Реферат за темою випускної роботи
Зміст
- Вступ
- 1. Актуальність теми
- 2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати
- 3. Пористі вуглецеві матеріали та їх отримання
- 4. Застосування вуглецевих сорбентів
- Висновки
- Перелік посилань
Вступ
Пористі вуглецеві матеріали (сорбенти) людство використовує протягом багатьох століть. Ще в XVIII столітті була відкрита здатність деревного вугілля очищати різні рідини і поглинати деякі гази. До початку XX століття вуглецеві сорбенти (головним чином деревне і кістковий активні вугілля) застосовували переважно в харчовій промисловості і виноробстві для очищення рідин. Необхідність знешкодження бойових отруйних речовин, що виникла в ході першої світової війни, стимулювала розвиток робіт з очищення газів. Розроблений російським вченим Н. Д. Зелінським протигаз з активним вугіллям в якості сорбенту досі є найкращим способом захисту від летючих отруйних речовин.
В даний час основні напрямки використання вуглецевих сорбентів пов'язані з технологічними процесами адсорбційної очищення, розділення, виділення і концентрування в газових і рідких середовищах. Постійно зростає роль вуглецевих сорбентів у вирішенні екологічних проблем: очищення питної води, стоків, газів, що відходять підприємств промисловості і енергетики. Розширюються галузі використання вуглецевих сорбентів в медицині і фармацевтиці. Так, наприклад, вуглецеві гемосорбенти застосовують для очищення крові у хворих, а ентеросорбенти - всередину з метою очищення організму від шкідливих речовин і мікробів.
Пористі вуглецеві матеріали спочатку отримували переважно термічною обробкою деревини, потім — кам'яного вугілля. Зараз їх виробляють майже з усіх видів вуглець сировини: деревини і целюлози, кам'яного і бурого вугілля, торфу, нафтового і кам'яновугільного пеков, синтетичних полімерних матеріалів, рідких і газоподібних вуглеводнів, різних органічних відходів. Сучасне світове виробництво пористих вуглецевих матеріалів (ПВМ) наближається до одного мільйону тонн в рік.
Вуглецеві сорбенти використовують в різній формі: у вигляді порошку з розміром частинок до 0,8 мм, гранул більшого розміру, блоків різної форми і величини, плівок, волокон тканин. Найбільш поширені порошкові сорбенти, які досить просто отримувати з подрібненої сировини.
1. Актуальність теми
Актуальність роботи полягає в поліпшенні якості води за рахунок використання композитного адсорбенту, отриманого з природних мінералів.
2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати
Метою роботи є мінімізація змісту накопичення і негативного впливу шкідливих домішок у воді за допомогою її адсорбційної очищення модифікованим природним адсорбентом.
У роботі поставлені наступні завдання:
- Провести аналіз літературних даних по хімічному складу, адсорбційним характеристикам і використанню мінеральних адсорбентів в порівнянні з іншими мінеральними адсорбентами.
- Дослідити ефективність очищення води з використанням в якості сорбційних матеріалів природний кремнезем. Дослідити склад, фізичні та хімічні властивості отриманого модифікованого сорбенту.
- Розробити композиційні адсорбенти на основі природних мінеральних і органічних компонентів.
- Оцінити поліпшення якості води та запропонувати способи утилізації відпрацьованих сорбентів.
Об'єкт дослідження: природний абсорбент.
Предмет дослідження: процеси адсорбційної очищення води від шкідливих домішок за допомогою адсорбенту, отриманого на основі природних мінеральних компонентів.
Практичне значення отриманих результатів
Отримані результати будуть використані для розробки рекомендацій щодо поліпшення якості води.
3. Пористі вуглецеві матеріали та їх отримання
Пористий вуглецевий матеріал (ПВМ) являє собою конструкцію, побудовану подібно структурі графіту, проте в ній чергуються впорядковані і невпорядковані
області з вуглецевих кілець — Гексагон [ 1 ]. На відміну від графіту ПВМ володіє вільним пористим простором, яке зазвичай представлено тривимірним лабіринтом з
взаємопов'язаних розширень і звужень різного розміру і форми. Розрізняють мікропори (розмір 2 нм), мезопори (розмір в діапазоні від 2 до 50 нм) і макропори з розміром
більш 50 нм. Серед мікропор виділяють супермікропори з розміром в діапазоні 0,7 2 нм і ультрамікропори з розміром менш 0,6–0,7 нм. Завдяки наявності пір ПВМ мають високу
питому поверхню і здатні поглинати (адсорбувати) різні речовини з рідин і газів. Поняття адсорбція
трактується як підвищення концентрації речовин
поблизу розділу фаз. Явища адсорбції описані в [2,3].
