CC BY
11
УДК 661.183.2
Еремина Е.А., Нистратов А.В., Курилкин А.А., Мухин В.М.
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ДОБАВОК НА СВОЙСТВА АКТИВНЫХ УГЛЕЙ ПО ТЕХНОЛОГИИ УГЛЕПЕКОВОЙ КОМПОЗИЦИИ
Еремина Елена Александровна, студентка 2 курса магистратуры факультета биотехнологии и промышленной экологии, e-mail: ereminaea.eco@yandex.ru;
Курилкин Александр Александрович, к.т.н., инженер I категории кафедры промышленной экологии; Нистратов Алексей Викторович, к.т.н., доцент кафедры промышленной экологии; Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Мухин Виктор Михайлович, д.т.н., профессор, начальник лаборатории активных углей, эластичных сорбентов и катализаторов (АУЭСиК) АО «ЭНПО «Неорганика», Московская область, г. Электросталь, ул. К. Маркса, д. 4
Данная работа посвящена изучению влияния неорганических добавок на качество активных углей, полученных по технологии углепековой композиции, в частности, гидроксидов и карбонатов калия и натрия. Экспериментальным путем проведены сравнения образцов, прошедших стадию химической активации и смешанной активации по показателю «объем сорбирующих пор».
Ключевые слова: активные угли, технология, адсорбенты, сорбция, активация, смешанная активация, химическая активация, неорганические добавки, активирующие реагенты
STUDY OF THE INFLUENCE OF INORGANIC ADDITIVES ON THE PROPERTIES OF ACTIVE CARBON IN THE TECHNOLOGY OF COAL-PITCH COMPOSITION
Eremina E.A., Nistratov A.V., Kurilkin A.A., Mukhin V.M.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
This work is devoted to the study of the influence of inorganic additives on the quality of activated carbons obtained by the technology of coal-pitch composite, in particular, potassium and sodium hydroxides and carbonates. Experiments for comparing samples, that have passed the stage of chemical activation and mixed activation, by the indicator «sorbing pore volume» have been carried out.
Keywords: activated carbons, technology, adsorbents, sorption, activation, mixed activation, chemical activation, inorganic additives, activating reagents
В настоящее время в Российской Федерации и во всем мире остро стоит вопрос разработки новых технологий для защиты окружающей среды. Огромную роль для решения данной проблемы играет адсорбция. Среди всего многообразия адсорбентов наиболее универсальными и эффективными являются активированные угли, которые в силу своих уникальных физико-химических свойств могут решать множество вопросов, связанных с охраной окружающей среды и биологической безопасностью человека [1].
Российская Федерация долгие годы подряд отстает от европейских стран в выпуске активных углей по показателю в килограммах готового угля на душу населения. Однако, следует отметить, что начиная с 2016 года аналитиками замечен незначительный рост производства отечественных активных углей [2].
Технология производства активных углей из углепековой композиции считается перспективной, так как базируется на доступном отечественном сырье, в частности, каменном угле, из которого получаются качественные сорбенты, и разрабатывается в лаборатории эластичных сорбентов и катализаторов (АУЭСиК) АО «ЭНПО «Неорганика» в сотрудничестве с кафедрой промышленной экологии ФГБУ РХТУ им. Д. И. Менделеева. В ходе выполнения данной работы были получены образцы активных углей на основе композиции каменного угля марки Д и пека каменноугольного электродного с добавлением гидроксидов и карбонатов калия и натрия в количестве 1,0 масс. % в режиме паро-
газового активирования [3]. Выявлено, что добавкой, при которой достигается наилучший показатель «объем сорбирующих пор» по воде, бензолу и тетрахлорметану, является гидроксид калия. Исследование показателя «объем сорбирующих пор» проводилось с помощью «эксикаторного метода», при котором навеска активного угля помещается в эксикатор с поглощаемым веществом и через определенные промежутки времени проверяется прирост массы навески (масса поглощенных паров вещества). Также опытным путем определена целесообразность проведения смешанной активации сырья: пропитки раствором реагента с процессом паро-газового активирования (расход пара ~1,6 г/мин) в печи при температуре ~860±20°С со скоростью подъема температуры от ~10°С/мин и продолжительностью изотермической выдержки 60 минут, для повышения показателя «объем сорбирующих пор» готового продукта [3].
Результаты оценки объема сорбирующих пор по бензолу полученных образцов карбонизата (продукта только химической активации) приведены в таблице 1.
Из данных таблицы 1 следует, что наибольший объем сорбирующих пор имеет образец карбонизата, полученный на основе угле-пекового сырья с добавлением гидроксида калия. Чуть более низкое значение у образца, полученного с добавлением карбоната калия, образцы, полученные с добавлением гидроксида и карбоната натрия, имеют показатель объема сорбирующих пор приблизительно на 30-40 % ниже, чем у первых.
