Получение микропористых углеродных адсорбентов термохимической активацией отходов лесоперерабатывающей промышленности
ART 86566
Автор:
К.
А. Романенко
К.
А. Романенко Библиографическое описание статьи для цитирования:
Романенко
К.
А. Получение микропористых углеродных адсорбентов термохимической активацией отходов лесоперерабатывающей промышленности // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 11. – С.
2676–2680. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/86566.htm.
Аннотация. Приведены результаты исследований по использованию гидроксида калия в качестве активирующего агента. Влияние режимных параметров на сорбционные свойства угля и формирование пористой структуры было изучено посредством построения графических зависимостей – поверхностей отклика. В результате анализа полученных данных был сделан вывод об эффективности используемого метода для синтеза углеродных адсорбентов, так как полученный уголь имеет развитую пористую структуру.
Ключевые слова:
активный уголь, адсорбционные свойства, пористая структура, планированный эксперимент
Текст статьи
Романенко Кристина Александровна,Магистрантка кафедры химии и химических технологий ФГАОУ ВО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова», г.Архангельскkristinaromanencko@yandex.ru
Получение микропористых углеродных адсорбентов термохимической активациейотходов лесоперерабатывающей промышленности
Аннотация. Приведены результаты исследований по использованию гидроксида калия в качестве активирующего агента. Влияние режимных параметров на сорбционные свойства угля и формирование пористой структуры было изучено посредством построения графических зависимостей –поверхностей отклика. В результате анализа полученных данных был сделан вывод об эффективности используемого метода для синтеза углеродных адсорбентов, так как полученный уголь имеет развитую пористую структуру.Ключевые слова:активный уголь, адсорбционные свойства, пористая структура, планированный эксперимент.
В связи с экологической напряженностью проблема получения и поиска новых сорбентов, так же,как и разработка новых сорбционных технологий, является актуальной. Особый интерес представляют многотоннажные производства, такие как, например, лесоперерабатывающая и лесохимическая промышленности. Последнее объясняется двумя причинами. С одной стороны, технологии этих производств обременены значительными отходами. С другой –древесина и ее компоненты, природные соединения являются сырьем для получения сорбентов.В связи сбольшими лесозаготовками в России ежегодно образуется большое количество лесосечных отходов. Наиболее распространенным на данный момент методомих утилизации является сжигание в топках котельных, что нельзя считать рациональным. Альтернативой сжиганию является осуществление процесса квалифицированной его переработки в режиме пиролиза. В настоящее время для синтеза активного угля наблюдается тенденция использования методов термохимической активации сырья, поскольку эти методы позволяют получать адсорбентыс заданными адсорбционными свойствами и параметрами пористой структуры. Определяющими факторами при синтезе адсорбентов (АУ) с использованием методов термохимической активации являются выбор и дозировка активирующего агента, а также температура процесса. В качестве активирующего агента предлагают использовать ортофосфорную кислоту, гидроксиды щелочных металлов, карбонаты щелочных и щелочноземельных металлов, оксид кальция, хлориды. Имеется большое количество свидетельств о применении NaOHв качестве активирующего реагента и его эффективности в синтезе адсорбентов методами термохимической активации различных углеродсодержащих материалов.Учитывая актуальность утилизации вторичных ресурсов химической переработки древесины, весьма своевременным является изучение возможности получения активных углей из еловых опилокс использованием гидроксида калия в качестве активирующего агента. Задачейнастоящей работы –изучениесвойств углеродных адсорбентов, полученных термохимическойактивацией еловых опилок с гидроксидом калия.Для решения поставленной задачи был реализован центральный композиционный ротатабельный униформ план второго порядка для трех переменных, варьирующихся на 5 уровнях [1]. В качестве меняющихся параметров были выбраны температуры предпиролиза (Тп/п) и термохимической активации (Ттха), а также дозировка активирующего агента. Значения и интервалы варьирования факторов представлены в таблице 1. В результате эксперимента было наработано 20 образцов АУ. Синтез адсорбентов осуществлялся в 2 стадии: карбонизация гидролизного лигнина (предпиролиз) и последующая термохимическая активация углясырца.Полученный уголь в дальнейшем подвергался выщелачиванию, и была исследована его сорбционная активность по основным сорбатам, а также влияние режимных параметров на формирование пористой структуры.Полученные экспериментальные данные в последующем были использованы для расчета коэффициентов уравнений регрессии, оценки их значимости и разработки статистических моделей, связывающих значение выходных параметров с условиями их получения. Сравнение абсолютных значений значимых коэффициентов уравнений регрессии, свидетельствуют о том, что режимные параметры в разной степени влияют как на выход, так и на свойства получаемых углей.Таблица 1. Значения и интервалы варьирования факторов
Переменные факторыХарактеристики планаШаг варьирования, λУровни факторов1,682(α)1011,682(+α)Температура предпиролиза, ºС60300340400460500Температура пиролиза, ºС60550590650710750Расход КOH,г/г0,31,001,201,501,802,00
На рисунке 1 представлены поверхности отклика выхода АУ.
