CC BY
22
УДК 674.04, 676.16, 615.45
Р. А. Газизов, И. Н. Мусин, И. А. Валеев, З. М. Шарафутдинова, Р. Р. Мусин
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПИРОЛИЗА ДРЕВЕСИНЫ
В ЦЕЛЯХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПУТЕЙ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА СЫРЬЯ
ДЛЯ СОРБЕНТА МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Ключевые слова: древесные отходы, древесный уголь, активированный уголь, сорбенты, активный уголь, энтеросорбенты,
сорбенты медицинского назначения.
В ходе исследований были определенны зависимости продолжительности процесса пиролиза от начальной влажности образца и от размера частиц. Получены зависимости толщины зоны термического разложения от времени при различных значениях размера образца, выявлен характер эволюции зоны термического разложения в процессе пиролиза. А также выявлена зависимость продвижения внешней и внутренней границ зоны термического разложения внутри материала от времени при различных значениях размера образца.
Keywords: wood waste, charcoal, absorbent carbon, sorbents, active coal, enterosorbents, sorbents of medical appointment.
During researches dependences of duration of process of pyrolysis on initial humidity of a sample and on the size of particles were certain. Dependences of thickness of a zone of thermal decomposition on time at various values of the size of a sample are received, nature of evolution of a zone of thermal decomposition in the course of pyrolysis is revealed. And also dependence of advance of external and internal borders of a zone of thermal decomposition in material from time at various values of the size of a sample is revealed.
Одной из основных глобальных мировых проблем является загрязнение окружающей среды и экологический кризис. Загрязнение токсическими веществами воды и атмосферы ведет к катастрофическим последствиям, наносит непоправимый ущерб как планете, в общем, так и каждому организму в частности (и человечеству, и животному миру). Все острее встает вопрос исследования разрушенной человечеством природы, возникает большая потребность в выведении токсикантов и предотвращении развития соматогенной фазы заболевания.
Из наиболее известных методов, большим успехом пользуются гемоперфузия и энтерсорбция, которые отличаются высокой эффективностью при решении проблем, связанных с охраной внутренней и внешней среды человека. Адсорбционную способность древесных углей впервые заметили в конце 18 века. Так, в 1773г. Химик из Штральзунда, Карл Шееле сообщал об адсорбции газов на древесном угле.
Сорбенты - это большой класс препаратов, которые способны к выведению из организма самых различных токсических веществ.
Углеродный сорбент - представляет собой класс экологически чистых углеродных сорбентов, поскольку произведен из природного органического сырья путем термической обработки в контролируемых газовых средах.
Активированный (или активный) уголь -это адсорбент - вещество с сильно развитой пористой структурой, которую получают из различных углеродосодержащих материалов органического происхождения, таких как древесный уголь - 36%, каменноугольный кокс - 28%, нефтяной кокс - 10%, скорлупа кокоса - 10% ореха, бурый уголь - 14%.
Оптимальным сырьем с экономической и практической стороны для производства
активированного угля является древесный уголь, выжженный из твердолиственных пород в аппаратах с циркуляцией неконденсирующихся газов. В промышленности используются химические и парогазовые способы активирования.
Углеродные сорбенты на основе древесины имеют широкое распространение во многих отраслях жизнедеятельности таких как: медицина, ветеринария, экология и т.д. Объясняется это тем, что углеродные сорбенты относительно дешевы и являются доступным материалом для выявления токсинов. Все больше развивается промышленность с разнообразными и эффективными способами переработки углей в широкий спектр товаров и материалов.
Первый опыт применения в промышленных масштабах активированного угля в медицинской практике в качестве сорбента показал его эффективность, которая обусловлена высокой адсорбционной активностью угля к токсичным веществам, накапливающимся в организме. Во-первых, адсорбция - самый простой и наиболее частый используемый метод. Во-вторых, углеродные сорбенты - относительно дешевый и доступный материал. В-третьих, гидрофобная поверхность углеродных материалов позволяет сохранить каталитическую активность ферментов, которые содержат в себе биоорганизмы.
Древесный активный уголь (карболен и др.), а в последние годы и продукты карбонизации целлюлозы широко используются в медицине в качестве энтеросорбентов, — препаратов, связывающих и выводящих из желудочно-кишечного тракта токсины вырабатываемые бактериями, вирусами, паразитами.
Поскольку углеродные сорбенты выводят из организма токсины и яды различной природы, энтеросорбция используется для лечения острых и хронических заболеваний, сопровождающихся
токсикозами, нарушениями пищеварения, иммунного статуса, метаболизма липидов, желчных кислот и других видов обмена.
