Подавляющее большинство промышленных химических процессов проводятся с использованием катализаторов, причем наиболее значимую роль занимает активный уголь. Последние 20 лет активный уголь привлекает большое внимание исследователей, за счет его уникальных свойств и перспективности применения. Мы обнаружили, что приготовленный на основе шелухи гречихи углеродный сорбент при одностадийной карбонизации и низкой температуре (Т=400̊C) является самым экологичным в этой работе, а также показывает самые лучше результаты удельной поверхности (Sуд=190 м2•г-1).
Ключевые слова: сорбент, углеродные сорбенты, шелуха гречихи, адсорбция, адсорбционная удельная поверхность
Хозяйственная деятельность человечества в течении последнего столетия привела к серьезному загрязнению нашей планеты разнообразными отходами производства. Воздушный бассейн, воды и почва в районах крупных промышленных центров часто содержат токсичные вещества, концентрация которых превышает предельно допустимую, что создает серьезную опасность для здоровья населения. Одним из наиболее перспективных направлений в создании экологически безопасных промышленных технологий и природоохранной деятельности человека является использование различных типов активных углей [1]. Пористые углеродные сорбенты получают из всех видов углеродосодержащего сырья: древесины, целлюлозы, каменных и бурых углей, торфа, нефтяного и каменноугольного песков, синтетических полимерных материалов, жидких и газообразных углеродов, скорлупы и косточек плодов, различных отходов сельского хозяйства.
Сорбент, полученный из шелухи гречихи, может использоваться для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды в качестве фильтрующей загрузки для глубокой очистки сточных вод и для очистки воды от фотокатализаторов и красителей адсорбционным методом [2,3,4]. Насыщенный сорбент не тонет и легко собирается с водной поверхности.
в этой работе, мы обнаружили явную зависимость выхода привычных углей и удельной поверхности от температуры карбонизации при 400.
Экспериментальная часть.
В работе мы использовали следующие методики:
- Метод сушки. Сущность метода заключается в высунувшемся навески образца (шелухи гречихи) в сушильном шкафу при температуре 210 ̊с в течении 3-х часов до постоянного веса и Определении уменьшения веса образца.
- Метод карбонизации.
Первичный углеродный сорбент на основе шелухи гречихи получают при одностадийной карбонизации при невысоких температурах Ткарб ≤ 400°С.
Процесс карбонизации на проточной лабораторной установке, состоящей из электрической печи, сделанной из нержавеющей стали с размерами 400
400800 мм, обеспечивающей температуру до 1200 °с (рис. 1). Процесс проводили без доступа воздуха в токе азота. Исходный шелухи гречихи размером 1,5х15 мм, после сушки при температуре 210°с в течение 3х часов загружают во вращающийся реактор, затем материал подвергают карбонизации при Т≈ 300–400°с в потоке азота в течение 70 мин (обычно за время, в течение которого прекращается выделение дыма). Выход угля составляет около 60 %. Переменными параметрами в процессе карбонизации были температура, скорость подъема температуры в реакторе.
Рис. 1. Пилотная установка для карбонизации растительного сырья: 1 – электрическая печь, 2 – вращающийся реактор, размер 80х 800 см, 3 – углеродные материалы или растительное сырье, 4 – краны, 5 – источник электрического питания, 6 – микрокомпрессор, 7 – нагреватель, 8 – емкость для воды, 9 – вытяжка
- Адсорбционный метод определения характеристик первичного углеродного сорбента по этанолу. Адсорбцию на твёрдых углеродных адсорбентах измеряли весовым методом на вакуумной адсорбционной установке типа весов Мак-Бена при начальном давлении Р=10–5 тор.
Рис. 2. установка для изучения адсорбции паров и газов. (БЭТ): 1 – форвакуумный насос 5-кварцевой пружины, 2 – диффузионный насос 6-датчик, 3, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 16 — краны 7-ртутный манометр, 4 – адсорбционные трубки 8-дозатор, 15 – буферная емкость
Результаты и обсуждения.
В результате карбонизации было получено 3 образца первичных углеродных сорбентов: ГС-1, ГС-2, ГС-3.
Из таблицы (1) видно, что для выбора условий мы меняем температуру карбонизации, и скорость подъема температуры при постоянном времени контакта. Так как, для образцов ГС-1, ГС-2, ГС-3 температура карбонизации в интервале 300, 400 и 500 оС, скорость подъема температуры 10, 20 и 30 ̊С мин-1 и время контакта τ=70 мин (табл. 1 и рис. 3–10). Наблюдалось, что зависимость удельной поверхности от температуры карбонизации первичных углеродных сорбентов носит экстремальный характер (табл.1 и рис. 10).
