CC BY
23Электронный архив УГЛТУ
№ 4 (63), 2017 г. ЛесаРоссииихозяйствовних 67
4. Effect of products of gas flaring in oil production on the reproductive condition of pine stands in the Northern taiga subzone / D.R. Anikeev, I.A. Yusupov, N.A. Lugansky, S.V. Zalesov, I.K. Lopatin // Ecology. 2016. № 2. P. 122-126.
5. Lugansky N.A. Zalesov S.V., Lugansky V.N. Forestry. Yekaterinburg: Ural state forest univ., 2010. 432 p.
6. KhairetdinovA. F., Zalesov S.V. Introduction to forestry. Yekaterinburg: Ural state forest univ., 2011. 202 p.
7. Zalesov S.V., Koltunov E.V. The content of heavy metals in soils of forest parks of Yekaterinburg // Agrarian Bulletin ofthe Urals. 2009. № 6 (60). P. 71-73.
8. Acid precipitation and forest soils / Under the editorship of V.V. Nikonov, G. N. Koptsik. Apatity: Kola scientific center RAS, 1999. 320 p.
9. Tarkhanov S.N. Forms of intrapopulation variability of coniferous in conditions of atmospheric pollution (on the example of the North Dvina basin). Yekaterinburg: UB RAS, 2010.230p.
10. Menshikov S. L. Study of the environmental features of the growth and rationale of farming creation of cultures of conifers in the conditions of magnesite dusting : abst. dis. ... candidate, of agricultural Sciences. Sverdlovsk, 1985.20p.
11. Distribution of betula pendula roth, test crops by diameter class and level of pollution of soil in the area of emissions of the JSK «Magnesite» integrated indastrial complex / S.L. Menschikov, K.E. Zavyalov, N.A. Kuzmina, P.E. Mokhnachev, I.S. Tsepordey //Advances in current natural sciences. 2016. № 10. P. 84-89.
12. State Standard-13056. 6-97. Seeds of trees and shrubs. Methods for determination of germination. Minsk: The interstate council for standardization, metrology and certification, 1998. 27 p.
13. Kazantseva M. N. Peculiarities of reproduction of Scots pine in plantations in the city of Tyumen and its green area// Vestnik of ecology, forestry and landscape. 2005. №5.P. 76-79.
14. Analysis of the growth process of Pinus sylvestris L. at early stages of ontogenesis in the conditions of chronic action of zinc / Y. V. Ivanov, Y.V. Savochkin, S.I. Marchenko, V.P. Ivanov // Forest journal. 2011. № 2. P. 12-18.
15. Mamaev S.A. Forms of intraspecific variation of woody plants. M: Science, 1973. 284 p.
УДК 61.183.2
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВНОГО ОСИНОВОГО УГЛЯ
Е.В. ЕВДОКИМОВА - аспирантка кафедры химической технологии древесины,
биотехнологии и наноматериалов, ФГБОУ ВО «Уральский государственный лесотехнический университет»,
620100, Екатеринбург, Сибирский тракт 37, тел. 8 (343)2629772, e-mail: yevdokimovaekaterina@gmail.com
Ключевые слова: факторы процесса активации, осиновый уголь, активные угли, адсорбционная активность.
Пиролиз как вариант переработки мягколиственной древесины является перспективным направлением переработки осины. Основной продукт пиролиза - древесный уголь (ДУ) - имеет широкую сферу применения. На основе осинового угля возможно производство такого углеродного нанопористого материала, как активный уголь (АУ).
Цель эксперимента - поиск наилучших условий активации осинового угля с высокими выходом угля и его качеством.
Для исследования использовали образец промышленного ДУ, соответствующий ГОСТ 7657 для марки Б первого сорта. В работе изучалось влияние основных факторов процесса активации (температура, удельный расход водяного пара и продолжительность процесса) на выход и качество получаемых АУ. Для определения закономерностей процессов активации применялись математические методы планирования эксперимента.
Температура процесса активации изменялась в диапазоне 820-880 °С, удельный расход водяного пара составлял 1,8-2,3 кг/кг ДУ, продолжительность активации менялась от 120 до 150 мин.
