,
Донецкий национальный технический университет,
кафедра прикладной
экологии и охраны окружающей среды
Пр. Богдана Хмельницкого, 106, г. Донецк
E-mail: dasha-churilova@yandex.ru
Адсорбенты находят широкое применение для решения экологических задач — очистки жидких и газовых выбросов различных производств, применяются для очистки питьевой воды, в производстве продуктов питания, медицине, индивидуальных и коллективных средствах защиты органов дыхания. Эффективность адсорбционной очистки стоков достигает 80–95 % и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения вещества- загрязнителя и химической формы его нахождения в среде.
Одной из важных характеристик поглотительной способности сорбентов является удельная поверхность, которая является показателем степени развития внутренней поверхности пор. Поэтому при выборе технологии производства сорбентов решающее значение имеет способность того или иного приема получить продукт с высокими значениями удельной поверхности. Наибольшее распространение получили адсорбенты на основе углерода — активные угли, получаемые путем термического пиролиза органических веществ биологического, растительного происхождения. В качестве сырья используют древесину различных пород, торф и торфяной полукокс с небольшим содержанием золы, ископаемые угли разной стадии метаморфизма (бурые, каменные угли, антрациты), полукокс и коксы на их основе, и другие материалы, содержащие углерод.
Активные угли — органические, высокомолекулярные по химическому составу, твердые дисперсные материалы, имеющие развитую удельную поверхность и обладающие способностью эффективно и избирательно поглощать вещества из газовых, парогазовых и жидких сред. Углеродные сорбенты имеют сложную пористую структуру и относятся к группе неоднородно-пористых материалов. От распределения объемов пор по размерам зависит практическая область применения сорбентов. При малом времени контакта с очищаемой средой они должны иметь высокую адсорбционную емкость, высокую селективность и малую удерживающую способность при регенерации. При соблюдении последнего условия затраты на реагенты для регенерации угля будут небольшими. Угли должны быть механически прочными, быстро смачиваться стоком, иметь монодисперсный гранулометрический состав. В процессе очистки стоков используют мелкозернистые адсорбенты с частицами размером 0,25–0,5 мм и высокодисперсные угли с частицами размером менее 40 мкм. Угли должны обладать малой каталитической активностью по отношению к реакциям окисления, конденсации и др., так как некоторые органические вещества, находящиеся в сточных водах, способны окисляться и осмоляться при прохождении стока. Осмолившиеся вещества забивают поры адсорбента, что затрудняет его низкотемпературную регенерацию.
Свойства получаемых углеродных сорбентов зависят от природы исходного сырья. Для промышленного производства углеродных адсорбентов во всем мире в качестве сырья чаще всего применяют каменный уголь, который составляет 70 % сырьевой базы. Однако наиболее эффективными являются активные угли, получаемые путем термического пиролиза древесины малосмолистых пород, например березы. Такие угли применяются в медицине, пищевой промышленности, очистке питьевой воды, то есть в случаях, когда использование адсорбентов, получаемых из каменного угля, проблематично.
Понятно, что для возобновления источников в производстве активных углей требуются многие годы и, кроме того, использование деревьев ухудшает экологическую ситуацию региона. Проблема осложняется, если такая сырьевая база практически отсутствует. Вместе с тем, для производства углеродсодержащих адсорбентов в принципе возможно использование и другого растительного сырья, которое, в отличие от деревьев, может возобновляться ежегодно, либо веществ получаемых из такого сырья. В качестве материалов для производства углеродсодержащих адсорбентов можно использовать сахар, крахмал, муку, отходы сахарного производства и другие вещества, имеющие примерно такой же химический состав, как и древесина. Преимуществом использования таких компонентов является то, что их пиролиз происходит при значительно более низкой температуре чем древесины или каменного угля. Кроме того, при пиролизе не образуются токсические компоненты, которые могли бы ограничивать использование углей в той или иной области.
Основная сложность заключается в том, что при деструкции компонентов из растительного сырья образуются графитизированная углеродсодержащая масса со слабо развитой поверхностью, что не позволяет их использовать в качестве адсорбентов. Нами установлено, что композиции, содержащие органические вещества растительного происхождения и некоторые природные минеральные вещества с высокой пористостью, способны подвергаться деструкции с получением адсорбентов хорошего качества. В зависимости от условий пиролиза были получены порошкообразные, гранулированные и блочные адсорбенты. Удельная активность углерода образовавшегося на поверхности минер