CC BY
159
УДК 630*867.5
Н. А. Дроздова, Ю. Л. Юрьев
АКТИВАЦИЯ БЕРЕЗОВОГО И ОСИНОВОГО УГЛЯ
Ключевые слова: березовый уголь, осиновый уголь, активный уголь.
Приведены результаты исследований активации березового и осинового угля водяным паром в одинаковых условиях. Установлено влияние температуры активации и удельного расхода водяного пара на выход и свойства углей.
Keywords: birch charcoal, aspen charcoal, active carbon.
Are given the results of the studies of the activation of birch and aspen coal by water vapor in the identical conditions. The effect of temperature of activation and specific expenditure of water vapor for output and properties of coals is established.
Основная цель эксперимента - сравнение выхода и качества активного угля, полученного из березового и осинового угля в одинаковых условиях. В последние годы растет интерес к осиновому углю, поскольку по запасам и лесопокрытой площади осина занимает второе место в РФ среди лиственных пород и крайне слабо перерабатывается.
В качестве сырья для активации использовались образцы промышленного древесного угля (ГОСТ 7657), полученные на модульной пиролизной ретортной установке типа МПРУ из березовой и осиновой древесины.
Березовый уголь имел зольность - 1,2 %, содержание нелетучего углерода - 91 %, влажность - 0,5 %, кажущуюся плотность - 390 г/л. Осиновый уголь имел зольность - 3,1 %, содержание
нелетучего углерода - 90 %, влажность - 0,7 %, кажущуюся плотность - 230 г/л. Образец осинового угля отличался очень высокой зольностью и низкой кажущейся плотностью, не вполне характерной для этого вида угля.
Нами было изучено влияние основных факторов процесса активации на выход и качество получаемых березовых и осиновых активных углей. Опыты проводились с использованием активного планирования эксперимента с использованием матрицы 22 (табл. 1,2).
На основании исследований, ранее проведенных на кафедре химической технологии древесины [1], нами были выбраны два основных фактора, влияющих на выход и качество АУ: температура (Х-|) и удельный расход водяного пара (Х2). Продолжительность процесса активации во всех опытах составляла 1,5 часа.
Температура процесса активации изменялась в диапазоне 800.. ,850°С. Именно в этом диапазоне формируется вторичная микропористая структура характерная для углей БАУ. С повышением конечной температуры пиролиза выше 900 0С величины удельной поверхности и
активности по адсорбируемым веществам получаемых из них активных углей значительно снижается, т.к. формируется вторичная мезо- и макропористость.
Удельный расход пара составлял 1 и 2 кг/(кг ДУ). Больший удельный расход пара
нецелесообразен по экономическим соображениям. Таблица 1 - Матрица планирования
эксперимента по активации березового угля в натуральном виде
Факторы Функции отклика
Xi X2 Yi Y2 Y3 Y4
850 2 51,3 3,2 2,4 73
850 1 63,3 2,8 1,9 62
800 2 56,9 3,0 2,1 68
800 1 77,6 2,6 1,6 55
По результатам опытов составлены уравнения регрессии, описывающие характер
влияния температуры и удельного расхода пара на выход и свойства активного березового угля.
Аналогичная работа проведена по активации осиновых углей. Данные приведены в табл. 2.
Таблица 2 - Матрица планирования
эксперимента по активации осинового угля в натуральном виде
Факторы Функции отклика
Xi X2 Yi Y2 Y3 Y4
850 2 46,2 4,0 6,7 78
850 1 56,9 3,6 5,4 72
800 2 51,2 3,8 6.1 76
800 1 69,8 3,7 4,7 68
Активация древесного угля с помощью водяного пара идет быстро. Молекулы паров воды, обладая высокой подвижностью, большим дипольным моментом, наименьшим диаметром, наибольшим коэффициентом диффузии, малым коэффициентом вязкости и большей скоростью движения, чем молекулы кислорода или углекислого газа, наилучшим образом из перечисленных активирующих агентов формируют сорбирующие поры.