Таблица 1. Определение объема сорбирующих пор образцов карбонизата по С6Н6 (рС6Н6=0,88 г/см3, при Т=20 0С)
Неорганическая добавка КОН ЫаОН к2еОз Ка2СО3
Выход, % 71,2 50,9 67,8 67,8
Масса до адсорбции, г т угля 1,002 1,001 1,005 1,006
Масса после адсорбции, г т угля+С6Н6 1,103 1,065 1,100 1,063
Объем сорбирующих пор**, см3/г 0,115 0,073 0,107 0,064
В таблицах 2, 3, 4 приведены результаты исследования поглотительной способности (объема сорбирующих пор) по воде, бензолу и тетрахлорметану образцов активата (продукта смешанной активации). Из данных таблицы 2
следует, что образец, приготовленный с добавлением гидроксида калия, демонстрирует наилучшие
поглотительные способности по воде по сравнению с другими образцами за счёт развития субмикропор.
Таблица 3 демонстрирует показатели объема сорбирующих пор по бензолу; наилучшие показатели у образца с гидроксидом калия. В свою очередь, плохо поглощают бензол образцы с добавками гидроксида и карбоната натрия.
Таблица 2. Определение объема сорбирующих пор образцов активата по Н20 (рН20 = 1,00 г/см3, при Т=200С)
Неорганическая добавка КОН ЫаОН К2СО3 Ка2СО3
Выход, % 59,7 64,9 82,9 57,6
Масса до адсорбции, г т угля 1,01 1,216 1,055 1,325
Масса после адсорбции, г т угля+ Н2О 1,269 1,244 1,072 1,415
Объем сорбирующих пор**, см3/г 0,256 0,023 0,016 0,068
Таблица 3. Определение объема сорбирующих пор образцов активата по С6Н6 (рС6Н6=0,88 г/см3, при Т=20 0С)
Неорганическая добавка КОН ЫаОН К2СО3 Ка2СО3
Выход, % 59,7 64,9 82,9 57,6
Масса до адсорбции, г т угля 1,169 1,178 1,207 1,345
Масса после адсорбции, г т угля+ С6Н6 1,471 1,181 1,305 1,349
Объем сорбирующих пор**, см3/г 0,294 0,003 0,092 0,003
Таблица 4. Определение объема сорбирующих пор образцов активата по СС14 (рСС14 = 1,60 г/см3, при Т=200С)
Неорганическая добавка КОН ЫаОН К2СО3 Ка2СО3
Выход, % 59,7 64,9 82,9 57,6
Масса до адсорбции, г т угля 1,004 1,21 1,232 1,549
Масса после адсорбции, г т угля+СС14 1,372 1,216 1,236 1,576
Объем сорбирующих пор**, см3/г 0,229 0,003 0,002 0,011
Данные таблицы 4 показывают, что наилучшей поглотительной способность по тетрахлорметану, обусловленной мезопорами, обладает образец, полученный с добавлением в исходную угле-пековую смесь гидроксида калия. Остальные образцы значительно отстают по этому показателю.
Из таблиц 1 - 4 можно сделать вывод, что образец, полученный с добавлением в угле-пековую смесь гидроксида калия, показывает наилучшую поглотительную способность по воде, бензолу и тетрахлорметану.
Таблица 5. Сравнение поглотительной способности по
бензолу образцов карбонизата и активата
Добавка КОН Анализируемый образец
Объем сорбирующих пор по бензолу, см3/г 0,115 Карбонизат
0,294 Активат
Таблица 5 демонстрирует данные, из которых видно, что активат имеет приблизительно в 2,5 раза более высокую поглотительную способность, чем образец, не прошедший стадию паро-газового активирования. Следовательно, для достижения большого объема сорбирующих пор целесообразно проводить смешанную активацию: химическую и паро-газовую.
Таким образом, на основании проведенных экспериментов сделаны следующие выводы:
- При получении активных углей на основе угле-пековой композиции для химического активирования, добавкой, обеспечивающей наилучшие показатели микропористой структуры готового продукта, является гидроксид калия (40%-ый раствор);
- Для развития микропористой структуры после процесса химической активации целесообразно проводить паро-газовую активацию в печи при расходе пара ~ 1,6 г/мин, температуре ~ 860 °С со скоростью подъема температуры ~10 °С/мин и продолжительностью изотермической выдержки 60 минут.
Список литературы
1. Проблемы экологии в России [Электронный ресурс].URL: http://greenparty.ru/news/1768/.
2. Рынок активированного угля в России. Текущая ситуация и прогноз 2020-2024 гг [Электронный ресурс].URL: https://alto-group.ru/otchot/rossija/326-гупок-акйукоуаппо§о-и§1уа4екшЬЬауа^йиаауа-ь prognoz-2014-2018-gg.html.
3. Мухин В.М., Клушин В.Н. Производство и применение углеродных адсорбентов. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012. - 308 с.
