CC BY
12УДК
A.A. Saipov, G. K. Ivakhnyuk, Z. V. Kapitonenko
mechanical activation and the porous structure of coals from stone fruit raw materials
St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia M.O. Auezov South Kazakhstan State University, av. Tauke Khan, 5 c. Shimkent, 160012, Kazakhstan e-mail: fireside@inbox.ru
The process of activated carbon preparation from shells of fruit stones includes mechanical activation by a special device called «mechanical activator». As a results of the study we obtained coal with the properties that let us measure the impact of mechanical activation on further thermal activation and adsorption capacity.
Keywords: activation, adsorption, petroleum products
Введение
В настоящее время особое значение приобретают возможности комплексной утилизации отходов производства и получение на их основе углеродных адсорбентов, которые с успехом могут быть применены в различных отраслях народного хозяйства [1]. На заводах по производству фруктовых консервов и масложиро-вых комбинатах, получающих пищевые масла, скорлупа фруктовых косточек является многотоннажным отходом. Преимуществом скорлупы косточек является ее низкая себестоимость, транспортабельность, экологичность и большая распространенность в Центрально-Азиатском регионе. Возможность получения активированных косточковых углей (КАУ) позволяет считать разработку процесса получения и рекомендации по их применению для адсорбционной доочистки нефтесодержащих сточных вод актуальной народнохозяйственной задачей.
Основой предлагаемого способа получения активированного угля из скорлупы фруктовых косточек (слива, абрикос) является технология механической активации в присутствии ПАВ на механоактиваторе с последующей дополнительной активацией в потоке диоксида углерода.
Для развития пористости и удельной поверхности КАУ предложена оригинальная конструкция механо-активатора, позволяющая с максимальной эффективностью осуществлять процесс механической активации с целью снижения энергетических и материальных затрат при последующей стадии термической активации.
Машина для механической активации представляет собой корпус с загрузочным и разгрузочным патрубками, роторы, на дисках которых по окружности расположены била, и две камеры измельчения с ударными
A.A. Саипов1, Г.К. Ивахнюк2, З.В. Капитоненко3
механическая
активация и пористая структура углей из косточкового сырья
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр. 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия Южно-Казахстанский государственный университет имени М.О. Ауезова, проспект Тауке хана, 5 г. Шымкент, 160012, Казахстан e-mail: fireside@inbox.ru
Описывается получение активированного угля из скорлупы фруктовых косточек методом механохимической активации. Результаты исследования позволяют характеризовать технические показатели свойств полученного углеродного адсорбента и предложить возможный механизм процесса.
Ключевые слова: активация, адсорбция, нефтепродукты
элементами, соединенные между собой переточным устройством. Била и ударные элементы выполнены в виде металлических параллелепипедов из высокоуглеродистой стали, а поверхность дисков и стенок камер изготовлена рифленой с выступами пирамидальной формы. Ударная сторона выступов имеет угол а = 75° к поверхности стенок камер и вращающихся дисков.
Сущность работы механоактиватора поясняется рисунками, где на рисунке 1 показан общий вид устройства; на рисунке 2а - вид устройства в сечении А-А; на рисунке 2б - била и ударные элементы.
г
Рисунок 1. Общий вид устройства для механической активации
1 Саипов Абдилла Абибуллаевич, науч. сотр., Южно-Казахстанский государственный университет им. М.О Ауезова Saipov Abdilla A., Research associate, M.O. Auezov South Kazakhstan State University
2 Ивахнюк Григорий Константинович, д-р хим. наук, профессор, зав. кафедрой инженерной защиты окружающей среды СПбГТИ(ТУ), e-mail: fireside@inbox.ru
Ivakhnyuk Grigory K., PhD (Chem.), Professor, Head of Department of Environmental Protection Engineering at SPbSIT(TU), e-mail: fireside@inbox.ru
3 Капитоненко Зоя Владимировна, доцент каф. радиационной технологии СПбГТИ(ТУ), e-mail: zokapit@rambler.ru Kapitonenko Zoya V., Assistant Professor of the Department of Radiation Technology SPbSIT(TU), e-mail: zokapit@rambler.ru
Дата поступления - 2 сентября 2015 года Received September, 02 2015
I. ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ • ЭКОЛОГИЯ И СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ
Известия СПбГТИ(ТУ) №'30 2015
Согласно рисункам 1, 2а,б, устройство состоит из корпуса 1 с загрузочным патрубком 2 и разгрузочным патрубком 3, электроприводом 4, механической передачи 5, станины привода 6, вращающихся роторов с дисками верхней 7 и нижней камеры 8 с закрепленными на них билами 9 и 10, а также неподвижных ударных элементов 11 и 12, выполненных в виде параллелепипедов. Верхняя и нижняя камеры соединены между собой переточным устройством 13, позволяющим регулировать подачу измельчаемого материала из одной камеры в другую. Ударная сторона пирамидальных выступов на поверхности стенок камер 14 и вращающихся дисков 15 расположены друг против друга. Била и ударные элементы имеют форму параллелепипедов, которые расположены по окружности (рисунок 2б).
Рисунок 2. а) вид устройства в сечении А-А; б) била и ударные элементы
Скорлупа косточек через загрузочный патрубок 2 поступает к центру вращающегося ротора верхней камеры 7 и под действием центробежных сил отбрасывается билами 9 на ударные элементы 11 и ребристую поверхность стенок камер в виде выступов пирамидальной формы 14 и 15, дробится и вновь возвращается на била 9. При вращении ротора 7 ряды ударных элементов 11 и бил 9 образуют между собой помольную щель, где сырье истирается ими и поступает на нижележащий ряд ударных элементов и бил, постепенно перемещаясь к переточному устройству 13, через которые и попадает в нижнюю камеру, где происходит дальнейший помол. Сырье пройдя еще ряд бил 10 и ударных элементов 12 поступает к разгрузочному отверстию 3 и выгружается из устройства.
