Оптимизация режима активации акриловых текстильных отходов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 661.183.2:678.744

А. В. Нистратов*, Е.С. Махорина, В. Н. Клушин

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 * e-mail: alvinist@yandex.ru

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА АКТИВАЦИИ АКРИЛОВЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ ОТХОДОВ

Изучено влияние условий паровой активации карбонизатов акриловых тканей на показатели обгара и развития пор активатов. Методом планирования эксперимента получены математические модели названных показателей, с помощью которых выбран режим активации, оптимальный по объёму сорбирующих пор активата.

Ключевые слова: полиакрилонитрил, отходы, активация водяным паром.

Переработка акриловых текстильных отходов (обрезков тканей из полиакрилонитрила ПАН), которые представляют ценное вторичное сырьё для производства углеродных адсорбентов [1], включает их измельчение, карбонизацию и активацию. Карбонизация этих отходов, направленная на создание первичных микропор материала, проведена согласно [1] при скорости нагрева 7,5 °С/мин до 700 °С с выдержкой 1 час. Рекомендуемые [2-4] условия активации карбонизатов ПАН водяным паром: расход 0,2-2 г/мин, температура 600-1000 °С и время активации 1-40 мин. Из предварительных опытов с акриловой тканью известно, что наилучшие показатели активатов соответствуют степени обгара (потере массы при активации) 54 % и достигаются при 750 °С в течение 60 мин, однако при избыточном расходе пара 7,5 г/мин на 5 г карбонизата.

Изложенная информация и совместное влияние температуры Т и времени т активации на качество активатов дают основание применить метод планирования эксперимента [5] с целью оптимизации процесса. При этом низкий расход пара (0,5-1 г/мин на 2,5 г карбонизата) служит ограничением энергозатрат, а значимые факторы Т и т варьируются на уровнях 750, 800 °С и 60, 90 мин соответственно. Степень обгара (уо) как косвенный показатель развития пористой структуры не может служить надёжным критерием оптимизации. Суммарный объём пор У^ (у0 и объём сорбирующих пор по бензолу Уй(у2) более надёжны - они должны стремиться к максимумам.

В планировании эксперимента используются кодированные безразмерные значения факторов (табл. 1):

1) температура активации х1 = (Т - 775)/25;

2) время активации х2 = (т - 75)/15.

В ходе активации степень обгара образцов контролировали с помощью пружинных весов, что позволило изучить кинетику процесса (рис. 1).

£ 20

.......750 С

60МИН

-750 С

ЭОлпин

.........800 С

бОмин

-300 С

ЭОмии

40 «О

Врелпя активации, глин

юо

Рис. 1. Зависимости степени обгара активатов ПАН от условий активации

Кинетические кривые активации (зависимости степени обгара СО от времени активации т) описываются экспоненциальными уравнениями:

1 опыт СО = 40-(1 - е-0012т)+14

2 опыт СО = 40-(1 - е-0012т)+25

3 опыт СО = 50-(1 - е-0 007т)+24

4 опыт СО = 50-(1 - е-0 007т)+30

Анализ их выявляет следующие особенности: у

всех образцов потеря массы начинается до достижения фиксированной температуры

(начальный скачок), однако предельные значения СО (константы перед экспонентой) и константы скорости активации (показатели экспоненты) близки, т.е. решающее значение имеет продолжительность активации.

Результаты определения степени обгара и показателей пористой структуры активатов представлены в т.н. расчётной матрице (табл. 2).

планирования эксперимента по активации карбонизата ПАН

№ опыта Факторы

натуральные кодированные

Температура активации, °С Время активации, мин x0 - фиктивная переменная Х1 Х2 xjx2 - взаимодействие факторов

1 750 60 +1 -1 -1 +1

2 750 90 +1 -1 + 1 -1

3 800 60 +1 +1 -1 -1

4 800 90 +1 +1 + 1 +1

N=4 - число опытов; n=2 - число параллельных определений для опыта № 1

Таблица 2. Расчётная матрица эксперимента по активации карбонизата ПАН

№ опыта Факторы (по табл. 1) Выходные переменные

Хо Х1 Х2 Х1Х2 Степень обгара Уо, % Сумм. объём 3/ пор, У1,см /г Объём сорб. пор У2, см3/г

