ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ АДСОРБЕНТОВ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ И ОРГАНИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ

Ю.С. Сопина, В.В. Шаповалов

Донецкий национальный технический университет

В докладе проанализирована возможность получения и способы активации композиционных углеродсодержащих адсорбентов на основе минеральных и органических компонентов.

Ключевые слова: АДСОРБЦИЯ, МОДИФИЦИРОВАНИЕ, СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

The report analyzes the possibility of obtaining composite and methods for the activation of carbonaceous adsorbents based on mineral and organic components.

Keywords: Adsorption, MODIFICATION, SORPTION PROPERTIES

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. Наибольшее применение находят активные угли, получаемые путем термического разложения различных углеродсодержащих веществ.

Активные угли, обладающие развитой пористой структурой и высокой величиной поверхности, до сих пор остаются одними из наиболее эффективных сорбентов для выделения из воздуха и вод многих органических соединений. Основным способом получения этих сорбентов является карбонизация и активация (обработка парами воды и диоксидом углерода) каменных углей, торфа, древесины или термическое разложение синтетических полимеров. В зависимости от исходного материала и последующего способа активации получают сорбенты с различным соотношением микро-, мезо- и макропор. В аналитической практике используют угли различных марок. За рубежом, в основном, применяют активный уголь из скорлупы кокосовых орехов или уголь из нефти. В нашей стране распространены активные угли марок СКТ и БАУ. Адсорбционная способность активных углей зависит от длины, структуры и размеров пор. Удельная поверхность лучших сортов углей равна 800 – 1000 м²/г, причем 70 – 75% поверхности составляют поры диаметром менее 2 нм. Активные угли традиционно считают обращенно-фазными сорбентами, несмотря на довольно высокое содержание кислорода (от 2 до 25%), атомы которого входят в состав функциональных групп и обусловливают различные специфические взаимодействия с сорбатом. Эти сорбенты количественно извлекают из воздуха и вод полициклические ароматические углеводороды и другие неполярные органические соединения с температурой кипения 200 – 260°С. Адсорбенты, получаемые из каменного и бурого углей, используются, как правило, для технических целей (очистка сточных вод, газовых выбросов). В пищевой промышленности, в медицине, для очистки питьевой волы используются активные угли, получаемые из растительных видов сырья.

Наибольшее применение находят активные угли, получаемые путем термического пиролиза древесины малосмолистых пород, например березы. Древесина(абсолютно сухая) в основном состоит из трех химических элементов: углерода — 49,5%; кислорода — 44,2; водорода — 6,3%. Главной составной частью древесины является целлюлоза (C₆H₁₀O₅)_n,> состоящая из остатков молекул глюкозы

При пиролизе древесины березы (влажность 10-15%) получают 24-25% древесного угля, 50-55% жидких и 22-23% газообразных продуктов.

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 в государстве практически отсутствует. Вместе с тем, для производства углеродсодержащих адсорбентов в принципе возможно использование и другого растительного сырья, которое может возобновляться ежегодно, либо веществ получаемых из такого сырья.

Вкачестве 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. Сложность заключается в том, что при деструкции эти компоненты образуют углеродсодержащую массу со слабо развитой поверхностью, что не позволяет их использовать в качестве адсорбентов. Нами установлено, что композиции, содержащие органические вещества растительного происхождения и некоторые минеральные вещества, способны подвергаться деструкции с получением адсорбентов хорошего качества.

В качестве углеродсодержащего вещества для получения адсорбента был выбран крахмал.Крахмал состоит из полисахаридов - амилозы и амилопектина, образованных остатками глюкозы. Экспериментально доказано, что химическая формула крахмала (C₆H₁₀O₅)_n и по химическому составу соответствует целлюлозе.

Установлено, что крахмал состоит не только из линейных молекул, но и из молекул разветвленной структуры. Этим объясняется зернистое строение крахмала. Накапливается в виде зерен, главным образом в клетках семян, луковиц, клубней, а также в листьях и стеблях, то есть является возобновляемым источником сырья.

Карбонизация (пиролиз) крахмала протекает в соответствии с уравнением

C₆H₁₀O₅)_n  → 5n H₂O + 6n

Теоретический выход углерода составляет 44,4%. Согласно данным термического анализа пиролиз чистого крахмала начинается при температуре 300^оС и сопровождается потерей воды и сильным вспучиванием образовавшейся графитообразной углеродсодержащей массы с плохо развитой пористостью. Проверка адсорбционной способности полученных образцов по отношению к водным растворам фенола показала, что адсорбционные  свойства полученных образцов угля являются неудовлетворительными. Целью работы являлось получение эффективных адсорбентов путем комбинирования крахмала с минеральными природными высокопористыми компонентами на основе микрокремнезема. В качестве такого компонента был выбран трепел.

  Исследования показали, что смеси трепел-крахмал с содержанием последнего до 60% при нагревании не увеличивают объем и представляют собой слегка спекшийся конгломерат легко разрушаемый механически. Разложение смесей (рис) сопровождается наличием двух экзотермических эффектов на кривой ДТА. Первый обусловлен потерей адсорбционной воды крахмала, второй карбонизацией крахмала, которая протекает в интервале температур 300-360^оС. При более высоких температурах (рис, кривая ТГ) потеря массы обусловлена окислением образующегося углерода кислородом воздуха. По этой причине карбонизация образцов проводилась в реакторе без доступа воздуха, нагрев которого осуществлялся печью с компьютеризированной системой управления нагревом по заданному закону. Установлено, что образцы адсорбента, полученные при температуре 340^оС, обладают низкой эффективностью (из 100 мл раствора фенола концентрацией 0,1 мг/мл 1 г адсорбента поглощает 21% фенола). При повышении температуры карбонизации до 500^оС эффективность адсорбции повышается до 60-65%. Для сравнения активированный уголь БАУ при соизмеримом количестве углерода с композиционным адсорбентом обладает степенью адсорбции 75%. Полученные данные свидетельствуют, что активность углерода получаемого в системе крахмал-трепел приближается к широко используемому березовому активированному углю – БАУ.

Литература

1.                Кельцев,Н.В. Основы адсорбционной техники / Кельцев,Н.В.  М.: Химия, 1984. – 171 с. 

2.                Мухин, В.М. Новые технологии получения активных углей из реактопластов /  Мухин В.М., Зубова И.Д., Гурьянов В.В., Курилкин А.А., Гостев В.С.– 2009 -  195с.

3.                Бадер Э.Активные угли и их промышленное применение / Бадер Э., Кинле Х, Л.: «Химия», 1984 – 216 с.

4.                А.О. Еремина, Углеродные адсорбенты из гидролизного лигнина для очистки сточных вод от органических примесей / А.О. Еремина, В.В. Головина, Н.В. Чесноков, Б.Н. Кузнецов - Journal of Siberian Federal University. Chemistry 1 (2011 4) С.100-107

5.                Манина Т.С. Получение и исследование высокопористых углеродных сорбентов на основе естественно окисленных углей кузбасса. Дис.канд.хим.наук, Кемерово, 2013, - 133 с.