Рисунок 1 –Влияние режимных параметров на выход АУИх анализ показывает, что наибольший выход активного угля наблюдается при минимальной дозировке щелочи. С повышением температуры предпиролиза в интервале 380 420 ℃значение выхода проходит через оптимум.510152025TТХА, °CТп/п,°СВыход на а.с.с,%510152025Тп/п,°СD, г/гВыходна а.с.с, %Рисунок 2 Влияние режимных параметров на адсорбционные свойства по МГНаивысшая адсорбционная активность АУ по метиленовому голубому (рис.2) достигается при наивысших температурах предпиролиза и термохимической активации. Увеличение дозировки активирующего агента целесообразно при максимальной и минимальной температуре предпиролиза.Важными характеристиками адсорбентов, керамики, нанотрубок, а также других наноструктурированных пористых и высокодисперсных материалов являются удельная поверхность (Sуд.), размер и объём пор.Определение удельной поверхности основано на измерении количества газаадсорбата, который адсорбируется на поверхности исследуемого адсорбента при различных относительных парциальных давлениях Р/Р0при температуре кипения жидкого азота t = 77 К. В настоящей работе исследование пористой структуры полученных адсорбентов проводили на анализаторе удельной поверхности ASAP2020МР. В качестве газа адсорбата использовали азот [2].Для иллюстрации на рисунке 3 приведены некоторые изотермы адсорбциидесорбции азота.
Рисунок 3–Влияние дозировки щелочи на формирование пористой структуры, при температурах предпиролиза 400оС и пиролиза 650оС200700120017002200TТХА, оСТп/п, оСМГ, мг/г200700120017002200D,г/гТ п/п, оСМГ, мг/гD = 200%D = 150%D = 100%
Полученные изотермы относятся к I типу по классификации ИЮПАК характерным для микропористых твердых тел. Из характера изотерм видно, что пористая структура представлена почти исключительно микропорами (относительное давление до 0,2).
Для определения удельной поверхности и общего объема пор полученные изотермы были обработаны по уравнению БЭТ.По полученным экспериментальным данным рассчитаны уравнения регрессии, использованные для построения графических зависимостей поверхностей отклика (рис.45), показывающих характер зависимости выходных параметров от технологических условий получения АУ.
Рисунок 4–Влияние режимных параметров на формирование удельной поверхности АУРасход гидроксида калия, а также повышение температур термохимической активации опилок оказывают линейное и положительноевлияние на формирование удельной поверхности синтезируемых активных углей.
Рисунок 5 –Влияние режимных параметров на развитие пористой структуры АУСравнение поверхностей отклика, представленных на рисунках 4и 5, свидетельствует об их схожем характере, а значит можно утверждать, что удельная поверхность формируется за счет образования микропор. Более того, ранее представленные данные в виде изотерм адсорбции полностью подтверждают 80011501500185022002550ТТХА, °CТп/п,°CSуд., м2/г8001150150018502200Тп/п,°CSуд., м2/гD,г/г0,20,40,60,811,2TТХА,оСТ п/п, оСV,см3/г0,20,40,60,811,2D,г/гТп/п, оСV, см3/гвысказанное предположение. А именно, синтезируемые нами угли являются преимущественно микропористыми.По результатам экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:
на выход активного угля влияет температура предпиролиза, оптимальные значения 380 420 ℃;
при высокой температуре предпиролиза получается уголь с высокими сорбционными свойствами;
уголь с высокой активной поверхностью будет получен при максимальных температурах предпиролиза и термохимической активации данного интервала.
на основании испытаний показано, что активные угли , полученные методом термохимической активацией, по своим физикохимическим и адсорбционным свойствам превосходят промышленные марки углей, производимых по традиционной технологии.