1 +1 -1 -1 + 1 42 0,45 0,02

2 +1 -1 + 1 -1 67 0,57 0,14

3 +1 +1 -1 -1 41 0,45 0,036

4 +1 +1 + 1 + 1 60 0,54 0,07

Рис. 2. Зависимости показателей пористой структуры активатов ПАН от условий активации

Обработка этих данных показала, что зависимости показателей пористой структуры от условий активации имеют вид: суммарный объём пор

У! = 0,5025 - 0,0075x1 + 0,0525х2 - 0,0075х7х2: объём сорбирующих пор

у2 = 0,0665 - 0,0135х1 + 0,0385х2 - 0,0215х7х2: где оба фактора х^2 влияют на параметры оптимизации у12 (в графическом виде - рис. 2).

Для их повышения необходима меньшая температура (х1 = -1) и большее время активации (х2 = +1), причём указанное совместное изменение этих факторов (произведение хгх2) увеличивает их суммарный эффект. Сопоставление модулей коэффициентов показывает, что большее влияние оказывает время активации, необходимое для протекания реакции по объёму зерён материала. Повышенная температура, наоборот,

неблагоприятна в связи с формированием более крупных пор и т.н. поверхностным обгаром. В таких условиях (опыт 2) в области эксперимента получается наиболее микропористый образец.

Надо отметить, что выбранная температура 750 °С ниже, чем для традиционного сырья в производстве активных углей, что снижает энергозатраты на активацию, однако «мягкие» условия требуют термообработки в течение 90 мин. Показатели пористой структуры активного угля из ПАН уступают таковым большинства промышленных марок (0,2-0,4 см3/г микропор), однако зольность их не превышает 1 %. Возможность дальнейшего развития пор ограничена высокой степенью обгара (низким выходом - табл. 2) активатов.

Таким образом, при активации водяным паром с расходом 0,5-1 г/мин на 2,5 г образца температуру 750 °С и время 90 мин можно считать оптимальными условиями, обеспечивающими получение из карбонизованных акриловых отходов активного угля с наилучшими показателями.

Нистратов Алексей Викторович к.т.н., доцент кафедры промышленной экологии РХТУ им. Д. И.

Менделеева, Россия, Москва

Махорина Елена Сергеевна, студент 4 курса кафедры промышленной экологии РХТУ им. Д. И. Менделеева,

Россия, Москва

Клушин Виталий Николаевич д.т.н., профессор кафедры промышленной экологии РХТУ им. Д. И.

Менделеева, Россия, Москва

Литература

1. А.В. Нистратов, С.А. Алексеев, В.Н. Клушин. Оптимизация режима карбонизации акриловых текстильных отходов. Успехи в химии и химической технологии. М.: Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2015. Т. XXIX. № 8. С. 99-101.

2. Yen-Ju Su, Tes-Hao Ko, Jui-Hsiang Lin Preparation of Ultra-Thin PAN-Based Activated Carbon Fibers with Physical Activation // Journal of Applied Polymer Science 2008. 108, N 6, с. 3610-3617

3. Junfen Sun, Qingrui Wang Effects of Activation Temperature on the Properties and Structure of PAN-Based Activated Carbon Hollow Fiber // Journal of Applied Polymer Science 2006. 100, N 5, с. 3778-3783

4. P. H. WANG, Z. R. YUE, and J. LIU Conversion of Polyacrylonitrile Fibers to Activated Carbon Fibers: Effect of Activation // Journal of Applied Polymer Science 1996. 60, N 7, с. 923-929.

5. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 279 с.

Nistratov Alexey Viktorovich*, Mahorina Elena Sergeevna, Klushin Vitaly Nikolaevich

D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.

* e-mail: alvinist@yandex.ru

OPTIMIZATION OF ACTIVATION MODE OF THE ACRYLIC TEXTILE WASTE

Abstract

The influence of conditions of steam activation of acrylic fabrics carbonizates on the indexes of burn-off and pore

development of activates is studied. Mathematical models of these indexes are derived by the method of experiment

planning, and by means of the models optimal activation mode for maximal volume of sorbing pores of activate is selected.

Key words: polyacrylonitrile, waste, steam activation.