CC BY
28ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
АДСОРБЦИОННАЯ УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕННОГО СОРБЕНТА НА ОСНОВЕ ШЕЛУХИ ГРЕЧИХИ Аббас Х.А.
Аббас Хуссейн Али - студент магистратуры, факультет химической технологии, Институт тонких химических технологий, Московский технологический университет, г. Москва
Аннотация: 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, причем уникальным сорбентом является древесный активированный уголь. Мы обнаружили, что приготовленный углеродный сорбент на основе шелухи гречихи при одностадийной карбонизации и низкой температуре (Т=400°С) явился самым экологическим опытом в этой работе, который показал самые лучше результаты удельной поверхности @уд=160 м2,г-1). Ключевые слова: углеродные сорбенты, шелухи гречихи, адсорбция, удельная поверхность.
Введение
Одна из актуальных задач рационального природопользования - решение проблемы утилизации крупнотоннажных промышленных отходов. Накопленные промышленные отходы занимают значительные земельные территории, выступают источником загрязнения окружающей среды, следствием чего является ухудшение условий жизни человека. Количество некоторых углеродсодержащих отходов столь велико, что их рассматривают как вторичные техногенные сырьевые ресурсы [1]. 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 - 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°С.
Экспериментальная часть
1. Метод сушки.
2. Сущность метода заключается в высунувшемся навески образца (шелухи гречихи) в сушильном шкафу при температуре 210°С в течение 3-х часов до постоянного веса и определении уменьшения веса образца.
2. 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 400X400X800 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 3 -х 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.
3. 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.
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 400, 425 и 500°С, скорость подъема температуры 10, 20 и 30°С мин-1 и время контакта т=70 мин (табл. 1 и рис. 1 - 8). Наблюдалось, что зависимость удельной поверхности от температуры карбонизации первичных углеродных сорбентов носит экстремальный характер (табл. 1 и рис. 8).
Таблица 1. Значения удельных поверхностей первичных углей
Марка угля Т оС Т кар, С т, мин Упод. Т ,мин Выход,(п %) Sуд, м2/г
ГС-1 400 70 10 24 160
ГС-2 425 70 20 13 120
ГС-3 450 70 30 11 110
Рис. 1. Зависимость выхода первичных углей от температуры карбонизации
Изучение адсорбции и десорбции с помощью высоковакуумной адсорбционной установки типа весов Макбэна.
0
6,0 4,0 2,0 0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Рис. 2. Изотермы адсорбции и десорбции паров этанола первичным углем АСва(1) при начальном давлении 10'5 мм. рт. ст. и температуре 250С
6,0 ммоль
Рис. 3. Изотермы адсорбции и десорбции паров этанола ПУГС-2 при начальном давлении 10'5 мм. рт. ст. и температуре 250С
4,0
2,0
0
0,2
0,4 0,6 0,8 1,0
Рис. 4. Изотерма адсорбции и десорбции паров этанола ПУ ГС-3 при начальном давлении 10'5 мм. рт.
ст. и температуре 250С
0
Рис. 5. Изотерма адсорбции паров этанола первичным углем АСВА(1) в координатах уравнения БЭТ при температуре 250С
Рис. 6. Изотерма адсорбции паров этанола первичным углем АСВА(2) координатах уравнения БЭТ при температуре 250С
0,16 0,12 0,08 0,04 0
(Р/Рэ)/ а(1-Р/Рэ)
0
0,05
0,1
0,15
0,2
1
0,25
Рис. 7. Изотерма адсорбции паров этанола первичным углем АСВА(З) в координатах уравнения БЭТ
при температуре 250С
S уд.,М/ г
200 150 100 1 50 0
Т,оС
1111111
300 325 350 375 400 425 450 475
Рис. 8. 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. 2 - 4). Из графиков видно, что после значения Р^=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. 5 - 7), для расчёта адсорбционной емкости моно слоя (ат) и удельной поверхности ^уд), рис. 8. Таким образом, Sуд определяется формулой Sуд= атМЛт10-20, на основе уравнения БЭТ [5, 6]:
Р / Ps
1
+
С -1 Р
а(л - Р / Ps) а С п С
Где, Р/Рй- относительное давление пара. 1
=
У + 1да
где ат - емкость монослоя (в ммоль),
N - Число Авогадро, равное 6, 0234^10 (в ммоль) Am - Ван-дер-Ваальсовская площадь.
2
r M v
Am=1.091
\
pN
101
J
Выводы:
1. Впервые получены 3 образца ПУС при одностадийной карбонизации шелухи гречихи в интервале температур карбонизации 400 - 425 - 450°С, со скоростью подъема температуры карбонизации 10 - 20 - 30°С и при продолжительности т=70 мин.
2. 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.
3. Из полученных результатов следует, что можно получить углеродный сорбент экологического назначения на основе шелухи гречихи при одностадийной карбонизации и низкой температуре (Т = 400°С).
Список литературы
1. Симонова В.В, Шендрика Т.Г, Кузнецов Б.Н. Методы утилизации технических лигнинов Journal of Siberian Federal University. Chemistry. 4, 2010. С. 340-354.
2. Мухин В.М., Тарасов А.В., Клушин В.Н. Активные угли России. Москва. Металлургия, 2000. С. 3-5.
3. Хоанг Ким Бонг, Темкин О.Н., Фомичева Т.В., Шестаков Г.К. ЖПХ, 1997. Т. 70. № 11. С. 1872-1876.
4. Боресков Г.К. Гетерогенный катализ. Москва. Наука, 1986. С. 73-74.
5. Грек С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность // Москва (Мир). 2-е издание, 1984. С. 56.
6. Никитин Ю.С, Петрова Р.С. Экспериментальные методы в адсорбции и молекулярной хроматографии // Издательство Московского университета. МОСКВА. 2-е издание, 1990. С. 65-92.
