CC BY
61
УДК 661.183.2
В. М. Мухин*, А. А. Курилкин*, Н.Л. Воропаева**, В.В. Гурьянов*, В.В. Карпачёв**, К.В. Лексюкова*
*Открытое акционерное общество «Электростальское научно-производственное объединение «Неорганика», Электросталь, Россия, 144001, Электросталь, Московская область, ул. К. Маркса, д. 4
e-mail: neorg.el@mail.ru
** Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт рапса Федерального агентства научных организаций», Липецк, Россия, 398037, г. Липецк, Боевой проезд, д.26,
e-mail: bionanotex l@mail.ru
ПОЛУЧЕНИЕ АКТИВНЫХ УГЛЕЙ ИЗ ПЕРВИЧНЫХ ОТХОДОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
Наличие огромного количества отходов растительного происхождения, в том числе ежегодно возобновляемых, представляет высокий инновационный ресурс для получения разнообразной полезной продукции большой и малотоннажной химии. Переработка соломы сельскохозяйственных культур в активные угли (АУ), которые с успехом применяются в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, - одно из возможных направлений использования отходов агропромышленного комплекса (АПК) для получения новых функциональных материалов со специфическими свойствами.
В работе представлены исследования по изучению физико-химических свойств и структурных характеристик активных углей, полученных на основе соломы пшеницы, ржи, овса, рапса и других сельскохозяйственных культур, и рассмотрены перспективы их применения для решения важнейших задач АПК.
Ключевые слова: активные угли, физико-химические функциональные материалы, детоксикация почв.
В настоящее время вопросы защиты окружающей среды и экологической безопасности приобретают всё более важное значение во всех странах мира. Особо остро эти вопросы стоят перед странами с интенсивно развивающейся промышленностью и большим агрономическим потенциалом. При этом важно не только разрабатывать эффективные технологии
предотвращения экоцида, но и создавать материалы с заданным комплексом свойств для их реализации. Как известно, активные угли являются универсальными сорбционными материалами, применяемыми во многих сферах человеческой жизнедеятельности: в промышленности, сельском хозяйстве, военно-промышленном комплексе, медицине, водоподготовке, производстве
экологически чистой продукции, и т.д. Благодаря своим уникальным сорбционным свойствам они позволяют решать многие промышленные и экологические задачи, в некоторых случаях снижая экономические затраты [1].
На протяжении всей своей истории Россия была страной с развитым аграрным сектором. Сельское хозяйство вносило и вносит существенный вклад в экономическую и социальную жизнь русского общества. На сегодняшний день на планете, и в России в том числе, ежегодно образуется огромное количество возобновляемых растительных отходов и продуктов переработки углеродсодержащего сырья, в том числе, соломы сельскохозяйственных культур и переработки древесины, достигающее сотен миллионов тонн в год [2, 3].
свойства, возобновляемое растительное сырьё, новые
Так, в России потребление соломы в сельском хозяйстве в качестве корма и подстилки для животных, теплоизолятора, кровельного материала, источника удобрений и в других целях снизилось во много раз пропорционально сокращению поголовья скота, а также в связи с появлением новых технологий в животноводстве и сельскохозяйственном производстве в целом. Вместе с тем, объёмы производства зерна постепенно нарастают, поэтому растёт и производство соломы (в нашей стране за год накапливается более 100 млн.т соломы одних только злаковых и крупяных культур). Возникает необходимость рационального решения проблемы утилизации растительных сельскохозяйственных отходов с получением полезной продукции, поскольку в настоящее время их либо используют как источник биотоплива, либо запахивают в землю как дополнительный источник удобрений [4].
Целью проведённых нами исследований было получение АУ из соломы ряда сельхозяйственных культур: пшеницы, ржи, овса, рапса и др., посевы которых в России расширяются ежегодно, что открывает огромные перспективы для получения новых функциональных материалов со специфическими свойствами различного назначения.
Методика исследований.
Солому измельчали, загружали в стальную реторту, которую закрывали крышкой с отводами и помещали в электропечь, подавая в реторту азот для создания инертной атмосферы. Реторту нагревали со скоростью подъёма температуры 5-7 °С/мин до 450500 °С и выдерживали при конечной температуре
карбонизации в течение 30-60 мин. После завершения процесса карбонизации реторту охлаждали до комнатной температуры, выгружали карбонизат, определяли выход продукта и проводили его исследование.
Затем переводили реторту в режим активации. В ней шёл процесс активации карбонизата перегретым водяным паром при температуре 820-
Выход активных углей составил 3-17%, влажность 1-8%, выход летучих веществ 8-21%.
Как следует из приведённых в таблице данных, структура и свойства полученных активных углей из соломы различных сельскохозяйственных культур, разнообразны. Тем не менее, исходя из полученных данных, можно сделать некоторые выводы:
а) отмечается низкая насыпная плотность - до 140 г/дм3, что говорит о большой пористости данных сорбентов (см. пункт б);
б) суммарный объём пор полученных образцов - не менее 2,25 см3/г, самый высокий у образцов из соломы рапса, горчицы белой и овса -около 4,00 см3/г, однако это не свидетельствует об их самой высокой сорбционной способности;
в) объём сорбционного пространства выше всего у образцов из соломы пшеницы, рыжика и ржи (более 0,60 см3/г);
г) отмечается разная тенденция полученных образцов активных углей в отношении адсорбционной способности по йоду и по метиленовому голубому - у одних выше первый
850 °С. Пар подавали с расходом 3-5 кг на 1 кг карбонизованного продукта. После завершения активации ретортную печь охлаждали до комнатной температуры, выгружали полученный активный уголь и определяли его адсорбционную способность и другие физико-химические показатели (см. таблицу).