В процессе механической обработки скорлупы происходит не только изменение размеров частиц, но и развитие удельной поверхности до 500-800 м2/г. Условием экономической целесообразности применения ме-
ханических систем для активации скорлупы косточек являются относительно низкие удельные затраты энергии, простота конструкции, надежность и долговечность их работы [3].
Исследование процесса механоактивации скорлупы косточек позволило допустить, что напряжения, возникающие при их ударе о била, ударные элементы и ребристую поверхность стенок камер пропорциональны скорости движения частиц в рабочем объеме, что и определяет размеры зон пластических деформаций, приводящих к разрушению материала аналогично явлению статического сжатия [3].
Экспериментально установлено, что при достижении значения скорости движения частиц 120 м/с разрушение принимает взрывной характер, чем и объясняется значительное различие в затратах энергии между механизмами удара и сжатия [3].
Ранее было показано, что характер изменения пористости, удельной поверхности и следовательно величины адсорбции нефтепродуктов из сточных вод КАУ, полученным разрушением ударом зависит от скорости движения частиц и не зависит от их начального размера [3].
Рисунок 3. Зависимость величины адсорбции растворенных нефтепродуктов на синтезированных КАУ от продолжительности процесса механоактивации
На рисунке 3 представлена зависимость величины адсорбции растворенных нефтепродуктов (летнее дизельное топливо) от времени механоактивации. Результаты свидетельствуют, что активация скорлупы косточек в подобном двухкамерном устройстве для механической активации в присутствии ПАВ - алкиларилсульфоната RАrSO2OM (анионного ПАВ) сопровождается существенным увеличением пористости и, как следствие, образованием новой адсорбирующей поверхности. Предложенная конструкция весьма эффективна для развития высокой удельной поверхности и получения требуемого дисперсного состава КАУ с целью последующей термической активации в токе диоксида углерода [1].
Для детального исследования процесса адсорбционного извлечения растворенных в воде нефтепродуктов в качестве адсорбента использован КАУ, активированный в потоке диоксида углерода при температурах от 673 К до 873 К.
Модельные водные растворы готовились растворением летнего дизельного топлива производства Шым-кентского нефтеперерабатывающего завода.
Результаты оценки величин адсорбции нефтепродуктов приведены на рисунке 4. Наибольшей адсорбционной емкостью (0,01кг/кг) при концентрациях растворенных нефтепродуктов, характерных для сточных вод нефтеперерабатывающих заводов
I. ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ • ЭКОЛОГИЯ И СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ
Известия СПбГТИ(ТУ) №"30 2015
обладает КАУ, активированный при температуре 873 К, что свидетельствует о доступности пор молекулам компонентов дизельного топлива, независимо от их молярной массы и строения. В случае КАУ, полученных при температуре 773 К и 673 К наблюдается максимальная величина их суммарной адсорбции, равная соответственно 9,5-10-3 кг/кг и 8,4-10-3 кг/кг. Эти адсорбенты позволяют практически полностью удалять нефтепродукты из исходных водных модельных растворов дизельного топлива.
Концентрация Сравн: кг/м3
Рисунок 4. Изотермы адсорбции, растворенного в воде дизельного топлива: 1 КАУ, температура активации 673 К; 2 КАУ, температура активации 773 К; 3 КАУ, температура активации 873 К.
Особо следует отметить их высокую механическую прочность на истирание по МИС-60-8 [4] -до 93 % при значительной удельной поверхности по азоту - до 1200 м2/г и незначительном суммарном объеме пор [5] - до 0,5 м3/г. [5].
Для всех образцов КАУ характерны вогнутые изотермы, что в соответствии с классификацией БЭТ свидетельствует о существенном межмолекулярном взаимодействии между адсорбентом и адсорбтивом [6].
Вывод
Таким образом, предложенный способ получения активированного угля из скорлупы фруктовых косточек является оригинальным [1] и обеспечивает формирование развитой пористой структуры, высокую механическую прочность и позволяет получить КАУ со значительной адсорбционной способностью для глубокой очистки сточных вод от нефтепродуктов, например, в адсорберах с движущимся слоем.
Литература
1. Юркевич А.А., Ивахнюк Г.К., Фёдоров Н.Ф., Пи-менова М.А. Технологические основы производства химических компонентов систем жизнеобеспечения: учеб. пособие. / Под ред. Г.К. Ивахнюка. СПб.; М.; Краснодар: Лань, 2015. 368 с.
2. Сатаев М.И., Саипов А.А., Алтынбеков Ф.Е., Алтынбеков Р.Ф., Наурызбаев К.К., Орынкулова М., Са-таева Л.М. Устройство для механической активации. Предварительный патент РК № 13533 от 15.10.2003
3. Сатаев М.И., Саипов А.А. и др. Влияние вида и скорости механического нагружения на физико-структурные свойства модифицированных адсорбентов. // Материалы Междунар. научно-практ. конф., посвященной 10-летию независимости РК «Валихановские чтения-6». Кокшетау, 2001 Т. 10. С. 156-159.
4. Сиденко П.М. Измельчение в химической промышленности. 2-е изд., перераб. М.: Химия, 1977. 368 с.
5. Колышкин Д.А., Михайлова К.К. Активные угли: свойства и методы испытаний: справ.. / Под общ. ред. Т.Г. Плаченова. Л.: Химия, 1972. 57 с.
6. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. Пер. с англ. 2-е изд. М.: Мир, 1984. 306 с.
