CC BY
59
приемлемого состава рекомендована композиция К-ФС3, характеризующаяся обменной ёмкостью 1,23 мг-экв/г при степени отверждения 94,6% и превосходящая стандартный фенолформальдегидный катионит по СОЕ на 23% (рис.2).
98
12 3 12 3
Рис. 2 Свойства катионитов: 1 - катионит КУ-1; 2- синтезированный в лабораторных условиях катионит; 3 -катионит на основе фенольной смолы К-ФС 3.
Таким образом, показана принципиальная возможность использования фенольной смолы в технологии синтеза фенолформальдегидного катионита.
Список литературы
1. Сангалов, Ю.А. Проблема рационального использования фенольной смолы / Ю.А. Сангалов и др.// Хим. промышленность, 1997.- №4. - С.3-13.
2. Жарова, М.Н. / М.Н.Жарова, В.В. Суровцева// Хим. промышленность, 1962.-№2.- С. 12.
3. К1е88Ип§ Б.// I. Ргай. СЬеш.. 1970. V. 312. № 2. с.397.
4. Бочаров, Ю Н. // Журнал ВХО им. Менделеева, 1961.-Т.6.-№1.- С.74.
УДК 66.01-52
С.М. Шмелева, Т.П. Кравченко, В.М Мухин*, К.В. Лексюкова*
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия * Электростальское НПО «Неорганика», Электросталь, Россия
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ АКТИВНЫХ УГЛЕЙ
The ways of carbon composite materials pore structure were examined. It is established that one of the effective methods of active carbons quality improvement is their modification by polymers. It is ascertained that industrial carbon АГ-3 impregnation with e-kaprolactam, polymethylmetakrylate and following heat treatment results in micro pore volume growth for 36-45%.
Рассмотрены пути совершенствования пористой структуры углеродных композиционных материалов. Показано, что одним из эффективных методов повышения качества активных углей является их модифицирование полимерами. Установлено, что пропитка промышленного угля АГ-3 е-капролактамом, полиметилметакрилатом с последующей термической обработкой приводит к увеличению объема микропор на 36-45 %.
В настоящее время углеадсорбционные технологии широко используются в различных областях науки и техники. Расширение масштабов применения и совершенствование таких технологий, как правило, обусловлено достаточно жесткими требованиями к пористой структуре используемых активных углей, а именно: по однородности микропористой структуры и максимальному объему микропор.
Активные угли являются высокопористыми углеродными телами (удельная поверхность ~500-2000 м2/г), синтезируемыми термической обработкой углеродсодержащего сырья, называемой активацией. Они принадлежат к группе графитовых тел и представляют собой, также как и сажи, разновидность микрокристаллического углерода. Этим материалам свойственно так называемое турбостратное строение, выражающееся в отсутствии трехмерной упорядоченности графитовых слоев. Данные рентгенографических исследований свидетельствуют, что зародыши кристаллической решетки графита возникают уже на начальных стадиях активации, хотя между структурами активных углей и графита имеются существенные различия. Графитоподобные кристаллиты активных углей, как и таковые графита, состоят из плоскостей протяженностью 2-3 нм, образованных шестичленными кольцами. Однако типичная для графита ориентация относительно друг друга отдельных плоскостей решетки здесь нарушена: в активных углях такие плоскости (слои) сдвинуты относительно друг друга и не совпадают в направлении, перпендикулярном плоскости слоев. Кроме того, расстояние между слоями больше, чем у графита (0,335 нм) и составляет 0,344-0,365 нм. Размер кристаллитов в плоскости слоев обычно составляет 2,0-2,5 нм, хотя бывает и большим. Высота же пачки слоев находится в пределах 1,0-1,3 нм, что указывает на наличие 3-4-х параллельных углеродных слоев в графитоподобных кристаллитах активных углей.
Помимо охарактеризованных кристаллитов, активные угли согласно данным рентгеновского анализа содержат от одной до двух третей аморфного углерода. Кроме углерода, в углеродной матрице активных углей присутствуют гетероатомы, в том числе кислород. Различные свойства активных углей (поглотительные, механические, теплофизические и т.д.) меняются в довольно широких пределах в зависимости от способа синтеза, который определяет степень регулярности, характер дефектности структуры и состояние поверхности этих продуктов. Вместе с тем, несмотря на различия, связанные с приемами синтеза или специально ими обусловленные, хорошо проактивированные угли характеризуются определенными общими свойствами [1].
Выпускаемые в промышленном масштабе активные угли на каменноугольной основе типа АГ и АР для реализации в современных технологических процессах обладают следующими недостатками: - низкий объем микропор (0,20-0,25 см3/г); -широкое распределение пор по размерам с большой долей макропор (0,4-0,5 см3/г).
