CC BY
80
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТОРБЦИОННЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УГЛЕРОДНЫХ АДСОРБЕНТОВ Ахундов Р.Г. Email: Akhundov676@scientifictext.ru
Ахундов Рамиль Гурбанали оглу - адъюнкт, Военная Академия Азербайджанской Республики, г. Баку, Азербайджанская Республика
Аннотация: прогрессирующее загрязнение окружающей среды сделало экологическую безопасность важной составляющей национальной безопасности в целом. Сегодня практически вся планета и особенно районы массового проживания людей подвержены серьезным экологическим угрозам, главными из которых являются: радиационное загрязнение территорий; угнетение почв кислотными дождями; загрязнение почв химическими веществами и пестицидами; разливы нефти на суше и на море и разрушение атмосферы. Одним из способов решения этой важной задачи является разработка и применение универсальных материалов, в роли которых с успехом выступают углеродные адсорбенты -активные угли. В работе рассмотрен анализ сорбционных и структурных характеристик углеродных адсорбентов. Рассмотрены такие свойства, как пористость, геометрическая структура адсорбентов и проанализированы свойства некоторых углеродных адсорбентов. Ключевые слова: углеродные адсорбенты, сорбционная и структурная характеристика.
SORPTION AND STRUCTURAL CHARACTERISTICS OF CARBON
ADSORBENTS Akhundov R.G.
Akhundov Ramil Gurbanali ogly - Adjunct, MILITARY ACADEMY OF THE REPUBLIC OF AZERBAIJAN, BAKU, REPUBLIC OF AZERBAIJAN
Abstract: рrogressive pollution of environment made the environmental safety an important constituent of the national safety as a whole. Today almost all the planet and especially the densely populated areas are subjected to severe environmental threats, main of which are: radioactive pollution of territories; soil poisoning by acid rains; soil pollution by chemicals and pesticides; oil spills over land and sea and atmosphere destruction. One of methods of solving this important task is the development and application of universal materials in the form of carbon adsorbents - active carbons. In work the analysis of sorption and structural characteristics of carbon adsorbents is considered. Such properties as porosity, geometrical structure of adsorbents are considered and the analysis of some adsorbents is considered.
Keywords: carbon adsorbents, sorption and structural characteristic.
УДК 661.183.2
ВВЕДЕНИЕ
Загрязнение окружающей природной среды вследствие развития производства приводит не только к большой необходимости очистки воды, но и газов в различных условиях.
Для решения этой проблемы необходимо создание новых высокоэффективных средств очистки, адсорбентов с новыми структурными характеристиками.
Углеродные адсорбенты - это материалы на основе углерода с пористой структурой. В качестве наиболее распространённых сорбентов можно отметить активированный уголь, сфера его использования разнообразна: от очистки сточных вод до поглощения газов (рисунок 1).
MICROPORE MACROPORE
Рис. 1. Поглощение загрязняющих компонентов порами активированного угля [1]
Углеродные адсорбенты в настоящее время представляютсобой характерные молекулярные сита, которые обладают большой способностью к сорбции и активному разделению индивидуальных химических веществ и их смесей [1].
В некоторых аспектах энергетические характеристики углеродных молекулярных сит будут эффективно влиять на разделение и очистку газов.
Углеродные молекулярные сита используются в процессах очистки и разделения газов, таких как 02иМ2,02иАг, выделения СО2, СН4в небольших циклах режимах адсорбции и десорбции при комнатных температурах.
Углеродные молекулярные сита бывают со следующим размером пор: 0,7; 0,6; 0,5 и 0,4 нм. Техническое промышленное производство освоено в Японии. Германии и США.
В таблице 1 приведены некоторые характеристики углеродных молекулярных сит.
Таблица 1. Характеристика углеродных молекулярных сит
№ п/п Характеристика MSC-4A MSC-5A MSC-B MSC-C
1 Размер пор, нм 0,4 0,5 0,6 0,7
2 Насыпная плотность, г/см3 0,64 0,52 0,51 0,50
3 Объем макропор, см3/г 0,21 0,38 0,38 0,38
4 Объем микропор, см3/г 0,13 0,18 0,21 0,23
5 Суммарный объем пор, см3/г 0,34 0,56 0,59 0,61
Эти свойства адсорбентов используются в различных химических и технологических процессах, а так же при решении огромного количества экологических проблем в процессах производства.
На широкое внедрение в практическое применение углеродных адсорбентов большое влияние оказывает отсутствие информации о структурных характеристиках и сорбционных свойствах углеродного адсорбента. Этой проблеме, то есть проблеме применения сорбционных материалов с различными структурными характеристиками посвящено большое количество исследований, что в настоящий период является очень актуальным [2].
Если говорить о структуре адсорбентов, то она может зависеть как от совокупности изотерм адсорбции, так и от других физико-химических параметров (рисунок 2). Выделено пять типов изотерм адсорбции [3].
Рис. 2. Основные типы изотерм адсорбции
Углеродные сорбенты, в том числе и наиболее распространенные активированные угли, при помощи развитой удельной поверхности и регулируемой пористости очень обширно используются в качестве сорбентов для очистки воздуха и газов, обесцвечивания жидкостей, фильтрации воды, в различных отраслях промышленности и производства.
В настоящее время помимо активированного угля производится несколько сотен разновидностей угольных сорбентов, которые отличаются способами получения, видом исходного материала, внешним видом и другими структурными характеристиками [3].
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ
Анализ структурных и сорбционных свойств углеродных адсорбентов.
В процессе использования удельный расход угольных адсорбентов очень экономичен и в первую очередь определяется структурными характеристиками самого сорбента, и его применением в различных отраслях промышленности и производства.
