CC BY
18
УДК 661.183.2
Нистратов А.В., Станкевич О.В., Башмакова О.В., Зайцева А.Д., Родина Д.А.
КОМПОЗИТНЫЕ АДСОРБЕНТЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНЫХ ОТХОДОВ ДЛЯ РЕКУПЕРАЦИИ ПАРОВ БЕНЗОЛА
Нистратов Алексей Викторович, кандидат технических наук, доцент
Станкевич Оксана Викторовна, студент
Башмакова Ольга Витальевна, студент
Зайцева Александра Дмитриевна, студент
Родина Дарья Александровна, студент
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия г. Москва, Миусская пл., 9 e-mail: alvinist@muctr.ru
В этой работе рассмотрены новые композитные адсорбенты, предназначенные для улавливания бензола из паровоздушных смесей. Показано, что материал из силикагеля и пенополиуретана имеет наибольшую равновесную ёмкость по бензолу. Изотерма адсорбции бензола на данном адсорбенте описывается моделью Ленгмюра. Быстрая термическая регенерация при 120 °С обеспечивает циклическое использование этого композитного адсорбента в процессе рекуперации бензола из газовых выбросов.
Ключевые слова: адсорбенты, полимерные отходы, растительное сырьё, силикагель, рекуперация, бензол.
COMPOSITE ADSORBENTS BASED ON POLYMER WASTES FOR RECOVERY OF BENZENE VAPOR
Nistratov A.V., Stankevich O.V., Bashmakova O.V., Zaitseva A.D., Rodina D.A. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia Moscow, Miusskaya square, 9 e-mail: alvinist@muctr.ru
In this paper, we considered new composite adsorbents designed to trap benzene from vapor-air mixtures. It is shown that the material from silica gel and polyurethane foam has the highest equilibrium capacity for benzene. The benzene adsorption isotherm on this adsorbent is described by the Langmuir model. Fast thermal regeneration at 120 ° С ensures the cyclic use of this composite adsorbent in process of recovery of benzene from gas emissions.
К опасным загрязнениям атмосферы, предельно допустимые концентрации которых составляют десятые и сотые доли мг/м3, относятся органические растворители. Спектр применяемых в промышленности наименований их чрезвычайно широк. Необходимость очистки промышленных и вентиляционных отходящих газов от органических растворителей перед выбросом в атмосферу определяется двумя обстоятельствами: во-первых, обеспечением экологической безопасности производства; и, во-вторых, обычно высокой ценностью и дефицитом потерь, возврат которых в производство может значительно улучшить его технико-экономические показатели.
Адсорбционную очистку применяют при низких концентрациях загрязняющих веществ в газовом потоке, при условии, что даже в таком количестве эти соединения оказываются опасны для человека и окружающей среды. Несомненным достоинством адсорбционной очистки является возможность извлечения удерживаемых ценных органических
соединений и возвращение их в производственный процесс [1].
Таким образом, метод извлечения органических растворителей путем адсорбции является рекуперативным, наиболее приемлемым с экологической точки зрения. Однако высокая стоимость применяемых здесь активных углей (например, АР-А [2]) обусловливает поиск нетрадиционных, более дешёвых адсорбентов, в т.ч. на базе ряда полимерных отходов [3]. Используемые в настоящей работе материалы получены совместным пиролизом растительного сырья и полиэтилена (ПП), полиэтилентерефталата (ПЭТФ); силикагеля КСМ и пенополиуретана (ПИР) согласно [4, 5].
Результаты их испытаний при адсорбции паров бензола в статике и кинетике представлены в табл. 1. Статическую ёмкость оценивали по привесу образцов после 7-суточнотй выдержки в эксикаторе с атмосферой насыщенных паров, а кинетическую ёмкость - по дистанционно измеряемому привесу при контакте с паровоздушным потоком.