В качестве функций отклика были приняты следующие: У1 - выход активного угля (%), У2 - суммарный объем пор (см3/г), Уз -
содержание золы (%), У4 - адсорбционная активность по йоду (%).
Воспроизводимость опытов и однородность дисперсий оценивали по критерию Кохрена. Для оценки значимости коэффициентов использовали критерий Стьюдента. Оценку адекватности уравнений проводили по критерию Фишера [2].
В результате проведения экспериментов по активации березового угля получены данные, которые показаны в табл. 1.
Рассмотрим уравнения, характеризующие влияние температуры и удельного расхода пара на выход активных углей.
У1 береза = 62,275 - 5X1 - 8,175X2 (1)
У1 осина = 56,025 - 4,5X1 - 7,325X2 (2)
Из уравнений видно, что, независимо от вида древесины, выход активного угля находится в обратной зависимости как от температуры, так и от удельного расхода водяного пара. При этом удельный расход пара оказывает влияние на выход продукта примерно в 1,6 раза сильнее, чем температура процесса.
При сравнении уравнений (1) и (2), можно сделать вывод, что при активации березового угля выход продукта примерно на 10% выше, чем при активации осинового угля. По нашему мнению, этот факт можно объяснить тем, что углеродная матрица березового угля в целом более устойчива к действию температуры и окислителя, чем углеродная матрица осинового угля.
Рассматривая уравнения, описывающие влияние выбранных нами факторов на суммарный объем пор, видно, что этот показатель напрямую зависит от удельного расхода водяного пара, а влияние температуры активации оказалось незначимым в интервале выбранных нами параметров.
У2 береза = 2,9 + 0,2X2 (3)
У2 осина = 3,775 + 0,125X2 (4)
Суммарный объем пор активного осинового угля примерно на 25% больше чем в активном березовом угле, но увеличение этого объема под
действием водяного пара в процессе активации у березового угля идет быстрее, чем у осинового.
Влияние температуры и удельного расхода водяного пара на адсорбционную активность углей по йоду описывается уравнениями (5) и (6):
У4 береза = 64,5 + 3X1 + 6X2 (5)
У4 осина = 73,5 + 1,5 ^ + 3,5X2 (6)
Из уравнений видно, что на
адсорбционную активность по йоду прямо влияют как температура проведения активации, так и удельный расход водяного пара. Влияние температуры в два раза слабее влияния удельного расхода активирующего агента. Рост последнего фактора ведет к повышению обгара и
адсорбционных свойств получаемого адсорбента, при обгарах больше 60% скорость роста активности по йоду снижается, одновременно происходит снижение прочности угля. Повышение же температуры процесса активации приводит к
существенному увеличению скорости
взаимодействия активирующего агента с углем, что выражается в увеличении его удельного объема пор и положительно влияет на адсорбционную активность по йоду [3]. Активность осиновых углей в наших опытах оказалась примерно на 7% выше, чем активность березовых углей, что, по нашему мнению, связано с характером исходной пористой структуры угля.
В целом, можно сделать вывод, что показатели качества березового активного угля больше зависят от удельного расхода пара при активации, чем аналогичные показатели активного осинового угля.
Литература
1. Штеба, Т.В. Получение активных углей из березовой щепы различного качества: дис. ... канд. техн. наук / Штеба Татьяна Валерьевна. - Екатеринбург, 2004. -168 с.
2. Оболенская, А.В. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. Учебное пособие для ВУЗов/ А.В. Оболенская, З.П. Ельницкая, А.А. Леонович. - М.: «Экология», 1991г. - 320с.
3. Дубинин, М.М. Поверхность и пористость
адсорбентов: Основные проблемы теории физической адсорбции: учеб. пособие / М.М. Дубинин. - М.: Химия, 1970. - 84 с.
© Ю. Л. Юрьев - канд. техн. наук, проф., зав. каф. химической технологии древесины УГЛТУ, bluestones@mail.ru; Н. А. Дроздов - асп. каф. химической технологии древесины УГЛТУ, drozdova-na@mail.ru.