Таблица 1
Значения удельных поверхностей первичных углей
|
Марка угля |
Ткар, оС |
τ, мин |
Vпод. Т, мин |
Выход, (η %) |
Sуд, м2/г |
|
ГС-1 |
300 |
70 |
10 |
39 |
130 |
|
ГС-2 |
400 |
70 |
20 |
60 |
190 |
|
ГС-3 |
500 |
70 |
30 |
47 |
160 |
Рис. 3. Зависимость выхода первичных углей от температуры карбонизации
Изучение адсорбции и десорбции с помощью высоковакуумной адсорбционной установки типа весов Макбэна.
Рис. 4. Изотермы адсорбции и десорбции паров этанола первичным углем ГС-1 при начальном давлении 10–5мм.рт.ст. и температуре 250С
Рис. 5. Изотермы адсорбции и десорбции паров этанола первичным углем ГС-2 при начальном давлении 10–5мм.рт.ст. и температуре 250С
Рис. 6. Изотермы адсорбции и десорбции паров этанола первичным углем ГС-3 при начальном давлении 10–5 мм. рт. ст. и температуре 250С
Рис. 7. Изотерма адсорбции паров этанола первичным углем ГС-3 в координатах уравнения БЭТ при температуре 25оС
Рис. 8. Изотерма адсорбции паров этанола первичным углем ГС-2 в координатах уравнения БЭТ при температуре 250С
Рис. 9. Изотерма адсорбции паров этанола первичным углем ГС-1 в координатах уравнения БЭТ при температуре 25оС
Рис. 10. Зависимость значений удельной поверхности первичных углей от температуры карбонизации
В результате изучения адсорбции паров этилового спирта на весовой адсорбционной установке были получены 3 изотермы (рис. 4–6). Из графиков видно, что после значения Р/Рs=0,15 начинается процесс полимолекулярной адсорбции с большой петлей гистерезиса. По форме петли гистерезиса можно сказать, что эти углеродные сорбенты имеют бутылочную форму поры и неоднородную структуру особенно неоднородный сорбент ГС-1, ГС-2, ГС-3. Полученные изотермы относятся ко второму типу изотерм адсорбции по квалификации Брунауэра, Эммета и Телера. А также были получены изотермы десорбции паров этилового спирта ПУС при данных условиях.
Полученные изотермы адсорбции паров этилового спирта были представлены в координатах уравнения БЭТ (рис 7–9), для расчёта адсорбционной емкости моно слоя (аm) и удельной поверхности (Sуд.), рис 10. Таким образом, Sуд Определяется формулой Sуд= amNAm10–20, На основе уравнения БЭТ [5,6]:
Где, P/Ps – относительное давление пара.
где am — емкость монослоя (в ммоль),
N — Число Авогадро, равное 6, 0234·1020(в ммоль)
Am — Ван-дер-Ваальсовская площадь.
Am=1.091
1016.
Выводы:
- Впервые получены 3 образца ПУС при одностадийной карбонизации шелухи гречихи в интервале температур карбонизации 300–400–500 ̊С, со скоростью подъема температуры карбонизации 10–20–30 ̊С и при продолжительности τ=70 мин.
- Получены изотермы адсорбции и десорбции паров этилового спирта на 3-х полученных образцах ПУС. Все изотермы относятся ко второму типу изотерм адсорбции по квалификации Брунауэра, Эммета и Телера. По изотермам адсорбции паров этилового спирта были рассчитаны адсорбционные характеристики углеродных сорбентов с помощью уравнений БЭТ.
- Из полученных результатов следует, что, можно получить углеродный сорбент экологического назначения на основе шелухи гречихи при одностадийной карбонизации и низкой температуре (Т=400 ̊С).
- Из полученных результатов, второй опыт приготовлен (ГС-2) является самым лучшим, опыт сравнен с остальными опытами исследования.
Литература:
- Грек С., Синг К. Адсорбция удельная поверхность // Москва (мир). 1974, с. 400.
- Мухин В. М., Тарасов А. В., Клушин В. Н. Активные угли России. Москва, Металлургия, 2000. 3–5 с.
- Хоанг Ким Бонг, Темкин О. Н., Фомичева Т. В., Шестаков Г. К., ЖПХ; 1997, т. 70, № 11. 1872. – 1876 с.
- Боресков Г. К. Гетерогенный катализ, Москва, Наука, 1986, с. 73–74.
- Грек С., Синг К. Адсорбция удельная поверхность // Москва (мир). – 2-е издание. – 1984, с. 56.
- Никитина Ю. С., Петровой Р. С. // Экспериментальные методы в адсорбции и молекулярной хроматографии // Издательство Московского университета. МОСКВА-2е-издание. – 1990, с. 65–92.