Здатність ПВМ до адсорбції різних молекул визначається будовою його поверхні, природою і концентрацією поверхневих реакционноспособних груп. В якості останніх зазвичай виступають функціональні групи, які утворюються в результаті окисної обробки поверхні вуглецевого матеріалу: фенольні (гідроксильні), карбонільні (хіноїдному), карбоксильні, ефірні, енольними, лактонні. При відповідних умовах синтезу і обробки ПВМ на їх поверхні можливе отримання функціональних груп, що містять азот, сірку, галогени, фосфор.
Отримання ПВМ з твердого органічного сировини. Пористі вуглецеві матеріали утворюються в результаті протікання топохимической реакцій при піролізі (Нагріванні при відсутності кисню повітря) викопного вугілля, торфу, деревини, целюлози, карбідів.
На рисунку 1 предствлено виробнитство вуглеродних сорбентів на теперішній час: 1 — з деревини виробляють близько 36 % вуглеродних сорбентів; 2 — з кам'яного вугілля — 28 %; 3 — з бурого вугілля — 14,6 %; 4 — з торфу — 10 %; 5 — з шкаралупи кокосових горіхів — близько 10 % [4].
Відповідно до сформованими уявленнями в ході термічних перетворень твердого органічного сировини в інтервалі температур 650–1000 oС видаляються гетероатоми, частина вуглецю переходить з sp3 в sp2 стан, частина видаляється з газоподібними і рідкими компонентами. В обсязі твердого матеріалу утворюються так звані графени, складаються з плоских поліядерних ароматичних молекул з двомірної впорядкованістю атомів вуглецю. З підвищенням температури утворюються кластери з паралельно покладених графені, розмір яких і ступінь структурної упорядкованості зростають з температурою обробки: спочатку утворюються разупорядоченності протяжні пачки шарів з графенових кластерів і потім формується впорядкована структура графіту.
Кількість і розмір утворюються пір визначаються природою сировини і режимними параметрами процесу термічної обробки. Важливе значення має швидкість нагріву сировини. Загальний обсяг часу, а також кількість великих пір (макропор) значно зростають зі зростанням швидкості нагрівання сировини. Повільні швидкості нагріву реалізуються в технологіях піролізу в реакторах з нерухомим шаром сировини. Зокрема, таким чином отримують деревне вугілля. Більш продуктивні технології піролізу засновані на використанні подрібненої сировини і реакторів з так званим псевдозрідженим або киплячим шаром: захоплюються потоком газу дрібні частинки сировини як би знаходяться в киплячому стані. Перевагою реакторів з киплячим шаром є висока швидкість масо-і теплопереносу, що забезпечує підвищену інтенсивність процесу піролізу в порівнянні з технологіями піролізу в нерухомому шарі сировини. Обсяг пір і розподіл пор по радіусів можна регулювати також шляхом зміни тривалості процесу піролізу. У реакторах з псевдозрідженим шаром тривалість перебування частинок подрібненої сировини в зоні піролізу становить від десятих часток секунди до декількох хвилин.
Вуглецеві матеріали, одержувані пиролизом твердого сировини, як правило, мають слаборозвиненою пористою структурою і невисокою адсорбційної здатністю. Для підвищення якості вуглецевих сорбентів їх додатково піддають витримці при підвищеній температурі в присутності парів води і СО2 (так звана стадія активації).
У процесі активації зростають обсяг пір, питома поверхня сорбенту, змінюється співвідношення між обсягами мікро-, мезо- і макропор. Швидкість газифікації поверхневого вуглецю в процесі активації залежить від ступеня структурної впорядкованості вуглецевого матеріалу. Найбільш легко і швидко газифіковане вуглець в розупорядкованих областях вуглецевої поверхні.
4. Застосування вуглецевих сорбентів
Вуглецеві сорбенти застосовують в різних технологічних процесах знешкодження газових і стічних викидів, в медицині, хроматографії. Шляхи їх використання в сучасній промисловості розглянуті, наприклад, в монографії [8].