Для определения оптимальных условий активации изучалось влияние действующих факторов процесса активации на выход активного угля (%); суммарный объем пор (см3/г); содержание золы (%); адсобционная активность по йоду (%), которые были приняты в качестве функций отклика.
Для каждой функции отклика было получено уравнение регрессии, адекватность которого проверялась по критерию Фишера.
Используемые в работе методы позволяют обработать экспериментальные данные по активации древесного угля, исследовать их свойства и строение, провести обобщение полученных результатов.
Полученные уравнения регрессии адекватно описывают влияние действующих факторов на процесс активации угля на основе осиновой древесины.
Активация осинового угля с помощью водяного пара идет быстро, что способствует формированию сорбирующих пор. Вторичная микропористая структура формируется в диапазоне температур 800-850 °С. Повышение конечной температуры пиролиза приводит к снижению удельной поверхности АУ за счет формирования вторичной мезо- и макропористой структуры. Исследования в данной области необходимо продолжить в более мягких условиях активации.
SOME FEATURE OF ACTIVE ASPEN CHARCOAL MAKING
E.V. EVDOKIMOVA - postgraduate student, Department
of chemical technology of wood, biotechnology and nanomaterials Ural state forestry engineering University, 620100, Yekaterinburg, Sibirskiy trakt 37, tel. 8 (343) 2629772, e-mail: yevdokimovaekaterina@gmail.com
Key -words: factors ofactivationprocess, aspen charcoal, active carbons, adsorption activity.
Pyrolysis as a recycling option, biofuels, is a perspective direction of aspen processing. Charcoal is the main product of pyrolysis, it has a wide field of application. Based on the aspen coal it is possible to produce such nanoporous carbon material as an active carbon.
The purpose of the experiment is to find the best activation conditions of the main coal, high coal output and its quality.
For studies samples of industrial charcoal according to GOST 7657 were used. This paper studied the main factors of the activation process, output and quality of active coals on the basis of aspen wood. To determine patterns of activation processes mathematical methods of experiment planning were applied.
Among many factors that influence the activation process, we have chosen three basic: temperature, specific consumption of water steam and duration of the activation process.
The temperature of the activation process was changed in the range of 820 to 880 °C. With specific consumption of water steam was 1.8-2.3 kg/kg charcoal, the duration of activation varied from 120 to 150 minutes.
To determine the optimum activation conditions the following factors have been studied: influence of the activation process, the yield of active carbon (%); total pore volume (cm3/g); ash content (%); adsorption activity of iodine (%), which were taken as the response functions.
Электронный архив УГЛТУ
№4(63), 2017 г.
Леса России и хозяйство в них
69
For each response function it was obtained the regression equation, the adequacy of which was tested by the Fisher test.
Used methods allow to process experimental data for activated charcoal, to explore their properties and structure, to carry out generalization of the obtained results.
Regression equations adequately describes the influence of operating factors on the activation process of aspen charcoal.
Activation of aspen charcoal with water steam goes quickly, that contributes to the formation of sorbent pores. Secondary microporous structure is formed in the temperature range of 800-850°C. An increase in pyrolysis temperature leads to a decrease in the specific surface of active charcoal, due to the formation of secondary meso -and macroporous structure. Research in this area should continue in a milder activation conditions.
Введение
Уральский Федеральный округ обладает большими ресурсами древесины мягколиственных пород, которая большей частью не используется [1-3]. Площади, занимаемые, например, осиной, увеличиваются с каждым годом.
С учетом существующих тенденций [4, 5] и по результатам исследований, проведенных ранее на кафедре химической технологии древесины, биотехнологии и наноматериалов УГЛТУ, был предложен вариант термохимической переработки таких ресурсов [6]. В настоящее время возрастает интерес к такому перспективному направлению переработки осины, как получение древесного осинового угля, который может иметь широкую сферу применения.
На основе осинового угля возможно производство гаммы углеродных нанопористых материалов, например дробленых или порошковых активных углей. Имея природное происхождение и развитую микропористую структуру, они могут найти применение, например, в таких специфических сферах, как доочистка питьевой воды [7, 8] или пищевая промышленность [9].