В качестве примера адсорбционной активности углеродных адсорбентов можно отметить их структуру.
Углеродный скелет адсорбента зависит от пористости, за счёт которой можно рассматривать поглощение гетероатомов.
По данным спектроскопического анализа можно отметить, что углеродные адсорбенты могут содержать от 0,1 до 5 масс кислорода (рисунок 3), а инфракрасный анализ говорит о наличии кислородосодержащих групп на поверхности сорбентов (рисунок 4).
Рис. 3. Данные спектроскопического анализа сорбента [3]
Рис. 4. Данные инфракрасного анализа сорбента [3]
По геометрической структуре адсорбенты можно разделить на четыре типа. Молекулярно-ситовые свойства адсорбентов зависят от числа атомов кислорода в кольце. На рисунке 5 отмечено строение кислородных колец в цеолитах.
Рис. 5. Строение кислородных колец в цеолитах
Непористые адсорбенты, к ним относятся такие как графитированная сажа, аэросил. Данные адсорбенты либо наносят на твердые носители, либо гранулируются. Удельная поверхность адсорбентов первого типа колеблется от сотых долей до сотен м2/г [4].
Однородно-макропористые адсорбенты. В качестве примера можно отметить селикагель обработанный водяным паром при 700—800°СВ данном случае удельная поверхность уменьшается до 25—50 м2/г и получаются широкие поры порядка сотен нм;
Однородно-тонкопористые адсорбенты, это молекулярные сита или цеолиты, так называемые углеродные молекулы сита с высокопористый поверхностью порядка тысячи м2/г [4].
Неоднородно-пористые адсорбенты, в частности силикагель, содержащие как широкие, так и узкие поры.
Рассматривая структурные характеристики сорбента нужно отметить пористость.
Пористая структура угольных сорбентов характеризует избирательное извлечение молекул соответствующего объема. В результате процесса адсорбции молекулы сорбата мигрируют из объема исследуемой среды к поверхности сорбента с образованием адсорбционного слоя.
В зависимости от структуры адсорбента можно отметить, что молекулы загрязняющего компонента при адсорбции будут располагаться на гладких участках, вершинах или ребрах активных точек и центров адсорбента. А присутствие большого количества пористой структуры оказывает влияние на задержку загрязняющих компонентов в поверхности и объеме сорбента.
Изучение сорбционных и структурных характеристик углеродных адсорбентов показывает зависимость пористой структуры адсорбента от присутствия в общем объеме сорбента пор, диаметр которых меньше диаметра молекул загрязняющих компонентов, таким образом, при работе данного сорбента поры с минимальным диаметром будут относиться лишь к пассивному объему, поэтому прогнозы практического использования углеродных адсорбентов будут зависеть и от пористой структуры (рисунок 6).
Рис. 6. Структура пор активированного угля
В качестве объектов исследования предлагаем углеродныеадсорбенты различного происхождения: терморасширенный графит, волокнистый и порошковые древесные активированные угли.
Морфологическая характеристика поверхности активированных углей показана на рисунке 7.
Рис. 7. Микроскопические снимки углеродных адсорбентов: А — волокнистый АУТ-МИ; Б — порошковый древесный ОУ-А;
В — модифицированный ОУ-А; Г — терморасширенный графит
Рассматривая характеристику сорбентов на рисунке 7, можно отметить: - волокнистый углеродный сорбент АУТ-МИ - это смесь микроволокон длиной от10 до 90 мкм и диаметром ~8 мкм, имеющих бобовидный поперечный срез, характерный для исходного гидратцеллюлозного волокна, который получен вискозным способом. Микропоры данного сорбента представляют собой впадины и округления округлой формы;
- порошковый древесный уголь ОУ-А в отличие от волокнистого сорбента характеризуется менее однородной структурой по составу в нем отмечаются частицы неправильной формы размером околодисперсионной среды, это обеспечивается наличием на поверхности частиц угля молекул с высокогидрофильными группами [5];
- модифицированный уголь ОУ-А характеризуется каппилярной структурой;
- анализ микро фотографий терморасширенного графита показывает, что он характеризуется и обладает четко выраженной слоистой структурой в виде чешуек различной формы, наслоенных друг на друга, для эффективности процесса адсорбции.
ВЫВОДЫ
Таким образом, можно отметить что исследования, проводимые в области изучения структурных и сорбционных характеристик углеродных адсорбентов невелики, что говорит об актуальности рассматриваемой проблемы.
Рассматривая область сорбционных и структурных характеристик адсорбентов, можно также отметить, что разделение и очистка газов будет зависеть от структуры молекулярных сит адсорбентов, от наличия кислородосодержащих групп, а так же от пористости и морфологической характеристики поверхности адсорбента.
Соответственно изменяя эффективность данных параметров можно усилить работу углеродных адсорбентов.
Список литературы / References
1. Демина Н.В., Моторина А.В., Немченко Э.А., Новиков Н.А. Методы физико-химический испытаний химических волокон, нитей и пленок. М.: Изд-во «Легкая индустрия», 1969. 327 с.
2. РусьяноваН.Д. Углехимия.М.:Наука, 2003. 316 с.
3. Когановский А.М., Клименко Н.А., Левченко Т.М., Рода И.Г. Адсорбция органических веществ из воды. Л.: Химия, 1990. 256 с.
4. Мацкевич E.G., Стражеско Д.Н., Гоба В.Е. Адсорбцияи адсорбенты. М.: Наука, 1974. Вып. 2. С. 36-39.
5. Тарковская И.А., Томашевская А.Н. Адсорбция и адсорбенты. М.: Наука, 1984. Вып. 12. С. 7-12 с.