Также, в сельском хозяйстве измельченный древесный уголь используют при болезнях пищеварительной системы животных и отравлениях, а также вводят в рацион птиц, свиней, молодняка крупного рогатого скота для профилактических целей. В кишечнике и желудке животных уголь поглощает газы, улучшая общее состояние и аппетит животных, что обеспечивает более быстрый рост, наращивание массы, улавливание вредных соединений и предупреждает возможные заболевания животных.
Кроме этого активные угли применяются в аппаратах для проведения гемосорбции.
В качестве медицинских сорбентов наиболее приемлемы углеродные материалы высокой чистоты. Поэтому технология углеродных адсорбентов особой чистоты обязательно включает в себя процесс деминерализации.
Исследование параметров
технологических процессов производства древесного угля позволит получать исходное сырье для сорбента с наименьшими энергозатратами при стабильно высоком качестве производимого продукта. В результате моделирования процесса пиролиза, основанного на полученных экспериментальных данных, удалось выявить ряд четких зависимостей выхода сырья для сорбента от воздействующих технологических параметров.
На графиках приведенных ниже представлены результаты экспериментальных исследований и полученные математическим моделированием в идентичных условиях, графические зависимости (рис. 1-4), на которых сплошными линиями изображены данные, полученные расчетным путем, точками -экспериментальные значения.
Рис. 1 - Зависимость продолжительности пиролиза от размера частиц
Представленная на рис. 1 зависимость продолжительности процесса пиролиза от размера
образца, показывает, что с увеличением размера образца продолжительность процесса возрастает.
На рис. 2 представлена
продолжительность процесса пиролиза от начальной влажности, показывающая, что с увеличением влагосодержания продолжительность процесса возрастает.
Рис. 2 - Зависимость продолжительности процесса пиролиза от начальной влажности образца
Зависимость продвижения внутренних и внешних границ зоны термического разложения внутри материала от времени обработки представлены на рис. 3. При этом положение внутренней границы (кривая 1) определялось при условии равенства текущей температуры начальной температуре разложения древесины, а положение внешней границы (кривая 2) при условии равенства единице текущей доли прореагировавшей древесины.
Рис. 3 - Зависимость продвижения внешней и внутренней границ зоны термического разложения внутри материала от времени
На рис. 4. редставлена зависимость толщины зоны термического разложения от времени при различных значениях размера образца. Максимумы кривых соответствуют достижению внутренней границы термического разложения центра частицы. Данная зависимость показывает, что с увеличением размера частицы снижается относительная толщина зоны термического разложения, а доля прогрева материала в общей продолжительности процесса увеличивается.
8/х0 ---
О 0,2 0,4 0,6 0,8 х/т0
Рис. 4 - Зависимость толщины зоны термического разложения от времени при различных значениях размера образца: 1 - 0.01 м; 2 - 0.04 м; 3 - 0.15 м; 4 - 0.2 м
Исследования, приводимые в статье, показывают возможности для интенсификации процесса путем регулирования внешних параметров перерабатываемого сырья. Например,
использование более сухого сырья значительно уменьшает время, которое затрачивается на прогрев сырья и его сушку, и при последующей переработке значительно сокращает время общего процесса. Размер сырья тоже играет важную роль, необходимо подбирать оптимальный размер сырья, который может в последующем использоваться для получения качественного угля требуемой фракции без отсева.
Оптимизация параметров влияющих на ход проведения процесса, таких как размер или влажность позволяет значительно сократить время необходимое для производства сырья.
Литература
1. Валеев И. А, Термическая утилизация отходов предприятий деревообрабатывающей отрасли / Валеев И. А., Сафин Р.Г., Грачёв А.Н., Кайнов П. А., Башкиров В.Н.// Лесной вестник, №4.-2008.-стр. 71-76.
2. А. Э. Прикшане, Хелатообразующие сорбенты на целлюлозе [Текст] : автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. хим. наук: 05.17.05 / А. Э. Прикшане.// - Рига, 1990. - 19 с.: ил. В надзаг.: Риж. техн. ун-т. Библиогр.: с. 18-19 (9 назв.)
3. Р. Н. Калинина, Модифицированные сорбенты для регенерационных систем водообеспечения и исследование их структуры [Текст]: автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.26.02 / Р. Н. Калинина.// - М., 1998. - 22 с. : ил. Библиогр.: с. 21-22(17 назв.)
4. И.А. Валеев, Термохимическая переработка древесины методом быстрого пиролиза./ Грачев А.Н., Валеев И. А., Сафин Р.Г., Халитов Д. А. Николаев А.Н., Петров В.И.// Деревообрабатывающая промышленность. Москва. -2009. - № 3. - С. 21-24.
5. Р.Р. Хасаншин, Предварительная термическая обработка древесного наполнителя в производстве ДПКМ / Р.Р. Хасаншин, Р.В. Данилова // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2012. - № 7. - С. 62-63.