Таблица 1. Ёмкость по бензолу испытуемых адсорбентов
Адсорбент Объём сорбирующих пор по С^6, см3/г Ёмкость по C6H6 в эксикаторе, г/г Ёмкость по ^^ в потоке (^=1), г/г Время насыщения, мин
Карб. древесина + ПП 0,175 0,154 0,017 20
Карб. торф + ПЭТФ 0,204 0,18 0,11 20
Карб. уголь + ПЭТФ 0,048 0,042 0,014 15
КСМ + карб. ПИР 0,291 0,256 0,26 35
Силикагель КСМ 0,833 0,733 0,202 20
АР-А 0,357 0,314 0,24 20
Сравнение полученных результатов
подтверждает зависимость адсорбционной способности как от материала-носителя, так и от вида полимерного отхода при прочих равных условиях. Так, наиболее развитыми сорбирующими порами обладает мелкопористый силикагель. Однако при анализе поглощения паров ^^ из потока наивысшую ёмкость обеспечил покрытый углеродом силикагель КСМ+ПИР, причём статический и кинетический показатели близки, что характеризует полноту использования его ёмкости. Этот же факт означает быструю диффузию поглощаемого вещества в порах адсорбента. Наоборот, все образцы на основе природного сырья в статике показали низкую способность поглощать пары бензола.
Представление о кинетике процесса адсорбции паров ^^ из газовой фазы с различным относительным давлением материалом КСМ + ПИР дают зависимости рис. 1, согласно которым время насыщения образца не превышало 35 мин.
Нргш г. чип
—■■.<- ] —■— р,гр5=0.& -; > О -...<- 'Ч —<; '
Рис. 1. Кинетические кривые адсорбции бензола на адсорбенте КСМ+ПИР
V Исходная —Лепгмюр —#—Фрейндок
Рис. 2. Изотерма адсорбции бензола на адсорбенте КСМ+ПИР (22-24 °С)
Полученная при обработке кинетических кривых при различных давлениях изотерма (рис. 2) наиболее близко соответствует модели Ленгмюра с заполнением монослоя выражается зависимостью
адсорбатом, которая
Л г =АГ
где Amax = 0,25 г/г; ^ = 7,5.
1 + К
Циклическое использование адсорбента (рис. 3) для рекуперации паров бензола возможно лишь при полной и быстрой его десорбции, проводимой путём нагревания насыщенных образцов до 120 °С непосредственно в трубке с естественной конвекцией воздуха.
Время контакта т, мин
* Насыщение 1 ....4.... регенерация 1
Насыщение 2 Регенерация 2
— Н— Насыщение 3 ""А-" Регенерация 3
Рис. 3. Циклограмма адсорбции-десорбции бензола на адсорбенте КСМ+ПИР
Стоит отметить высокую (до 43 масс. %) ёмкость данного адсорбента, сохраняющуюся от цикла к циклу. Согласно экспериментальным данным термическая десорбция бензола протекает быстро (в течение 7 минут) и практически полностью (лишь в последнем цикле остаточная ёмкость КСМ+ПИР составила 5 %). Таким образом, среди испытанных новых адсорбентов образец на основе мелкопористого зауглероженного силикагеля проявил показатели адсорбции паров бензола, превосходящие промышленные поглотители.
Список литературы
1. Кожевникова И.В. Полиуретановые композиции, содержащие отходы осушителей на основе минеральных оксидов: дис. канд. техн. наук: 05.17.06: защищена 2015. - Казань, 2015. - 178 с..
2. Мухин В.М., Тарасов А.В., Клушин В.Н. Активные угли России. - М.: Металлургия, 2000. -352 с.
3. Нистратов А.В., Несмелов С.А., Клушин В.Н. Исследование адсорбции бензола из паровоздушной смеси торфополимерным активным углём. Успехи в химии и химической технологии: Сборник научных трудов X Международного конгресса молодых учёных по химии и химической технологии. М.: Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2014. Т. XXVIII. № 5. С. 57-59.
4. Нистратов А.В., Клушин В.Н. Получение и свойства углеродных адсорбентов на основе растительного сырья и полимерных отходов. Proceedings of XVI International Scientific Conference "Machines. Technologies. Materials 2019". Borovets, Bulgaria. 13-16.03.2019. V.1, P. 115-119.
5. Нистратов А.В., Клушин В.Н.. , Сухов С.Д. Характеристика композиционных наноматериалов на основе минеральных носителей и полиуретановых отходов. Сборник трудов Всероссийской молодёжной конференции с международным участием «Химическая технология функциональных наноматериалов». РХТУ им. Д.И. Менделеева, 26-27.11.2015. С. 153-154.
