CC BY
1УДК 661.183.7 : 665.947.4 Курилкин А.А., Скрыпкин К.И., Нистратов А.В.
Курилкин А.А.
канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры промышленной экологии Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
(г. Москва, Россия)
Скрыпкин К.И.
бакалавр кафедры промышленной экологии Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
(г. Москва, Россия)
Нистратов А.В.
канд. техн. наук, доцент кафедры промышленной экологии Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
(г. Москва, Россия)
МОДИФИЦИРОВАНИЕ СИЛИКАГЕЛЕЙ ПРОДУКТАМИ ПИРОЛИЗА РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ КАК СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ИХ СВОЙСТВ
Аннотация: силикагель является мезопористым материалом с высокой поверхностной активностью и способностью к адсорбции и широко применяется в различных областях. Однако ограничения его использования наряду с усовершенствованием его свойств могут быть преодолены путём введения новых углеродсодержащих компонентов, которые будут способствовать изменению его поверхности и функциональности, а также приданию гидрофобности с сохранением высоких механических показателей. Одним из потенциально перспективных методов модификации силикагеля является его пиролиз в присутствии органического сырья, например, древесных опилок или шелухи сельскохозяйственных культур.
Ключевые слова: адсорбция, силикагели, модификация, древесное сырьё, лигнин.
Силикагели представляют собой аморфные соединения, содержащие от 85 до 95 мас. % диоксида кремния ^Ю 2). Они состоят из коллоидных частиц размером от 10 до 100 нм. Силикагели имеют полупрозрачную или меловидную структуру и обычно имеют белый или желтоватый цвет, который может быть обусловлен наличием примесей. В сухом состоянии они хрупкие, практически не растворимы и не набухают в воде и органических растворителях.
Технический силикагель обычно поставляется в виде гранул, шариков, кусочков, порошка или геля. Конкретная форма поставки зависит от намеченного применения и требуемых свойств силикагеля. Гранулы и шарики часто используются в процессах фильтрации и сорбции, так как они обладают хорошей проницаемостью для жидкостей и газов. Кусочки силикагеля могут использоваться для заполнения определённых пространств или создания фиксированных слоёв. На рис. 1 представлены модели глобулярных систем, составленных мелкими и крупными частицами с разной плотностью упаковки (числом касаний) [1].
Рис. 1. Модели глобулярных систем силикагеля: а - мелкопористый (частицы упакованы с числом касаний 6), б - крупнопористый (частицы упакованы с числом касаний 3)
Химическая формула силикагелей - хБЮг'пНО. В свою очередь мелкопористый силикагель имеет формулу xSiOг'уАЬОз-пНгО, за счёт укрепляющей добавки А12О3.
Мелкопористый силикагель имеет маленькие поры, обычно с диаметром менее 2 нм. Это обеспечивает ему большую поверхностную активность и высокую адсорбционную способность. Мелкопористый силикагель широко
используется в области химии, катализа, сорбции и различных процессов разделения.
Силикагели нашли широкое применение в осушке воздуха, особенно в динамических условиях. Мелкопористый силикагель используется для достижения очень низкой точки росы воздуха, обычно в диапазоне от -70 до -60 °С. Одним из преимуществ использования силикагеля является низкая температура регенерации (в среднем, 150-200 °С). Для снижения энергозатрат на регенерацию осушителей в системах с глубокой осушкой воздуха силикагель можно использовать как предварительный осушитель, на котором будет задерживаться большая часть влаги, а глубокой осушки далее можно обиться с использованием цеолита. Таким образом, использование силикагеля как сорбента для осушки воздуха обладает преимуществами, так как он может быть регенерирован при более низкой температуре по сравнению с другими материалами, что в свою очередь позволяет снизить энергозатраты на процесс.
Мелкопористые силикагели широко применяются для осушки и удаления примесей из различных сред. Их высокая поверхностная активность и способность эффективно взаимодействовать с молекулами влаги и другими загрязняющими веществами делают их идеальным выбором для таких процессов. Силикагель обладает высокой поглощающей способностью и может эффективно улавливать влагу, органические соединения, токсичные газы и другие примеси из окружающей среды. Благодаря своей мелкопористой структуре, силикагель обеспечивает большую площадь поверхности для адсорбции и обладает высокой скоростью диффузии, что способствует быстрой и эффективной очистке среды от влаги и загрязнений. Это делает мелкопористые силикагели незаменимыми материалами для промышленных процессов [2].
Силикагель является сравнительно хрупким материалом, который может легко разрушаться при механическом воздействии. Это ограничивает его использование в некоторых областях, где требуется материал с высокой прочностью и стойкостью к физическим воздействиям. Ещё одним недостатком силикагелей является разрушение при длительном контакте с большим
количеством влаги. Постепенное поглощение влаги может привести к разрушению структуры, что сокращает его срок службы. Поэтому необходимо принимать меры для предотвращения непреднамеренного попадания силикагеля в контакт с избыточной влагой и обеспечения его защиты в условиях высокой влажности. Это может потребовать дополнительных усилий и ресурсов для поддержания эффективности и долговечности силикагелевых материалов в различных сферах использования [3].
