CC BY
13
УДК 661.183.2
Ву Ким Лонг, Тхи Тхо Хоанг, Нистратов А.В., Клушин В.Н.
ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ВЫСОКОПОРИСТЫХ АКТИВНЫХ УГЛЕЙ ИЗ ОТХОДОВ ОРГАНОПЛАСТИКОВ
Ву Ким Лонг*, аспирант кафедры промышленной экологии; e-mail: relation.kl@gmail.com* Тхи Тхо Хоанг, магистратура кафедры промышленной экологии; Нистратов Алексей Викторович, к.т.н., доцент кафедры промышленной экологии; Клушин Виталий Николаевич, д.т.н., профессор кафедры промышленной экологии.
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, 125047, Москва, Миусская пл., д. 9.
Исследовано влияние дозы углеродного волокна (в роли армирующего компонента) на прочность гранул активных углей на основе отходов органопластиков. Показано, что армированные гранулированные активные угли имеют не только увеличенную прочность, но и сохраняют высокую пористость.
Ключевые слова: отходный органопластик; химическая активация; высокопористый активный уголь; пористая структура; углеродное волокно; прочность
IMPROVING THE STRENGTH OF HIGH-POROUS ACTIVE CARBONS FROM WASTE ORGANOPLASTIC
Vu Kim Long, Hoang Thi Tho, Nistratov A.V., Klushin V.N.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The effect of carbon fiber dose (as a reinforcing component) on the strength of activated carbon granules based on organic plastic wastes was investigated. The results of laboratory tests showed that the active carbons obtained by this method not only increase the strength, but also retain a high porosity.
Key words: waste organic plastic; chemical activation; high-porous activated carbon; porous structure; carbon fiber; strength.
Одним из перспективных решений для утилизации отходов изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе органопластиков (ОП) является метод химической активации с гидроксидом калия [1-3]. В сочетании с процедурой грануляции сырья этим методом получены гранулированные активные угли (ГАУ) весьма высокого качества, что расширяет области их применения, однако их недостатком является относительно невысокая (на уровне 60 %) прочность при истирании [4].
В этой связи в настоящем исследовании в процессе грануляции к сырьевой пасте добавлено углеродное волокно (в роли армирующего компонента), полученное путём прокаливания отходов углепастиков при 800 0С в течение 1 ч [5]. Цель настоящего исследования -выявить связь добавки этого наполнителя с прочностью ГАУ при сохранении его свойств как адсорбента.
Приготовление образцов ГАУ осуществляли по следующей процедуре. Фрагменты отходов ткани из органопластика (препрега) О-2 размером ~2х2 см пропитывали в течение 3 ч 40 %-ным раствором КОН с обеспечением отношения масс сырья и KOH, равным 1:1,6, продукт пропитки высушивали в сушильном шкафу при 110±5 °С до постоянной массы. Высушенный импрегнат измельчали в порошок с
размером частиц < 0,5 мм. К этому сырью при температуре 80-90 оС добавлено 22 % по его массе каменноугольной смолы (КУС) и от 0,5 до 1,8 % масс. названного армирующего компонета. Приготовленную пасту путем прессования в пластиковом шприце превращали в гранулы диаметром 10 и длиной 10 мм. Сырые гранулы подсушивали на воздухе в течение 2 суток, после чего подвергали пиролизу со скоростью нагревания 15 °С/мин до 780 °С и выдержкой при этой температуре в течение 1 ч. Полученный продукт промывали дистиллированной водой до рН~8, после чего вновь высушивали при 110±5 °С до постоянной массы и оценивали его свойства (табл. 1).
Пористая структура полученных ГАУ оценена путем измерения объёмов пор разных размеров (метод «молекулярных щупов») и суммарнного объёма пор (кипячение в воде), а прочность при сжатии измерена с помощью испытательной машины AGS-X. Согласно результатам, охарактеризованным в таблице 1, очевидно, что объёмы микро- и мезопор мало зависят от массы добавки волокна. Это свидетельствует о практической сохранности важнейших поглотительных свойства адсорбентов. Практически важна и полученная закономерность изменения значения прочности на сжатие гранул адсорбентов (рис. 1).
