Получение активных углей из скорлупы грецкого ореха для очистки воздуха и воды

Аннотация

Науменко Д. В., Шаповалов В. В. – Получение активных углей из скорлупы грецкого ореха для очистки воздуха и воды Рассмотрен процесс комплексной переработки скорлупы грецких орехов для получения активного угля, включающий экстракцию полезных органических веществ раствором щелочи и последующий пиролиз остатка. Полученные образцы показали хорошие результаты при адсорбции фенола из воды.

В настоящее время адсорбенты играют важнейшею роль в жизнедеятельности человека, без которых было бы трудно представить современный мир. Их применяют для очистки воды от примесей, в противогазах, в качестве носителей катализаторов, для очистки спиртов, масел, при переработке нефти, в медицине для поглощения газов и ядов, очистке крови. Адсорбенты подразделяются на: – активные угли; – минеральные адсорбенты (силикагель, цеолиты, глины и др.); – синтетические ионообменные смолы (иониты). Селективность адсорбентов, в основном, определяется размерами пор и функциональными группами на их поверхности. Так, например, наличие полярных групп на поверхности пор адсорбента способствует адсорбции веществ с полярными группами, катионов или анионов. Наиболее часто в качестве адсорбента для очистки воды или воздуха являются активные угли. Это – пористые углеродные тела, которые получают из различных углеродсодержащих материалов. В зависимости от размера частиц угли подразделяют на: гранулированные; дробленные и порошкообразные. Порошкообразные имеют высокое гидравлическое сопротивление, поэтому используются путем непосредственного внесения в жидкую фазу при ее очистке. Гранулированные угли можно использовать в аппаратах с неподвижным или псевдокипящим слоем для очистки как жидкостей, так и газов.

Сырьем для получения активных углей являются любые углеродсодержащие компоненты, начиная от каменного угля до, например, сахара. Технология получения сводится на первом этапе к пиролизу исходного сырья без доступа воздуха при температуре до 600 °С, а далее активирования полученного материала путем обработки его различными химическими реагентами при прокаливании. В качестве активаторов используют самые разные реагенты – водяной пар, углекислый газ, кислоты, соли разных кислот, щелочи. Отмечалось, что к эффективным активаторам относится фосфорная кислота, хлорид цинка, карбонат и сульфид калия. Вместе с тем из-за сложности процесса пиролиза нет однозначных предпосылок для выбора активатора для получения угля заданного свойства.

Издавна активные угли с выходом около 20 % получают из малосмолистой древесины такой, например как береза. Понятно, что уничтожение деревьев, которые также являются элементами очистки атмосферы, для производства тех же очистителей иррационально. Поэтому в последнее время все больше внимания уделяется или отходам производства, или быстро возобновляемым источникам сырья таким как – торф, торфяной кокс, каменные угли, бурые угли, нефтепродукты, синтетические материалы, органические остатки производства (ореховая скорлупа, косточки плодов растений, опилки). Не вызывает сомнения, что если перед человеком поставить вопрос какой уголь использовать ему для очистки питьевой воды, изготовленный из каменного угля или, например, сахара, он выберет второй вариант. Для очистки же заводских стоков, на первом этапе очистки, естественно, будут выбраны адсорбенты, полученные из более дешевого и массового сырья. Судя по мировому опыту, в настоящее время ряд производителей широко использует сырье, которое обеспечивает получение угля, частицы которого обладают повышенной механической прочностью. Получают активный уголь из скорлупы кокосового ореха, оливковых косточек. В США хорошие активные угли получают из персиковых отходов. Большой интерес представляет скорлупа грецкого ореха, которая в значительных количествах образуется на кондитерских фабриках и обладающая изначально твердой структурой [1].

В качестве экстрактивные веществ в состав скорлупы входит 5-окси-1,4-нафтохинон (юглон) красящее вещество желто-коричневого цвета [2]. Как природный антибиотиком, он обладает противогрибковым, антибактериальным действием, является универсальным средством для борьбы со многими болезнями широкого спектра действия. Скорлупа содержит фенолкарбоновые кислоты, дубильные вещества, кумарин и его производные, которые выполняют ускорителей прорастания семян, защитных веществ при заболеваниях растений. Обладают разносторонней фармакологической активностью.

В связи с содержанием в скорлупе ценных компонентов, непосредственный пиролиз признан нами нецелесообразным и ему должен предшествовать процесс извлечения. Экспериментально установлено, что эффективными экстрагентами являются растворы щелочей, причем в достаточно большом интервале концентраций. Так при использовании 2 % раствора щелочи удалось извлечь до 28 % экстрактивных веществ, а при использовании 10 % раствора щелочи – до 33 %. Оставшийся остаток после экстракции представлял такую же твердую несколько утонченную скорлупу, что свидетельствует о том, что механические свойства обеспечиваются клетчаткой – основной составной частью скорлупы.

Поскольку на качество активного угля очень сильное влияние оказывает температурный режим пиролиза, нами на основе приборов ОВЕН ТРМ 202 и программы управления MasterSCADA была разработана и изготовлена печь пиролиза (рис.1) с компьютерным управлением режима нагрева, которая позволяла с высокой точностью в режиме ПИД-регулирования управлять темпом нагрева на разных участках, временем выдержки при заданной температуре, скоростью охлаждения. Это позволило исключить неопределенность в трактовке результатов вызванную неопределенными термическими условиями. Активность углей определяли по адсорбции фенола из водного раствора, концентрацию которого контролировали спектрофотометром SPECORD M40 по полосе поглощения фенола в ультрафиолетовой области.

Как показывают данные термического анализа и термогравиметрии (рис. 2), основной процесс пиролиза протекает в диапазоне температур 240-400 °С. При повышении температуры наблюдается медленная потеря массы, которая обусловлена или деструкцией высокотемпературных компонентов или окислением углерода. По этой причине процесс пиролиза образцов заканчивали при температуре 600 °С с выдержкой в течение 1 или 2 часов.

Установлено, что пиролиз скорлупы в присутствии щелочи сопровождается ее разбуханием и получением угля в виде слабоспекшихся непрочных агломератов, которые легко превращались в порошок. Добавление таких порошков в растворы фенола приводит к появлению сероватого окрашивания, проявляющегося в УФ-области спектра повышенным фоном, при этом эффективность адсорбции фенола незначительная. Наилучшие результаты получены при пиролизе образцов скорлупы, которые предварительно в течение 20 часов выдерживались в растворе KH₂PO₄. Степень очистки воды от фенола, при концентрации последнего 0,1 мг/мл, составила более 97 %. Меньшую эффективность в качестве активатора проявил ZnCl₂. При сопоставимых условиях степень очистки не превысила 70 %. При этом стоит отметить, что полученные образцы активного угля сохранили морфологию ореховой скорлупы и отличались высокой прочностью.

Полученные результаты позволяют сделать предположение, что пиролиз ореховой скорлупы в присутствии щелочных активаторов разрушает ее структуру и, вероятно, может использоваться для получения порошкообразного адсорбента. Активаторы кислой природы при пиролизе сохраняют исходную структуры образцов и их механическую прочность. При этом образуется адсорбент высокой активности.

Список использованной литературы

1. Химический состав скорлупы грецкого ореха
2. Ильичева Е. С., Миннахметова Э. Р., Сафина Р. И., Крайнов А. С. Основные способы получения 5-окси-1,4-нафтохинона (юглона) – антибактериального препарата широкого спектра действия, Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т.18, №3, С.147-150