6. Р.Р. Хасаншин, Повышение эксплуатационных характеристик композиционных материалов, созданных на основе термически модифицированной древесины / Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Сафин, Р.В. Данилова // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2012. - № 7. - С. 64-66.
7. Клёсов А. Древесно-полимерные композиты. -СПб.: Научные основы и технологии, 2010. 736 с.
8. Э.В. Сахабиева, Эпоксидные связующие для слоистых электроизоляционных материалов / Э.В. Сахабиева // Вестник КГТУ. - 2012.- Т.15, №19.- С.74-75.
9. Природные сорбенты в процессах очистки воды / Ю.И. Тарасевич // Киев: Наукова Думка, 1981.- 206с
10. Композиционные материалы. Разрушение и усталость./Под ред. Л. Бра-утмана. -М.:Мир, 1978 483с.
11. И.А. Валеев, Исследование влияния наполнителя и связующего на физико-механические свойства древесно-полимерного композита / И.А. Валеев, // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2014. - № 10. - С. 40-42.
12. В.В. Вольхин, Неорганические сорбенты / В.В. Вольхин, Ю.В. Егоров, Ф.А. Белинская и др. в сб. Ионный обмен - М.: Наука, 1981. С.25-44
13. Н.Р. Галяветдинов, Оценка влияния термической обработки древесного наполнителя на эксплуатационные свойства цементно-стружечной плиты./ Галяветдинов Н.Р., Валиев Ф.Г., Хасаншин Р.Р./ Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 10. С. 85-87.
14. И.А. Валеев, Математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулировании давления среды. /Валеев И.А./ Деревообрабатывающая промышленность. 2012. № 3. С. 41-46.
15. И.Н. Мусин, Влияние наполнителей и технологических добавок на реологические свойства древесно - полимерных композитов / И.З. Файзуллин, И.В. Имамутдинов, В.Я. Хамидов, И.Н. Мусин, С.И. Вольфсон// Вестник Казанского технологического университета, Казань, КНИТУ - 2013г. Т.16 №10, с. 148150
16. И.Н. Мусин, Влияние размера частиц наполнителя на свойства древесно-полимерных композитов»/ И.Н. Мусин, И.З. Файзуллин, С.И. Вольфсон// Вестник Казанского технологического университета, Казань, КНИТУ - 2013г. Т.16 №5, с. 106-109
17. И.А. Валеев, Разработка технологии производства сырья для сорбента медицинского назначения / И.А. Валеев, Р.А. Газизов, // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2014. - № 19. - С. 161-163.
18. И.Н. Мусин, Модификация древеснополимерных композитов на основе полиолефинов монтмориллонитом / И.Н. Мусин, И.З. Файзуллин, С.И.
Вольфсон // Вестник Казанского технологического университета, Казань, КНИТУ - 2012 - № 14, с. 135-138.
19. И.Н. Мусин, Влияние добавок на свойства древесно -полимерных композитов / И.Н. Мусин, И.З. Файзуллин, С.И. Вольфсон // Вестник Казанского технологического университета, Казань, КНИТУ - 2012 г, Т. 15 № 24, с. 97-99.
20. Д.В. Тунцев, Технологическая схема подготовки жидких продуктов пиролиза древесных отходов к газификации / Д.В. Тунцев, Р.Г. Сафин, А.М. Касимов, Р.Г. Хисматов, И.С. Романчева, А.С. Савельев // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - № 21. - С. 258-260.
21. Д.В. Тунцев, Технологическая схема газификации жидкого продукта контактного пиролиза / Д.В. Тунцев, Р.Г. Сафин, А.М. Касимов, Р.Г. Хисматов, З.Г. Саттарова // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - № 19. - С. 139-141.
22. И.А. Валеев, Методика расчета процесса термического разложения древесного сырья при регулировани давления сырья / Р.Р. Хасаншин, И.А. Валеев, Д.Р. Хазиева, А.Л. Тимербаева // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2014. - № 10. - С. 40-42.
© Р. А. Газизов - доцент каф. ТОМЛП КНИТУ, [email protected]; И. Н. Мусин - зав. каф. ТОМЛП КНИТУ, [email protected]; И. А. Валеев - доцент каф. ТОМЛП КНИТУ, [email protected]; З. М. Шарафутдинова - студ. каф. ТОМЛП КНИТУ; Р. Р. Мусин - студ. каф. ТОМЛП КНИТУ.
© R. A. Gazizov, Associate Professor of the Department of TOMLP KNRTU, [email protected]; 1 N. Musin - Head of the Department of TOMLP KNRTU, [email protected]; I. A. Valeev - Associate Professor of the Department of TOMLP KNRTU, [email protected]; Z. M. Sharafutdinova - Student of the Department of TOMLP KNRTU; R R. Musin - Student of the Department of TOMLP KNRTU.
