Научная статья на тему 'Синтез магнитовосприимчивых адсорбентов на основе гидролизного лигнина с использованием оксида железа(III)'

Синтез магнитовосприимчивых адсорбентов на основе гидролизного лигнина с использованием оксида железа(III) Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
211
48
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГИДРОЛИЗНЫЙ ЛИГНИН / МАГНИТОВОСПРИИМЧИВЫЙ АДСОРБЕНТ / MAGNETO-SUSCEPTIBLE ADSORBENT / ОКСИД ЖЕЛЕЗА(III) / ПОРИСТАЯ СТРУКТУРА / POROUS STRUCTURE / АДСОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА / ADSORPTION PROPERTIES / HYDROLYTIC LIGNIN / IRON(III) OXIDE

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Архилин М. А., Богданович Н. И., Ефремова С. В.

Адсорбционные методы являются одними из наиболее распространенных при разделении химических веществ, однако внедрение адсорбционных технологий разделения сдерживается рядом факторов. Использование порошковых адсорбентов, обладающих магнитными свойствами, позволит интенсифицировать процессы адсорбции и отделения адсорбента от очищаемой фазы. Предлагаемые в настоящее время способы синтеза магнитовосприимчивых адсорбентов в большинстве своем многостадийны, сложны и дорогостоящи. Цель исследования разработка простого и недорогого способа их синтеза путем пиролиза с использованием в качестве углеродсодержащего сырья гидролизного лигнина крупнотоннажного отхода гидролизных производств, а в качестве активирующего агента и источника магнитных форм железа оксида железа(III). Синтез адсорбентов проводился методом планированного эксперимента. Изучалось влияние условий синтеза (содержание оксида железа(III) в исходной смеси, температура, продолжительность пиролиза) на свойства получаемых продуктов, определялись адсорбционная активность адсорбентов по метиленовому голубому и по иоду, относительная магнитная восприимчивость, а также параметры пористой структуры адсорбентов (суммарный объем сорбирующих пор, объем микрои мезопор). Пористую структуру исследовали методом низкотемпературной адсорбции азота. По адсорбционным показателям полученные магнитовосприимчивые адсорбенты превосходят ближайшие аналоги: максимальная адсорбционная активность по метиленовому голубому 316 мг/г, что почти в 1,5 раза выше требований ГОСТ 4453-74 к осветляющему углю марки ОУ-Б; максимальная адсорбционная активность по иоду 1290 мг/г, что в 2 раза выше требований ГОСТ 6217-74 к активному углю БАУ-А; относительная магнитная восприимчивость в среднем в 2 раза выше, чем у магнетита; максимальный объем сорбирующих, микрои мезопор соответственно 0,200; 0,076 и 0,113 см3/г. Таким образом, адсорбенты, синтезированные по предложенному нами способу, показали хорошие адсорбционные и магнитные свойства и могут найти широкое применение в науке и технике. Кроме того, промышленное производство магнитовосприимчивых сорбентов на основе гидролизного лигнина позволит увеличить рентабельность гидролизных производств за счет выпуска ценного продукта и в некоторой мере решить проблему утилизации отвалов лигнина.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Архилин М. А., Богданович Н. И., Ефремова С. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Synthesis of Magneto-Susceptible Adsorbents on the Basis of Hydrolytic Lignin Using Iron(III) Oxide

