CC BY
12
УДК 661.183.2:631.561.72.544.723
Со Вин Мьинт, Нистратов А.В., Клушин В.Н.
ПОГЛОТИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА АКТИВНЫХ УГЛЕЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ КОЖУРЫ ПЛОДОВ ТАМАРИНДА И СКОРЛУПЫ КОКОСОВЫХ ОРЕХОВ МЬЯНМЫ, ПРИ АДСОРБЦИИ ПАРОВ ЛЕТУЧИХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ
Со Вин Мьинт, к.т.н., докторант; Нистратов Алексей Викторович, к.т.н., доцент; Клушин Виталий Николаевич, д.т.н., профессор; Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Россия, 125047, Москва, Миусская пл., д. 9.
Аннотация: Охарактеризованы тамаринд, опад его деревьев, компонент опада в виде плодов, условия получения из их кожуры углеродных адсорбентов и материальные балансы стадий пиролиза и активации водяным паром этого сырья. Структурно-адсорбционные свойства полученных адсорбентов сопоставлены со свойствами целевых продуктов аналогичной переработки скорлупы кокосовых орехов (СКО). На примере н-бутанола изучены кинетика и равновесие адсорбции при 20 °С его паров полученным из кожуры плодов тамаринда активным углем. Приведены равновесные показатели данного поглощения для углей СКО и БАУ.
Ключевые слова: кожура плодов тамаринда; углеродные адсорбенты; поглощение паров растворителей
ABSORPTION PROPERTIES OF ACTIVE CARBONS OBTAINED FROM THE PEEL OF TAMARIND FRUITS AND SHELLS OF MYANMAR COCONUT NUTS IN THE ADSORPTION OF VAPORS OF VOLATILE SOLVENTS
Saw Win Myint, Nistratov A.V., Klushin V.N.
Russian University of Chemical Technology named after D.I. Mendeleev, Russia, 125047, Moscow, Miusskaya square, 9.
Abstract: Tamarind, the litter of its trees, the litter component in the form of fruits, the conditions for obtaining carbon adsorbents from their peel, and the material balances of the stages of pyrolysis and activation by water vapor of this raw material are characterized. The structural and adsorption properties of the obtained adsorbents are compared with the properties of the target products of a similar processing of coconut shells (RMS). On the example of n-butanol, the kinetics and equilibrium of adsorption at 20 ° C of its vapor obtained from the peel of tamarind fruit with active carbon were studied. The equilibrium indicators of this absorption are given for the SKO and BAU coals. Key words: peel of tamarindfruit; carbon adsorbents; absorption of solvent vapors
Введение
Одной из насущных проблем настоящего времени является эффективная утилизация всевозможных отходов, образующихся в различных хозяйственных отраслях. К числу таких отходов, особенно в крупных городах центральных районов Республики Союз Мьянма, где низкая влажность, температура окружающей среды составляет от 29 до 40 °С и преобладает сухая ветреная погода, принадлежит опад плодов тамаринда (Tamarindus indica) - широко культивируемого с декоративными и иными целями долгоживущего вечнозеленого дерева семейства бобовых, высота которого достигает 20 м, а диаметр его раскидистой кроны -9 м. Плоды азиатского тамаринда (рис. 1) представляют собой относительно длинные стручки (содержащие от шести до 12 семян), тогда как африканские и западно-индийские сорта имеют более короткие стручки (содержащие от одного до шести семян) [1, 2].
Семена стручков несколько сплюснуты, имеют поверхность с глянцевым блеском и коричневый цвет. Плоды характеризует высокое содержание винной кислоты, витаминов группы В, сахара и, что необычно для фруктов, кальция, а также оригинальный кисло-сладкий вкус. Зрелое дерево может приносить до 175 кг плодов в год. Плоды
тамаринда широко используют в различных кухнях мира [1, 2].
Организованный уход за деревьями тамаринда и переработку их урожая сопровождает образование ряда видов отходов, представленных в основном опавшими и срезанными ветвями и их фрагментами, листвой, стволовой древесиной (обрезки, щепа, опилки), зрелыми, некондиционными и испорченными плодами, стручковыми оболочками и косточками. Опад плодов, часто не утилизируемый, при выделении из массы названных отходов может представлять собой весьма масштабный сырьевой источник для целесообразного производства технической ориентации в связи с тем, в частности, что согласно имеющимся литературным данным из отдельных компонентов таких и им подобных растительных отходов можно получать активные угли достаточно хорошего качества [3-8].
В доступных источниках научно-технической информации подобных данных относительно опада плодов тамаринда авторами не найдено, хотя родственность природы древесины, косточек плодов тамаринда и названного опада этих плодов представляет собой достаточно убедительное основание для организации и выполнения его изучения в качестве возможного сырья для получения углеродных адсорбентов типа активных углей.