Ссылки на источники1 Богданович Н.И. Планирование эксперимента в примерах и расчетах / Н.И. Богданович, Л.Н. Кузнецова, С.И. Третьяков, В.И. Жабин –Архангельск: изд. С(А)ФУ.–2010. –126 С.2 Романенко К.А.,Белецкая М.Г., Богданович Н.И., КанарскийА.В. Влияние термохимической активиции гидролизного лигнина с гидроксидом калия на свойства углеродных адсорбентов // Вестник технологического университета. –Казань: КНИТУ. –2015. –Т.18, №3. –с. 94 97.
Получение микропористых углеродных адсорбентов термохимической активациейотходов лесоперерабатывающей промышленности
Аннотация. Приведены результаты исследований по использованию гидроксида калия в качестве активирующего агента. Влияние режимных параметров на сорбционные свойства угля и формирование пористой структуры было изучено посредством построения графических зависимостей –поверхностей отклика. В результате анализа полученных данных был сделан вывод об эффективности используемого метода для синтеза углеродных адсорбентов, так как полученный уголь имеет развитую пористую структуру.Ключевые слова:активный уголь, адсорбционные свойства, пористая структура, планированный эксперимент.
В связи с экологической напряженностью проблема получения и поиска новых сорбентов, так же,как и разработка новых сорбционных технологий, является актуальной. Особый интерес представляют многотоннажные производства, такие как, например, лесоперерабатывающая и лесохимическая промышленности. Последнее объясняется двумя причинами. С одной стороны, технологии этих производств обременены значительными отходами. С другой –древесина и ее компоненты, природные соединения являются сырьем для получения сорбентов.В связи сбольшими лесозаготовками в России ежегодно образуется большое количество лесосечных отходов. Наиболее распространенным на данный момент методомих утилизации является сжигание в топках котельных, что нельзя считать рациональным. Альтернативой сжиганию является осуществление процесса квалифицированной его переработки в режиме пиролиза. В настоящее время для синтеза активного угля наблюдается тенденция использования методов термохимической активации сырья, поскольку эти методы позволяют получать адсорбентыс заданными адсорбционными свойствами и параметрами пористой структуры. Определяющими факторами при синтезе адсорбентов (АУ) с использованием методов термохимической активации являются выбор и дозировка активирующего агента, а также температура процесса. В качестве активирующего агента предлагают использовать ортофосфорную кислоту, гидроксиды щелочных металлов, карбонаты щелочных и щелочноземельных металлов, оксид кальция, хлориды. Имеется большое количество свидетельств о применении NaOHв качестве активирующего реагента и его эффективности в синтезе адсорбентов методами термохимической активации различных углеродсодержащих материалов.Учитывая актуальность утилизации вторичных ресурсов химической переработки древесины, весьма своевременным является изучение возможности получения активных углей из еловых опилокс использованием гидроксида калия в качестве активирующего агента. Задачейнастоящей работы –изучениесвойств углеродных адсорбентов, полученных термохимическойактивацией еловых опилок с гидроксидом калия.Для решения поставленной задачи был реализован центральный композиционный ротатабельный униформ план второго порядка для трех переменных, варьирующихся на 5 уровнях [1]. В качестве меняющихся параметров были выбраны температуры предпиролиза (Тп/п) и термохимической активации (Ттха), а также дозировка активирующего агента. Значения и интервалы варьирования факторов представлены в таблице 1. В результате эксперимента было наработано 20 образцов АУ. Синтез адсорбентов осуществлялся в 2 стадии: карбонизация гидролизного лигнина (предпиролиз) и последующая термохимическая активация углясырца.Полученный уголь в дальнейшем подвергался выщелачиванию, и была исследована его сорбционная активность по основным сорбатам, а также влияние режимных параметров на формирование пористой структуры.Полученные экспериментальные данные в последующем были использованы для расчета коэффициентов уравнений регрессии, оценки их значимости и разработки статистических моделей, связывающих значение выходных параметров с условиями их получения. Сравнение абсолютных значений значимых коэффициентов уравнений регрессии, свидетельствуют о том, что режимные параметры в разной степени влияют как на выход, так и на свойства получаемых углей.Таблица 1. Значения и интервалы варьирования факторов
Переменные факторыХарактеристики планаШаг варьирования, λУровни факторов1,682(α)1011,682(+α)Температура предпиролиза, ºС60300340400460500Температура пиролиза, ºС60550590650710750Расход КOH,г/г0,31,001,201,501,802,00
На рисунке 1 представлены поверхности отклика выхода АУ.