Цели и методы исследований
Цель эксперимента - поиск оптимальных условий активации осинового угля с высокими выходом угля и его качеством.
Для исследования использовали образцы, полученные на модульной пиролизной ретортной установке типа МПРУ из осиновой древесины. Исходный осиновый уголь имел влажность 2,47 %, содержание нелетучего углерода - 85 %, зольность -2,11 %, кажущуюся плотность -240 г/л.
В работе изучалось влияние основных факторов процесса активации на выход и качество получаемых активных углей на основе древесины осины. Для получения адекватных моделей процесса активации был выбран план ПФЭ 23.
Изучали действие трех основных факторов: температуры Хь удельного расхода водяного пара Х2 и продолжительности процесса активации Х3. В качестве функций отклика приняты: У! - выход активного угля, %; У2 - суммарный объем пор, см3/г; У3 - содержание золы, %; У4 -адсобционная активность по йоду, %.
Результаты исследований и их обсуждение
В результате проведения исследований по активации осинового угля получены данные, которые показаны в таблице.
Относительно низкий выход АУ в большинстве опытов, как мы считаем, обусловлен созданием жестких условий активации. Это же благоприятно сказалось на высокой адсорбционной активности угля по йоду, так как структура исходного осинового угля менее устойчива, чем у березового, полученного при тех же условиях. В свою очередь, устойчивость исходного угля связана с различающимся анатомическим строением березовой и осиновой древесины.
Влияние температуры, удельного расхода пара и продолжительности активации на выход активных углей в кодированных координатах описывается следующим уравнением:
У!=37,41-9,76Х3+ +4Х1Х2+4,11Х2Х3-5,4Х1Х2Х3.
Как видно из уравнения, в наших условиях на выход АУ наибольшее влияние оказывает продолжительность процесса активации и выход находится
Значения независимых переменных и функций отклика в натуральном виде The values of the independent variables and functions in natural response
Факторы Factors Функции отклика Response function
XI Х2 ХЗ У1 У2 УЗ У4
820 1,8 120 64,3 2,4 3,2 117
820 1,8 150 23 3,2 10,6 136
820 2,3 150 32 1,1 7,0 144
820 2,3 120 37,5 0,9 5,5 135
880 2,3 150 33,1 2,4 6,8 151
880 2,3 120 46,9 2,4 4,4 133
880 1,8 150 28,4 1,8 8,0 150
880 1,8 120 38,4 3,2 5,7 139
в обратной зависимости от совместного влияния как температуры и удельного расхода пара, так и удельного расхода пара и продолжительности процесса активации.
При рассмотрении уравнения, описывающего влияние вышеперечисленных факторов на суммарный объем пор, можно отметить, что этот показатель напрямую зависит от температуры и удельного расхода пара, а также их совместного влияния. При этом влияние продолжительности процесса активации оказалось незначимым в диапазоне выбранных параметров процесса активации осинового угля.
У2=0,27Х1-0,48Х2+ +0,42Х1Х2-0,29Х1Х3.
Рассмотрим уравнение, характеризующее влияние темпе-
ратуры, удельного расхода пара и продолжительности процесса активации на содержание золы вАУ.
Уз=6,39-0,48Х2+1,68Хз--0,52Х1Х3-0,73Х2Х3+0,76Х1Х2Х3.
Содержание золы в АУ находится в обратной зависимости от удельного расхода пара и в прямой от продолжительности процесса активации, а также совместного влияния от выбранных нами параметров активации.
Влияние выбранных факторов на адсорбционную активность АУ по йоду описывается уравнением
У4=137,15+3,43Х1+8,76Х3--3,48Х1Х2-5,37Х1Х3.
Адсорбционная активность АУ по йоду напрямую зависит от температуры и продолжитель-
Библиографический список
ности процесса активации, при этом находится в обратной зависимости от совместного влияния температуры и удельного расхода пара, а также температуры и продолжительности процесса активации.