Таблица 1. Свойства активных углей на основе органопластика при разных дозах армирующего компонета
Характеристика активных углей Номер образца
1 2 3 4 5
Доза добавки волокна к сырьевой композиции, % 0 0,5 1 1,5 1,8
Суммарный обьём пор по воде, см3/г 2,56 2,35 2,48 2,39 2,36
Объём сорбирующих пор по парам, см /г: H2O 0,306 0,380 0,370 0,336 0,290
C6H6 0,548 0,432 0,459 0,462 0,402
CCl4 0,363 0,338 0,312 0,337 0,271
Средняя прочность при сжатии, Н/мм2 0,384 0,825 1,282 0,314 -
1.4
I и
о. с
Л "Ч 1
S \
ii м
üb
a s
с s
К ri
и X
5 3 р.4
и 0.2 О
0 0.2 0.4 0.6 0.« 1 1.2 1.4 1.6 ДойьГШ валйкнз к сыр у гю и композиции, %
Рис. 1. Зависимость прочности при сжатии от доза волокна
Приведеная информация свидетельствует, что максимальную прочность при сжатии обеспечивает
армирование добавкой 1 % масс. вторичного углеродного волокна (в 3 раза больше, чем у образца без добавок). Для дальнейшего изучения качества армированного образца активного угля проведен анализ их адсорбционной способности по йоду и метиленовому голубому. Полученные результаты, соответственно, составляют 1200 мг/г и 354 мг/г по сравнению со 1208 мг/г и 356 мг/г у образца без добавок армирующего компонента, что подтверждает сделанное выше заключение. По данным метода сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), выполненной в ЦКП РХТУ имени Д.И. Менделеева, разрешение х5000 показывает аналогичную структуру поверхности активного угля с добавкой 1% волокон (рис. 2е) и без добавки (рис. 2в).
Рис. 2. Фотографии поверхности с разрешением x1, x1000 и x5000 активного угля с армированием добавкой 1% волокон
(соответственно г, д, е) и без добавок (соответственно а, б, в)
Следует отметить, что углеродные волокна внутри гранулы угля (рис. 2е) частично покрыты углеродным веществом, образованным из каменноугольной смолы, что обусловливает не только высокую структурную прочность, но, вероятно, и химическую связь этого вещества с углеродной матрицей.
Таким образом, добавление небольшого количества углеродного волокна (1% масс) значительно увеличивает прочность гранул при сжатии (примерно в 3 раза), но характерные адсорбционные свойства активного угля практически не изменятся. Эти обстоятельства указывают на перспективность совершенствования качественных свойств активного угля на основе отходов органопластиков охарактеризованным способом.
Список литературы
1. Храмова Г.Б. Разработка технологии получения активных углей из отходных органопластиков. Дисс. к.т.н. М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1992.
2. Li M, Li W, Liu S (2011) Hydrothermal synthesis, characterization, and KOH activation of carbon spheres from glucose. Carbohydr Res 346(8):999-1004
3. Петров А.В., Дориомедов М.С., Скрипачев С.Ю. Технологии утилизации полимерных композиционных материалов (обзор) // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн., 2015. - №8. - С. 09. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 07.09.2016).
4. Мухин В. М. и др. Активные угли. Эластичные сорбенты. Катализаторы, осушители и химические поглотители на их основе: Каталог/Под общ. ред. В. М. Мухина. - М.: Издательский дом «Руда и металы», 2003. - 208 с.
5. Ву Ким Лонг, Нистратов А.В., Клушин В.Н. Оценка целесообразности переработки отходов угле- и органопластиков в углеродные адсорбенты// Успехи в химии и химической технологии. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2017. Т. XXXI. № 9. С. 51-53.