В настоящей работе была предпринята попытка устранить оба этих недостатка путем модификации активных углей полимерами, которое включает в себя введение полимера в матрицу - активный уголь с последующей термической обработкой. С одной стороны, такой технический прием позволит заполнить балансные макропоры углеродсодержащим материалом, имеющим регулярную структуру, а с другой стороны, при повторной карбонизации и активации будет развиваться дополнительный объем микропор. Известны работы по использованию различных полимерных материалов, как для получения новых сорбентов, так и для улучшения качества уже имеющихся углей [2,3]. Например, в работе [2] сорбировали активный уголь из 1%-ного водного раствора капролактама в соотношении (активный уголь):(раствор капролактама) 1:100 в течение 24 часов. Потом полученный образец карбонизовали до температуры 900°С в среде инертного газа со скоростью подъема температуры 5-7°С/мин. Полученный остаток активировали водяным паром в массовом соотношении (углеродный остаток):(вода) 1:2 при температуре 900°С.
Объектами исследования были выбраны образцы имеющие в качестве матрицы гранулы промышленного активного угля АГ-3, производства ОАО "Сорбент", который получали по стандартной технологии. Характеристики использованного угля приведены в таблице 1.
В качестве модифицирующего материала были взяты следующие полимеры: е-капролактам и полиметилметакрилат. Е-капролактам получают методом синтеза капролак-тама из толуола, циклогексана и капролактона, хорошо растворяется в воде и органических
растворителях. Температура плавления 68-70°С, температура кипения 262°С. По-лиметилметакрилат получают радикальной полимеризацией метилметакрилата в масле или суспензии; это - термопластичный полимер, температура стеклования 115-120°С, оптически прозрачен, растворяется в собственном мономере и других сложных эфирах, ароматических углеводородах, устойчив в разбавленных растворах кислот и щелочей.
Таблица 1. Характеристика АГ-3
Массовая доля остатка на сите с отверстиями 1,5 мм Массовая доля остатка на сите с отверстиями 1,0 мм Прочность на истирание, % не менее Суммарный объем 3 пор по воде, см /г Динамическая активность по бензолу, мин., не менее
86 10 75 0,7-0,8 40
Эти свойства создают предпосылки для разработки технологичных технических приемов модифицирования исходного активного угля. Методика эксперимента была следующей. В настоящей работе для введения полимера в матрицу использовался прием однократной пропитки исходного активного угля раствором е-капролактама или полиметилметакрилатом. Полимер растворяли в воде или в органическом растворителе и пропитывали таковым активный уголь объемом, равным суммарному объему пор, измеренному по методике [4]. После вылеживания в течение суток образцы просушивали при температуре 100-105 °С, карбонизовали при температуре 450 °С в среде инертного газа со скоростью подъема температуры 25-30 °С/мин и активировали в присутствии водяного пара при температуре 850 °С в течение 5-6 часов.
Таблица 2. Сорбционные показатели активных углей
№ Образцы Объем пор, см3/г Насыпная плотность, г/дм3
Суммарный Микро
1 АГ-3 0,75 0,22 500
2 АГ-3 + е-капролактам 0,88 0,32 472
3 АГ-3 + полиметилметакрил 0,82 0,30 480
Как свидетельствуют результаты, приведенные в таблице 2, введение полимера в активный уголь АГ-3 после однократной пропитки приводит к возрастанию как суммарного объема, так и объема микропор. При этом наибольший эффект наблюдается в случае е-капролактама.
Таким образом, нами получены новые композиционные сорбционные материалы "активный уголь-полимер", имеющие объем микропор на 36-45 % больше, чем исходная матрица. В то время как в работе [2] даже после трехкратного модифицирования активного угля достигнуто увеличение объема микропор только на 15 %. Причинами этого могут быть: различие в методе введения полимера, а также скорости подъема температуры при карбонизации. Новые модифицированные угли могут быть использованы в различных областях, а именно: санитарная очистка отходящих газов, рекуперация растворителей, получение защитных атмосфер.
Список литературы
1. Мухин, В.М. Активные угли России/ В.М. Мухин, А.В.Тарасов, В.Н.Клушин.- М.: Металлургия, 2000.-352с.
2. Астракова, Т.В. Адсорбционные свойства модифицированного активного угля/ Т.В.Астракова//Вестн.КузГТУ, 2004.- № 6(1).- С.130-132.
3. Гладкова, О.С. Адсорбционные характеристики модифицированных активных углей/ О.С.Гладкова, Н.Ю.Шишлянникова, Ю.В.Соловьева, Ю.Ф.Патраков//Вестн.КузГТУ, 2005. -№ 6. -С.83-84.
4. ГОСТ 17219-71 Метод определения суммарного объема пор.