Для різних областей застосування потрібні вуглецеві сорбенти зі специфічним комплексом властивостей: певної пористою структурою, специфічним складом поверхневих функціональних груп необхідної форми, міцністю, ступенем чистоти. Для адсорбційної очищення рідин і вилучення цінних металів з розчинів важливе значення має такий показник, як гідрофільність (здатність до змочування водою) поверхні вуглецевого сорбенту. Чистота сорбенту (наприклад, кількість зольной частини) не відіграє суттєвої ролі в процесах очищення забруднених стоків і газових викидів. Однак для сорбційного вилучення благородних металів, наприклад золота, регламентується кількість мінеральних домішок в сорбенті. Розмір пір, міцність і форма вуглецевого сорбенту мають вирішальне значення при його використанні в якості пористої мембрани. Для сорбентів, що використовуються в хроматографічних цілях, важливий склад поверхневих функціональних груп.
Вартість вуглецевих сорбентів є лімітуючим фактором в їх великомасштабному використанні для охорони навколишнього середовища. Для очищення газових викидів і стоків прагнуть застосовувати досить дешеві порошкові сорбенти, що отримуються з доступного і недорогого сировини (Копалин твердих палив, деревних відходів) з використанням інтенсивних технологій суміщеного процесу піролізу та активації в реакторі з псевдозрідженим шаром.
Властивості більш високоякісних активованих вуглецевих сорбентів в багатьох випадках залежать від структури вихідних ПВМ, яка визначається умовами їх отримання.
Висновки
Пористі вуглецеві матеріали широко застосовуються в промисловості і охороні навколишнього середовища. У традиційних областях використання, перш за все в технологічних процесах, пов'язаних з поділом, виділенням і очищенням речовин, вуглецевими сорбентами поступово замінюють менш ефективні неорганічні сорбційні матеріали. Області їх застосування постійно розширюються завдяки розробці методів отримання ПВМ з принципово новими властивостями: вуглецевих композиційних матеріалів, молекулярних сит, волокон, фулеренів, порожніх нанотрубок та ін.
Великомасштабне використання вуглецевих сорбентів з метою охорони навколишнього середовища (очищення стоків, газових викидів, забруднених грунтів) вимагає розширення виробництва ПВМ з дешевих видів органічної сировини: копалин твердих палив, різних природних і техногенних органічних відходів. На основі сформованих теоретичних уявлень про механізм формування структури ПВМ при піролізі твердого та газоподібного органічної сировини і активації вуглецевих матеріалів розробляються ефективні методи отримання вуглецевих сорбентів з необхідним комплексом властивостей. Зокрема, високошвидкісні методи піролізу та активації в апаратах киплячого шару дозволяють отримувати з доступної сировини дешеві вуглецеві сорбенти, які з успіхом можна застосовувати в процесах очищення стоків і газових викидів замість дорогих сорбентів, одержуваних з більш дефіцитного сировини (антрациту, целюлоза, печи).
Перспективні напрямки використання ПВМ пов'язані з каталітичним синтезом вуглець-мінеральних і вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів з унікальними властивостями. Оскільки пористі вуглецеві матеріали отримують з будь-якого виду вуглець сировини, включаючи відходи, і самі застосовуються з метою охорони навколишнього середовища, можна впевнено прогнозувати, що ПВМ внесуть важливий внесок у вирішення назрілих проблем сталого розвитку людства в XXI столітті.
Список джерел
- В. Б. Фенелонов Пористый углерод. Новосибирск: ИК СО РАН, 1995. — 513 с.
- С. Грег, К. Синг Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.: Мир, 1984. — 310 с.
- Рощина Т.М. Адсорбционные явления и поверхность // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. 2. С. 89–94.
- Б. Н. Кузнецов , М. Л. Щипко, С. А. Кузнецова , В. Е. Тарабанько Новые подходы в переработке твердого органического сырья. Красноярск, 1991. — 371 с.
- В. А. Лихолобова Каталитический синтез углеродных материалов и их применение в катализе // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. — 5. С. 35–42.
- Золотухин И.В. Фуллерит — новая форма углерода // Там же. 1996. — 2. С. 51.
- Л. Н. Сидоров Газовые кластеры и фулерены // Там же. 1998. — 3. С. 65.
- Х. Кинле,Э. Бадер Активные угли и их промышленное применение. Л.: Химия, 1984. 216 с.