Рис. 1. Плоды тамаринда
Экспериментальная часть
Данные термографического анализа отдельных составляющих представительных образцов плодов тамаринда, отобранных из опада этих деревьев на территории города Мопу№а округа Ба§ат§ Мьянмы и высушенных при 105 оС, в виде фрагментов цельных плодов, их кожуры, мякоти и семян, выполненного в
атмосфере баллонного азота [9, 10], наряду с имеющейся литературной информацией и адсорбционно-техническими свойствами целевых продуктов их термической переработки путем пиролиза каждого вида сырья и активации водяным паром его науглероженных остатков позволили заключить наибольшую рациональность
использования с указанной целью оболочек (кожуры) этих плодов.
Выполненными на установках лабораторного масштаба исследованиями установлены
рациональные условия реализации обеих операций термической переработки кожуры плодов тамаринда, представляющие совокупность (числитель - пиролиз, знаменатель - активация) интенсивности нагревания 10/5 °С/мин, предельной температуры 350/750 °С, длительности изотермической выдержки при ней 60/0 мин и непрерывной подачи водяного пара с удельным расходом 0/5 г на 1 г целевого продукта. Материальные балансы обоих процессов отражают данные таблицы 1.
Таблица 1. Материальные балансы процессов пиролиза и активации
Статьи прихода, % масс. Статьи расхода, % масс.
Пиролиз
Сырьё - 100 Карбонизат - 48,63 Конденсат - 36,20 Неконденсирующиеся газы - 15,17*
Активация
Карбонизат - 16,67 Водяной пар - 83,33 Активный уголь - 5,72 Конденсат - 73,12 Неконденсирующиеся газы - 21,16*
* по разности
Согласно данным таблицы 1 целевые продукты в обеих стадиях характеризуются меньшей долей в общей массе продуктов переработки, их выход сокращается при переходе от пиролиза к активации, а его итоговое значение по отношению к сырью близко 34 %.
Величины поглощения йода (Т) и красителя метиленового голубого (МГ) из их растворов, а также суммарного объема пор по воде (Ух) и объемов сорбирующих пор (У8) по парам бензола, четыреххлористого углерода и воды, выражающие адсорбционно-структурные свойства полученных из кожуры плодов тамаринда (КПТ) углеродных адсорбентов, в сопоставлении с таковыми поглотителей на базе скорлупы кокосовых орехов Мьянмы (СКО) [11-15] характеризуют данные таблицы 2, указывающие на вероятную возможность их эффективного использования в решении природоохранных задач очистки и обезвреживания
производственных выбросов и сбросов от загрязняющих органических примесей.
С целью оценки названной возможности применительно к извлечению паров летучих органических растворителей (ЛОР) из их паровоздушных смесей (ПВС) изучены кинетика и равновесие их адсорбции при 20 °С полученным из кожуры плодов тамаринда активным углем на примере н-бутанола.
На рис. 2 кинетические кривые фиксации паров н-бутанола при 22 оС из его ПВС активным углем, полученным из кожуры плодов тамаринда (а), сопоставлены с аналогичными для угля на основе скорлупы орехов кокоса, выращенных в Мьянме (б) [16], и угля на древесной основе марки БАУ-А российского производства (в) [17], а ансамбль кривых (г) выражает равновесие адсорбции в характеризуемых системах.
Таблица 2. Поглотительные свойства полученных в рациональных условиях карбонизатов (К) и активных
углей (А У), оцененные при 25 оС
Адсорбент J, МГ, Vx, Vs^3^
мг/г (%) мг/г см3/г СбНб CCL4 H2O
К КПТ 390,5 320,2 0,7 0,04 0,08 0,23
АУ КПТ 558,8 340,7 1,1 0,26 0,24 0,28
К СКО (40,3) 5,3 0,16 0,16 0,03 0,15
АУ СКО (62,0) 280,7 0,38 0,32 0,14 0,37
а,мг/г
200 у*" 1
150 (if 0,6
100 V _ 1 —1 ---- 0,4 ш— 0,2
50 V -
oJ 1 is
20 40 60 80 100 120
а
а, мг/г
200
150 1
^ ■ ■ 0,8
100
50
0
0 20 40 60 80 100 120 мин
в
б
а, мг/г СКО
200 —* КПТ
150 „-Л БАУ
100
50 1 к
0 Г
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 P/Ps
г
Рис. 2. Кинетика (а - в) и равновесие (г) адсорбции паров н-бутанола из их ПВС активными углями на базе кожуры плодов тамаринда (а), скорлупы кокосовых орехов (б) и древесины березы (в): числа у кривых -значения р/рв, удельный расход ПВС 2,5 л/(см2•мин), размер зерен 2,5-3,0 мм
Сопоставление данных рис. 2 (а-в) свидетельствует о лучшей кинетике, демонстрируемой углем КПТ в области р^ до ~0,6 и его поглотительной способности в этих условиях, превышающей этот показатель угля на кокосовой основе, что особенно важно при решении задач газоочистки, хотя выше указанного значения р^ величины поглощения несколько уступают углю СКО. Для угля марки БАУ на основе древесины березы (рис. 2 в и г) эти величины существенно уступают таковым углей КПТ и СКО.
Таким образом, результаты выполненного исследования указывают на весьма
удовлетворительные поглотительные свойства полученного угля КПТ в характеризуемом процессе,
свидетельствуя о его конкурентоспособности по сравнению с углем СКО, полученным из сырья Мьянмы.