Рисунок 1 –Влияние режимных параметров на выход АУИх анализ показывает, что наибольший выход активного угля наблюдается при минимальной дозировке щелочи. С повышением температуры предпиролиза в интервале 380 420 ℃значение выхода проходит через оптимум.510152025TТХА, °CТп/п,°СВыход на а.с.с,%510152025Тп/п,°СD, г/гВыходна а.с.с, %Рисунок 2 Влияние режимных параметров на адсорбционные свойства по МГНаивысшая адсорбционная активность АУ по метиленовому голубому (рис.2) достигается при наивысших температурах предпиролиза и термохимической активации. Увеличение дозировки активирующего агента целесообразно при максимальной и минимальной температуре предпиролиза.Важными характеристиками адсорбентов, керамики, нанотрубок, а также других наноструктурированных пористых и высокодисперсных материалов являются удельная поверхность (Sуд.), размер и объём пор.Определение удельной поверхности основано на измерении количества газаадсорбата, который адсорбируется на поверхности исследуемого адсорбента при различных относительных парциальных давлениях Р/Р0при температуре кипения жидкого азота t = 77 К. В настоящей работе исследование пористой структуры полученных адсорбентов проводили на анализаторе удельной поверхности ASAP2020МР. В качестве газа адсорбата использовали азот [2].Для иллюстрации на рисунке 3 приведены некоторые изотермы адсорбциидесорбции азота.
Рисунок 3–Влияние дозировки щелочи на формирование пористой структуры, при температурах предпиролиза 400оС и пиролиза 650оС200700120017002200TТХА, оСТп/п, оСМГ, мг/г200700120017002200D,г/гТ п/п, оСМГ, мг/гD = 200%D = 150%D = 100%
Полученные изотермы относятся к I типу по классификации ИЮПАК характерным для микропористых твердых тел. Из характера изотерм видно, что пористая структура представлена почти исключительно микропорами (относительное давление до 0,2).
Для определения удельной поверхности и общего объема пор полученные изотермы были обработаны по уравнению БЭТ.По полученным экспериментальным данным рассчитаны уравнения регрессии, использованные для построения графических зависимостей поверхностей отклика (рис.45), показывающих характер зависимости выходных параметров от технологических условий получения АУ.
Рисунок 4–Влияние режимных параметров на формирование удельной поверхности АУРасход гидроксида калия, а также повышение температур термохимической активации опилок оказывают линейное и положительноевлияние на формирование удельной поверхности синтезируемых активных углей.
Рисунок 5 –Влияние режимных параметров на развитие пористой структуры АУСравнение поверхностей отклика, представленных на рисунках 4и 5, свидетельствует об их схожем характере, а значит можно утверждать, что удельная поверхность формируется за счет образования микропор. Более того, ранее представленные данные в виде изотерм адсорбции полностью подтверждают 80011501500185022002550ТТХА, °CТп/п,°CSуд., м2/г8001150150018502200Тп/п,°CSуд., м2/гD,г/г0,20,40,60,811,2TТХА,оСТ п/п, оСV,см3/г0,20,40,60,811,2D,г/гТп/п, оСV, см3/гвысказанное предположение. А именно, синтезируемые нами угли являются преимущественно микропористыми.По результатам экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:
на выход активного угля влияет температура предпиролиза, оптимальные значения 380 420 ℃;
при высокой температуре предпиролиза получается уголь с высокими сорбционными свойствами;
уголь с высокой активной поверхностью будет получен при максимальных температурах предпиролиза и термохимической активации данного интервала.
на основании испытаний показано, что активные угли , полученные методом термохимической активацией, по своим физикохимическим и адсорбционным свойствам превосходят промышленные марки углей, производимых по традиционной технологии.
Ссылки на источники1 Богданович Н.И. Планирование эксперимента в примерах и расчетах / Н.И. Богданович, Л.Н. Кузнецова, С.И. Третьяков, В.И. Жабин –Архангельск: изд. С(А)ФУ.–2010. –126 С.2 Романенко К.А.,Белецкая М.Г., Богданович Н.И., КанарскийА.В. Влияние термохимической активиции гидролизного лигнина с гидроксидом калия на свойства углеродных адсорбентов // Вестник технологического университета. –Казань: КНИТУ. –2015. –Т.18, №3. –с. 94 97.
