Получение, активация и модификаци углеродного материала из скорлупы грецкого ореха.

В настоящее время углеродные сорбенты, полученные на основе вторичного растительного сырья, находят широкое применение в различных отраслях промышленности, где они используются как катализаторы и как поглотители. Эти материалы могут найти применение и в медицине в создании гемосорбционных систем, осуществляющих специфическую очистку крови и других физиологических жидкостей от различных токсикантов, а также в создании сорбированных препаратов – пробиотиков [1].

В связи с этим представляется возможным направленно влиять на процессы модифицирования и окисления активных углей, полученных карбонизацией СГО. При получении активных углей их свойства можно регулировать, так как на выход и рабочие параметры углеродного материала влияют природа сырья, метод активирования, условия и продолжительность процесса. Процесс производства активных углей состоит из двух стадий: пиролиза (карбонизации) и активации. Пиролиз с последующей активацией водяным паром дает продукт с низкой зольностью и микропористой структурой; химическим активированием получают угольс микро- и мезопорами[2].

Целью данной работы является получение активных углей из вторичного растительного сырья и оптимизация способов получения модифицированных и окисленных углей.

Экспериментальная часть

В качестве объекта исследования была выбрана скорлупа грецкого ореха (СГО).

Выбор скорлупы грецкого ореха обусловлен тем, что получаемые активные угли отличаются высокой механической прочностью, отсутствием вредных примесей, что делает их идеальными для использования в медицинских и пищевых целях.

В своей работе мы исходили из того, что, обработка углеродных материалов кислородом воздуха при повышенной температуре приводит к окислению поверхности с образованием различных функциональных групп. Обработка скорлупы концентрированной кислотой позволяет очистить поры от выстилающего слоя, растворимых веществ (углеводов, золы и др.) и увеличить проницаемость. При этом идет насыщение очищаемых пор соляной кислотой и частичная карбонизация контактного периферийного поверхностного слоя скорлупы, кроме того модификация поверхности сильными кислотами образует дополнительные сайты, значительная часть которых имеет кислотный характер [3].

Скорлупу грецкого ореха подвергали механическому измельчению. Карбонизацию проводили в муфельной печи при доступе воздуха в интервале температур 250–1200 °С в течение 2 ч в корундовых тиглях.

Модификацию полученных активных углей (АУ) проводили 0.1 М раствором HCl. Окисленные угли (ОУ) получали действием концентрированной HNO₃.

На рисунке 1 представлена динамика потери массы вторичного растительного сырья при карбонизации. Максимальную потерю массы наблюдали в интервале 250–800 °С. Стабилизация процесса карбонизации при температуре свыше 800 °С позволила выбрать оптимальный температурный режим обжига.

Рисунок 1 – Влияние температуры карбонизации на изменение массы СГО

Сорбционные свойства активных углей в значительной степени определяются характером пористой структуры и химическим состоянием поверхности, на которые существенное влияние оказывают исходные материалы, используемые для их получения [4]. Была проведена оценка удельной поверхности по сорбции метиленового голубого (МГ). В таблице приведены физико-химические характеристики полученного углеродного материала в зависимости от способа его модификации и окисления.

Таблица 1 – Физико-химические показатели углеродного материала

Снимки,полученные спомощью растрового электронногомикроскопа HITACHISU1510, наглядно воспроизводят плотную и поверхностную структуру немодифицированного образца полученного нами углеродного сорбента (рис. 2а) и модифицированного (рис. 2).

Рисунок 2 – Электронно-микроскопические снимки: а) немодифицированный образец; б) модифи-цированный образец углеродного сорбента (масштаб 1990:1) сорбента (масштаб 1410:1)

В работе изучена эффективность сорбции ионов кадмия и свинца углеродными сорбентами, полученными из СГО. Сорбцию проводили из модельных растворов с концентрацией ионов Cd2+–1,65 мг/л, Pb2+–1.21 мг/л. Концентрацию ионов Cd²⁺ и Pb²⁺ в растворе после сорбции определяли методом инверсионной вольтамперометрии с помощью анализатора АКВ-07 МК с ртутным тонкопленочным углеситаловым электродом АКУ-1. Результаты представлены на рис.3.

Снижение сорбции по кадмию по сравнению с немодифицированным АУ можно объяснить появлением на поверхности таких активных центров, которыеоказывают существенное влияние на механизм сорбции. Это свойство АУ и ОУ может быть использовано для селективного разделе-ния тяжелых металлов.

Рисунок 3 – Диаграмма сорбции ионов кадмия и свинца на полученных образцах

Заключение

Таким образом, в ходе карбонизации и модификации происходит изменение структуры поверхности образцов, при этом образуются частицы различной морфологии, характерные для растительной клетчатки. Вероятно, на поверхности образца после высокотемпературной карбонизации возрастает число пор и активных сайтов. Сорбционные характеристики полученных образцов различаются по отношению к свинцу и кадмию ввиду особенностей механизмов сорбции. Полученные результаты дают основание предполагать, что данный продукт может быть использован в качестве эффективного сорбента.

Список использованной литературы

1.Углеродные наноструктурированные материалы на основе растительного сырья / Под ред. проф. З. А. Мансурова. – Алматы: Казак университетi, 2010.  – 301 с.
2.Поборончук Т. Н., Петров В. С., Сорокина Г. И. Оптимизация процесса получения активных углей из скорлупы кедрового ореха // Химия растительного сырья. – 2000 г. – № 4. – С. 55 – 63.
3.Габрук Н. Г., Шутеева Т. А. Получение углеродного сорбента на основе вторичного сырья // Материалы IV Международной конференции «Сорбенты как фактор качества жизни и здоровья», г. Белгород, 24 – 28 сентября 2012 года. – Белгород, 2012. – С. 57 – 62.
4.Окисленные активные угли и углерод-минеральные материалы на основе порошковой целлюлозы / А. Б. Шишмаков, С. В. Еранкин, Ю. В. Микушина и др. // Химия растительного сырья. – 2010. – №2. – С. 27 – 30.Оборончук  Т. Н., Петров В. С., Сорокина Г. И. Оптимизация процесса получения активных углей из скорлупы кедрового ореха  // Химия растительного сырья. – 2000 г.– № 4. – С. 55 – 63.