Список литературы
1. Тамаринд [Электронный ресурс] - URL: wikipedia.org/wiki/ (дата обращения 23.01.2020).
2. Healthline Journal. Tamarind [Электронный ресурс] - URL: https://www.healthline.com/nutrition/tamarind (дата обращения 20.07.2016).
3. Hasan Saygili, Fuat Gtizel. High surface area mesoporous activated carbon from tomato processing solid waste by zinc chloride activation: process optimization, characterization and dyes adsorption //
Journal of Cleaner Production, 2016, Volume 113, 1 February, рр. 995-1004.
4. Nour T. Abdel-Ghani, Ghadir A. El-Chaghaby, Mohamed H. El-Gammal, El-Shaimaa A. Rawash. Optimizing the preparation conditions of activated carbons from olive cake using KOH activation // New Carbon Materials, 2016, Volume 31, Issue 5, October, рр. 492-500.
5. George Z. Kyzas, Eleni A. Deliyanni, Kostas A. Matis. Activated carbons produced by pyrolysis of waste potato peels: Cobalt ions removal by adsorption // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2016, Volume 490, 5 February, рр. 74-83.
6. Roozbeh Hoseinzadeh Hesas, Arash Arami-Niya, Wan Mohd Ashri, Wan Daud, Sahu J.N. [Электронный ресурс] // Получение и характеристика активированного угля из яблочных отходов активацией фосфорной кислотой при помощи СВЧ: применение в адсорбции метиленового синего - URL: https://bioresources.cnr.ncsu.edu/BioRes
08/BioRes 08 2_2950 Hesas AWS
Prep Charac Carbon Apple Methylene Blue 3852.pdf (дата обращения: 18.10.2019).
7. Characterization and Properties of Activated Carbon Prepared from Tamarind Seeds by KOH Activation for Fe III Adsorption from Aqueous Solution [Электронный ресурс] - URL: https://www.researchgate.net/ publication/284797259 (дата обращения 09.09.2015).
8. Sahu J.N., Acharya Jyotikusum, Sahoo B.K., Meikap B.C. Optimization of lead (II) sorption potential using developed activated carbon from tamarind wood with chemical activation by zinc chloride // Desalination and Water Treatment, 2016, Vol. 57, Issue 5, pp. 20062017.
9. Со Вин Мьинт, Нистратов А.В., Клушин В.Н. Оптимизация условий пиролиза оболочек плодов тамаринда / Труды 8-й Всероссийской конференции «Актуальные вопросы химической технологии и защиты окружающей среды», г. Чебоксары, 1617.04.2020, с. 70-71.
10. Со Вин Мьинт, Жуков А.В., Клушин В.Н. Термографическое исследование компонентов плодов тамаринда. / Междунар. н/пр. конф-я «Экологическая, промышленная и энергетическая
безопасность - 2020», 21-24.09.20, г. Севастополь, СГУ, с. 523-527.
11. Со Вин Мьинт, Си Тху Аунг, Клушин В.Н. К оценке рациональных условий переработки на углеродные адсорбенты шелухи риса и скорлупы кокосовых орехов республики Мьянма / Труды Х международного конгресса молодых ученых по химии и химической технологии, М: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2014, т. XXVIII, № 5, с. 8-10.
12. Со Вин Мьинт, Си Тху Аунг, Клушин В.Н. Растительные отходы республики Союз Мьянма как сырье для получения наноструктурированных адсорбентов / Труды всероссийской молодежной конференции «Химическая технология функциональных наноматериалов», М: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2015, т. 29, № 9, с. 97-99.
13. Со Вин Мьинт, Си Тху Аунг, Клушин В.Н. Технические характеристики углеродных адсорбентов, получаемых переработкой методом парогазовой активации шелухи риса и скорлупы кокосовых орехов республики Мьянма // Успехи в химии и химии-ческой технологии, 2015, том ХХ1Х, № 8 (167), с. 77-78.
14. Клушин В.Н., Нистратов А.В., Со Вин Мьинт, Си Тху Аунг. Оценка качества отходов переработки риса и кокосовых орехов в республике Мьянма как сырья для производства активных углей // Химическая промышленность сегодня, 2016, № 2, с. 20-25.
15. Со Вин Мьинт, Си Тху Аунг, Нистратов А.В., Клушин В.Н., Киреев С.Г., Мухин В.М. Эволюция пористой структуры карбонизата кокосового ореха при активации // Сорбционные и хроматографиические процессы. 2016, т. 16, № 5, с. 280-284.
16. Наинг Линн Сое, Зин Мое, Со Вин Мьинт, Мин Тху, Мьят Мин Тху, Нистратов А.В., Клушин В.Н. Углеродные адсорбенты на базе растительных отходов Мьянмы как средства очистки производственных выбросов и сбросов // Сорбционные и хроматографические процессы, 2019, т. 19, № 5, с. 574-581.
17. Зенькова Е.В., Осипова А.В., Клушин В.Н. Равновесие сорбции н-бутанола из его паровоздушных смесей активными углями различных марок // Успехи в химии и химии-ческой технологии, 2016, том ХХХ, № 9 (178), с. 62-63.