Выводы
Активация осинового угля с помощью водяного пара в исследованном диапазоне действующих факторов приводит к получению АУ с высокими со-рбционными характеристиками. Водяной пар наилучшим образом способствует формированию сорбирующих пор. Но выход продукта при изученных условиях активации недостаточно высок, поэтому исследования необходимо продолжить в более мягких условиях активации.
1. Казанцев С.Г., Залесов C.B., Залесов A.C. Оптимизация лесопользования в производных березняках Среднего Урала. Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2006. 156 с.
2. Дебков Н.М., Залесов C.B., Оплетаев A.C. Обеспеченность осинников средней тайги подростом предварительной генерации (на примере Томской области) // Аграрный вестник Урала. 2015. № 12. С. 48-53.
3. Оплетаев A.C., Залесов C.B. Переформирование производных мягколиственных насаждений в лиственничники на Южном Урале. Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2014. 158 с.
Электронный архив УГЛТУ
№ 4 (63), 2017 г. Леса России и хозяйство в них 71
4. Юрьев Ю.Л. Тенденции развития технологии пиролиза древесины // Леса России и хоз-во в них. 2016. № 3 (58). С. 58-63.
5. Коростелев А.С., Залесов С.В., Годовалов Г.А. Недревесная продукция леса. Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2010. 480 с.
6. Юрьев Ю.Л., Солдатов А.В. Термохимическая переработка древесины в условиях лесопромышленного предприятия//Изв. высш. учеб. заведений. Лесн. жур. 2005. № 3. С. 113-118.
7. Юрьев Ю.Л., Дроздова Н.А., Панова Т.М. Доочистка артезианской воды с применением модифицированных древесных углей // Вестник Казан, технол. ун-та. 2013. Т. 16. № 19. С. 85-86.
8. Юрьев Ю.Л., Панова Т.М., Дроздова Н.А. Применение модифицированных древесных углей для улучшения солевого состава воды в пивоварении // Изв. высш. учеб. заведений. Лесн. жур. 2010. № 1. С. 134-138.
9. Исследование возможности применения древесного угля для стабилизации пива / Ю.Л. Юрьев, Т.М. Панова, Н.А. Дроздова, К.Ю. Тропина//Изв. высш. учеб. заведений. Лесн. жур. 2010. № 5. С. 120-124.
Bibliography
1. Kazantsev S.G., Zalesov S.V., Zalesov A.S. Optimization of forest management in derivative birch forests of the Middle Urals. Yekaterinburg: Ural state forest univ., 2006. 156 p.
2. Dubkov N.M., Zalesov S.V., Opletaev A.S. Security aspen trees in the Middle taiga with the undergrowth of preliminary generation (on the example of Tomsk region) // Agrarian bulletin of the Urals. 2015. № 12. P. 48-53.
3. Opletaev A.S., Zalesov S.V. Rearrangement of derivatives of softwood plantations in larch forests in the southern Urals. Yekaterinburg: Ural state forest univ., 2014. 158 p.
4. Yuryev Yu.L. The development trends of technologies of pyrolysis of wood // Forest in Russia and forestry inthem. 2016. № 3 (58). P. 58-63.
5. Korostelev A.S., Zalesov S.V., Godovalov G.A. Non-timber forest products. Yekaterinburg: Ural state forest univ., 2010. 480 p.
6. Yuryev Yu.L., Soldatov A.V. Thermal processing of wood in conditions of forestry enterprise // Forest magazine. 2005. № 3. P. 113-118.
7. Yuryev Yu.L., DrozdovaN. A., Panova T.M. Artesian water purification using modified wood coals // Herald ofthe Kazan University. 2013.16.№19.P. 85-86.
8. Yuryev Yu.L., Panova T.M., Drozdova N.A. Application of modified charcoals to improve salt water in brewing //Forestmagazine. 2010.№ l.P. 134-138.
9. Feasibility study on the use of charcoal to stabilize beer / Yu.L. Yuryev, T.M. Panova, N.A. Drozdova, K.Y. Tropina // Forest magazine. 2010.№5.P.120-124.