показатель, у других - второй, однако можно заключить, что адсорбционная способность полученных сорбентов по йоду и метиленовому голубому достаточна для их использования в детоксикации почв сельхозугодий от остатков пестицидов и других токсических веществ, в детоксикации комбикормов, для предпосевной обработки семян и в других агротехнологиях.
Принимая во внимание, что проблема загрязнения земель в России и других развивающихся странах стоит очень остро, в рамках научно-технических договоров о сотрудничестве между ОАО «ЭНПО «Неорганика» (г. Электросталь, Московская область), ФГБНУ «ВНИИ рапса ФАНО» (г. Липецк) и ОАО «ФБГНУ «ВНИИ фитопатологии ФАНО» (г. Голицыно, Московская область) намечено проведение в лаборатории искусственного климата испытания полученных активных углей в углеадсорбционной детоксикации почв от остатков различных гербицидов; для снятия пестицидной нагрузки при проведении селекционного процесса; при предпосевной обработке семян в составе (нано)чипов.
Таблица - Характеристика активных углей из соломы сельскохозяйственных культур
Образец соломы Суммарный объём пор, Объём сорбционного Насыпная плотность, Адсорбционная способность по: Зола общая, %
см3/г пространства, см3/г г/дм3 йоду, % метиленовому голубому, мг/г
1. Рапс 4,14 0,28 135 39 87 16,5
2. Рыжик 2,435 0,69 140 23 29 15,6
3. Редька 2,55 0,20 131 31 69 26,2
4. Соя 2,27 0,51 108 49 61 30,8
5. Ячмень 3,53 0,44 60,5 43 37 31,2
6. Пшеница 3,61 0,73 66,5 64 52 12,2
7. Рожь 3,42 0,62 70,0 52 49 14,7
8. Овёс 3,97 0,44 72,5 50 44 28,2
9. Клевер 2,61 0,51 121 33 47 24,8
10. Сурепица 2,28 0,57 135 62 73 22,1
11. Горчица белая 4,00 0,45 60,9 50 64 24,4
12. Горчица 2,81 0,57 111 56 67 27,3
сурепская
13. Нигер 2,45 0,27 106 44 58 33,6
14. Амарант 2,45 0,17 136 46 34,9 20,7
15. Топинамбур 3,00 0,12 95,3 58 18,1 8,4
Мухин Виктор Михайлович, доктор технических наук, профессор, начальник лаборатории активных углей, эластичных сорбентов и катализаторов ОАО «Электростальское научно-производственное объединение «Неорганика», Россия, Электросталь, профессор кафедры промышленной технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Курилкин Александр Александрович, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории активных углей, эластичных сорбентов и катализаторов ОАО «Электростальское научно-производственное объединение «Неорганика», Россия, Электросталь
Воропаева Надежда Леонидовна, доктор химических наук, профессор, главный научный сотрудник ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт рапса ФАНО», Липецк, Россия
Гурьянов Василий Васильевич, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории активных углей, эластичных сорбентов и катализаторов ОАО «Электростальское научно-производственное объединение «Неорганика», Россия, Электросталь
Карпачёв Владимир Владимирович, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, директор ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт рапса ФАНО», Липецк, Россия
Лексюкова Клавдия Васильевна, старший лаборант лаборатории активных углей, эластичных сорбентов и катализаторов ОАО «Электростальское научно-производственное объединение «Неорганика», Россия, Электросталь
Литература
4. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. - М.: Химия, 1976. - 511 с.
5. Мухин В.М., Тарасов А.В., Клушин В.Н. Активные угли России. - М.: Металлургия, 2000. - 352 с.
6. Мухин В.М., Клушин В.Н. Производство и применение углеродных адсорбентов. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012. - 308 с.
7. Мухин В.М., Воропаева Н.Л., Спиридонов Ю.Я., Гурьянов В.В., Киреев С.Г., Курилкин А. А. Активные угли из соломы сельскохозяйственных культур и перспективные области их применения// Материалы Всероссийской конференции с международным участием и симпозиума «Актуальные проблемы теории адсорбции, пористости и адсорбционной селективности». 14-18 апреля 2014 г., Москва-Клязьма. РАН - ИФХЭ - РАН. М. - 2014.
Mukhin Victor Mikhailovich*, Kurilkin Alexander Alexandrovich*, Voropaeva Nadezhda Leonidovna**, Guryanov Vasiliy Vasilyevich*, Karpachev Vladimir Vladimirovich**, Leksyukova Klavdiya Vasilyevna*
* Joint stock company "Elektrostal scientific-production enterprise "Neorganika", t. Elektrostal, Russia 4 K. Marx st., Elektrostal, 144001 e-mail: neorg.el@mail.ru
** Federal State Budget Scientific Institution "All-Russian Scientific-Research Institute of rape of Federal Agency of Scientific Organizations", Lipetsk, Russia
26 Boevoi passage, Lipetsk, 398037
e-mail: bionanotex l@mail.ru
THE RECEIVING OF ACTIVE CARBONS ON BASIS OF PRIMARY WASTES OF AGRICULTURAL CROPS AND THEIR APPLICATION OUTLOOK
Abstract. The abundance of plant-originated wastes, including renewal yearly, is the high innovated source to receive an useful products of large and little tonnage chemistry. The agricultural crops' straw producing into active carbons (AC) applicable with success in different fields of the industry and the agriculture is one of possible directs to use the agro-industrial complex (AIC) wastes for new functional materials with specific properties production.
Active carbons produced on basis of straw of wheat, rye, oats, rape and other agricultural crops are presented in the work. The investigation results of their physical and mechanical and structural properties are the evidence of their application large outlook to solve the most important AIC problems.
Key words: active carbons, physical and mechanical properties, renewal plant raw material, new functional materials, soil detoxication.