С другой стороны, уже длительное время существует проблема утилизации растительных отходов и по сей день остаётся актуальной. Отходы древесины возникают главным образом в результате деятельности лесоперерабатывающих комбинатов. На пилорамах выделяется большое количество древесной стружки и щепок, которые могут полезны в производстве различных материалов и изделий. Кроме того, при обработке сельскохозяйственных культур (подсолнечник, злаковые, хлопок и др.) образуются огромные количества шелухи и других отходов [4, 5].
Все перечисленные отходы могут применяться на различных производствах, что позволят снизить экологическую нагрузку на окружающую среду. К сожалению, большинство растительных отходов захоранивается и не используется повторно.
Состав древесных отходов можно представить таким:
• 45 % целлюлозы
• 15-35 % лигнина
• 14-20 % гемицеллюлозы
• около 15 % жиров и белков
В древесине содержится до 50 % углерода. Но ввиду низкого содержания азота (до 0,3 %) использование древесных отходов в сельскохозяйственном секторе в роли удобрения не является эффективным [6].
Кроме целлюлозы, в тканях растений присутствует лигнин. Он является органическим полимером, образующимся в растениях в процессе линейной
полимеризации фенольных соединений. Химический состав и структура лигнина могут различаться в зависимости от типа растения.
Лигнин является важным компонентом растительной клеточной стенки и выполняет несколько функций. Он придаёт прочность и жёсткость растительным тканям, обеспечивает поддержку и защиту растений. Кроме того, лигнин играет роль в транспорте воды и питательных веществ, участвует в регуляции роста и развития растений.
Лигнин также имеет большое значение в промышленности, где он используется в производстве бумаги, древесных материалов, топлива и других продуктов. Его химические свойства позволяют использовать лигнин в качестве природного полимера для создания различных материалов и соединений [6].
Поэтому представляется переработка растительного сырья для извлечения целлюлозы, лигнина и других соединений. Они могут использоваться как в исходной форме, так и после химической обработки в различных областях народного хозяйства.
С точки зрения решения проблем водо- и газоочистки, перспективной представляется переработка растительных остатков в углеродные адсорбенты. На кафедре промышленной экологии разрабатываются технологии как непосредственного получения активных углей из растительного сырья, так и «корректировки» недостатков неорганических сорбентов. Так, введение углерода из растительных и древесных отходов позволит гидрофобизировать поверхность силикагелей и повысить селективность поглощения других целевых компонентов (загрязняющих веществ) по отношению к молекулам воды. К тому же перспективным является и одновременное улучшение механической прочности силикагелей, расширение температурного диапазона их применения.
Однако для достижения поставленной цели необходимо проводить исследования режима получения углеродного материала из древесного сырья. И одной из ключевых стадий является термообработка сырья (пиролиз). Регулируя температуру процесса, скорость её подъёма, время выдержки, можно получить высококачественные сорбенты с прекрасным выходом [7].
Таким образом, практичность предлагаемого способа модификации силикагелей заключается в производстве адсорбента, имеющего свойства как самого силикагеля, так и компенсирующие его недостатки достоинства активного угля. При этом для этих целей годится растительное сырьё, что позволит, с одной стороны, снизить объёмы их отходов, а с другой - получить качественные адсорбенты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Курилкин А.А., Нистратов А.В., Школин А.В. Промышленные адсорбенты. Основные свойства и методы расчёта адсорбционных равновесий, кинетики и пористой структуры: учеб. пособие. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2024. - 276 с;
2. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. - М.: Химия, 1984. - 592 с;
3. Силикагели // Газпром нефтехим Салават: энциклопедия / Уфа: Башкирская энциклопедия, 2012. - с. 353-354;
4. Перспективы использования древесных отходов [Электронный ресурс]. -URL: https://ztbo.ru/o-tbo/lit/problemi-rekultivacii-otxodov/perspektivy-ispolzovaniya-drevesnykh-otkhodov;
5. Курилкин А.А., Нистратов А.В., Клушин В.Н., Со Вин Мьинт, Хвостова А.И. Способ получения высокочистого углеродного материала из растительных отходов // Chemical Bulletin. - 2023. - Т. 6. - № 4. - с. 43-53;
6. Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров: учебник для вузов. - СПб.: СПБЛТА, 1999. - 628 с;
7. Мухин В.М., Клушин В.Н. Производство и применение углеродных адсорбентов. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2018. - 308 с.
Kurilkin A.A., Skrypkin K.I., Nistratov A. V.
Kurilkin A.A.
Mendeleev University of Chemical Technology of Russia
(Moscow, Russia)
Skrypkin K.I.
Mendeleev University of Chemical Technology of Russia
(Moscow, Russia)
Nistratov A.V.
Mendeleev University of Chemical Technology of Russia
(Moscow, Russia)
MODIFICATION OF SILICA GELS BY PYROLYSIS PRODUCTS OF VEGETABLE RAW
MATERIALS AS A WAY TO IMPROVE THEIR PROPERTIES
Abstract: silica gel is a mesoporous material with high surface activity and adsorption ability and is widely used in various fields. However, the limitations of its use, along with the improvement of its properties, can be overcome by introducing new carbon-containing components that will contribute to changing its surface andfunctionality, as well as giving hydrophobicity while maintaining high mechanical performance. One of the potentially promising methods of modifying silica gel is its pyrolysis in the presence of organic raw materials, for example, sawdust or husks of agricultural crops.
Keywords: adsorption, silica gels, modification, wood raw materials, lignin.
