СОРБЕНТЫ ИЗ ОТХОДОВ УГЛЯ, ДРЕВЕСИНЫ И НЕФТИ

Т.Г. Шендрик, Л.В. Пащенко, В.В.Симонова, В.А. Дроздов.
Науково-практична конференція «Донбас-2020: охорона довкілля та екологічна безпека», 21-22 листопада 2001 р., м.Донецьк, 2001.

Решение вопроса утилизации отходов - одна из самых актуальных сегодняшних проблем. К многотоннажным отходам относятся: отход гидролизной промышленности - лигнин (Л), в огромных количествах выбрасываемый в отвалы, и так называемые смывочные нефтяные отходы (СНО), которые на протяжение десятилетий накаливаются в прудах-отстойниках промывочно-пропарочных станций в районах нефтеперерабатывающих заводов и железнодорожных станций. Оба вида отходов -ценное углеводородное сырье, рациональное и экологически грамотное использование которых, сулит немалые экономические выгоды. В Украине также разведаны большие запасы низкосортного соленого угля (СУ), для которого найдено немного рациональных и экологически приемлемых путей использования.

Известно, что в условиях роста загрязнения окружающей среды, потребность в активном угле (АУ) во всем мире неуклонно растет. В то время как ежегодное производство АУ на Украине оценивается в несколько десятков тонн, потребность в нем только в промышленном Донбассе составляет примерно 2 - 5 тысяч тонн/год. Для сокращения дефицита необходимо освоение новых источников сырья, а также разработка новых способов получения активного угля.

В этой связи углеродсодержащие отходы - это естественное доступное и дешевое сырье для получения пористых углеродных материалов (сорбентов). Анализ литературных данных по этому вопросу и собственный опыт свидетельствуют о том, что совместная термопереработка этих отходов позволит повысить эффективность их утилизации. Использование смесей отходов может минимизировать недостатки одного сырья и усилить достоинства другого Сочетание различных типов углеродных структур (Л и СУ), спаянных между собой связующим (СНО), позволит, на наш взгляд, синтезировать АУ с высокой пористостью, сорбционными центрами различной природы и механической прочностью. Далее, создание поликомпонентных систем, содержащих наряду с углеродом каталитически активные металлы, - это путь получения адсорбентов селективного действия либо подложек для эффективных катализаторов.

В настоящее время ресурсы лигнина (Л) в Украине составляют более 5 млн. тонн, запасы низкосортных соленых углей (СУ) - более 10 млрд. т, запасы смывочно-нефтяных отходов (СНО) по Украине - не менее 500 тыс. тонн. Расширение сырьевой базы для получения активных углей и оптимизация условий переработки дешевых и легкодоступных на Украине низкосортных углей в дешевые сорбенты, а также утилизация лигнина и накопленных смывочных нефтяных отходов - весьма актуальная для Украины задача.

Цель работы: определение возможностей получения адсорбентов путем термической и термокаталитической конверсии (при активации водяным паром) смесей на основе низкосортного соленого угля, отходов переработки древесины и смывочных нефтяных отходов.

Пористые углеродные материалы из исходного материала лигнина и смесей были получены методом двухстадийной (карбонизация-активация) и одностадийной (минуя стадию карбонизации) активации исходных образцов водяным паром в течение от 15 минут до 3 часов при 800° С. Исследовано влияние добавки ионов меди на результаты активации в виде 2 %-ного раствора ацетата меди. Использован метод БЭТ для определения удельной поверхности, а также дериватографический, рентгенофазовый, рентгеноструктурный и функциональный анализы. СНО представляют собой суспензию тяжелых фракций нефти с 50 % содержанием воды, примесями поверхностно-активных веществ, молекулярной массой 750 - 1100 и средней ароматичностью 10-15 %.

Двухстадийная активация

Двухстадийная активация смесей отходов - достаточно энергоемкий и длительный процесс, поэтому был проведен поиск более мягких условий активации с целью уменьшения расхода энергии при получении сорбентов.

Варьирование условий нагрева и момента подачи активирующего агента (водяного пара) при прямой активации паром бинарных смесей, состоящих из Л и СНО, позволило найти оптимальный режим для получения активных углей с еще более развитой поверхностью (до 740 м /г) и высокой механической прочностью. В результате активации паром бинарной смеси образуется агломерированный (спекшийся) пористый активный уголь. При этом выход целевого продукта существенно выше, чем при активации исходного лигнина.

Необходимо отметить тот факт, что добавка ацетата меди, как и добавка СНО, также позволяет при одностадийной активации лигнина паром получать агломерированный продукт с большей механической прочностью при развитой удельной поверхности (до 600 м/г).

Методами ДТА, ИК-спектроскопии и функционального анализа было установлено наличие химического взаимодействия между различными функциональными группами компонентов еще на стадии приготовления смеси, которое изменяет свойства сырья и влияет на качество получаемых сорбентов.

Для выяснения структурных изменений, происходящих в смесях в процессе активации, был сделан рентгеноструктурный анализ образцов. Получено, что сорбенты из лигнина отличаются наибольшей слоистостью, компактностью и структурированностью. При добавке СНО к лигнину (смесь Л+СНО) увеличивается протяженность пакета , идет структурирование образца в продольном направлении, что вносит свой вклад в увеличение механической прочности активных углей из лигнина с добавкой нефтеотходов. При добавке 2 % ацетата меди к лигнину (смесь Л+Си) пакеты в активных углях становятся более мелкими с меньшим количеством слоев, но более компактно уложенными. Эти активные угли также отличаются большей механической прочностью.

Результаты, полученные в Омском филиале института катализа, свидетельствуют о том, что активные угли из лигнина и лигнина с добавкой меди являются микропористыми сорбентами, тогда как сорбенты из лигнина с добавкой СНО и лигнина с добавкой СНО и меди имеют смешанную неоднородно пористую микро-мезоструктуру. Эти различия обусловливают разные сферы применения полученных сорбентов: первые могут применяться для очистки газов, а вторые - для поглощения крупных органических молекул из сточных вод, в частности, фенолов и красителей.

26.04.2009.