Adsorption methods are one of the most common ways of chemical separation. The introduction of adsorption separation technologies is constrained by a number of factors. The use of powder adsorbents, which possess magnetic properties, will allow intensifying the processes of adsorption and separation of the adsorbent from the phase to be purified. The modern methods for synthesizing magneto-susceptible adsorbents are mostly multi-stage, complex and expensive. The goal of research is to develop a simple and inexpensive way for their synthesis by pyrolysis using hydrolytic lignin as a carbon-containing raw material, which is the large-scale waste of hydrolysis plants, and iron(III) oxide as an activating agent and source of magnetic forms of iron. Synthesis of adsorbents is carried out by the method of a planned experiment. The influence of the synthesis conditions (the iron(III) oxide content in the initial mixture, the temperature and duration of pyrolysis) on the properties of the obtained MSA is studied. The adsorption activity of the adsorbents is measured by methylene blue (MB) and iodine, the relative magnetic susceptibility (RMS) and the parameters of the porous structure of adsorbents (the total volume of sorbing pores, the volume of microand mesopores) are determined. The porous structure is studied by the method of lowtemperature nitrogen adsorption. According to the adsorption parameters, the obtained MSA are superior to the closest analogues. The maximum adsorption activity of MB is 316 mg/g, which is almost 1.5 times higher than GOST 4453-74 requirements for OУ-Б clarifying carbon; the maximum adsorption activity of iodine is 1290 mg/g, which is 2 times higher than the GOST 6217-74 requirements for БАУ-А active carbon. The relative magnetic susceptibility is on average 2 times higher than that of magnetite; the maximum volume of sorption, microand mesopores is 0.200, 0.076 and 0.113 cm3/g, respectively. The adsorbents synthesized by the proposed method demonstrate good adsorption and magnetic properties and can be applied in science and technology. In addition, the industrial production of MSA on the basis of hydrolytic lignin will increase the profitability of hydrolysis industries by producing a valuable product and to some extent solve the problem of utilization of lignin dumps.

Текст научной работы на тему «Синтез магнитовосприимчивых адсорбентов на основе гидролизного лигнина с использованием оксида железа(III)»

УДК 661.183.3

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.4.150

СИНТЕЗ МАГНИТОВОСПРИИМЧИВЫХ АДСОРБЕНТОВ НА ОСНОВЕ ГИДРОЛИЗНОГО ЛИГНИНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОКСИДА ЖЕЛЕЗА(Ш)

М.А. Архилин1, асп.

Н.И. Богданович1, д-р техн. наук, проф.

С.В. Ефремова2, д-р техн. наук, проф., гл. учен. секретарь

1 Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова,

наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002;

e-mail: [email protected], [email protected]

Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан, ул. Жандосова, д. 67, г. Алматы, Республика Казахстан, 050036; e-mail: [email protected]

Адсорбционные методы являются одними из наиболее распространенных при разделении химических веществ, однако внедрение адсорбционных технологий разделения сдерживается рядом факторов. Использование порошковых адсорбентов, обладающих магнитными свойствами, позволит интенсифицировать процессы адсорбции и отделения адсорбента от очищаемой фазы. Предлагаемые в настоящее время способы синтеза магнитовосприимчивых адсорбентов в большинстве своем многостадийны, сложны и дорогостоящи. Цель исследования - разработка простого и недорогого способа их синтеза путем пиролиза с использованием в качестве углеродсодержащего сырья гидролизного лигнина - крупнотоннажного отхода гидролизных производств, а в качестве активирующего агента и источника магнитных форм железа - оксида желе-за(Ш). Синтез адсорбентов проводился методом планированного эксперимента. Изучалось влияние условий синтеза (содержание оксида железа(Ш) в исходной смеси, температура, продолжительность пиролиза) на свойства получаемых продуктов, определялись адсорбционная активность адсорбентов по метиленовому голубому и по иоду, относительная магнитная восприимчивость, а также параметры пористой структуры адсорбентов (суммарный объем сорбирующих пор, объем микро- и мезопор). Пористую структуру исследовали методом низкотемпературной адсорбции азота. По адсорбционным показателям полученные магнитовосприимчивые адсорбенты превосходят ближайшие аналоги: максимальная адсорбционная активность по метилено-вому голубому - 316 мг/г, что почти в 1,5 раза выше требований ГОСТ 4453-74 к осветляющему углю марки ОУ-Б; максимальная адсорбционная активность по иоду -1290 мг/г, что в 2 раза выше требований ГОСТ 6217-74 к активному углю БАУ-А; относительная магнитная восприимчивость - в среднем в 2 раза выше, чем у магнетита; максимальный объем сорбирующих, микро- и мезопор - соответственно 0,200; 0,076 и 0,113 см3/г. Таким образом, адсорбенты, синтезированные по предложенному нами способу, показали хорошие адсорбционные и магнитные свойства и могут найти широкое применение в науке и технике. Кроме того, промышленное производство магнитовосприимчивых сорбентов на основе гидролизного лигнина позволит увеличить рентабельность гидролизных производств за счет выпуска ценного продукта и в некоторой мере решить проблему утилизации отвалов лигнина.

Ключевые слова: гидролизный лигнин, магнитовосприимчивый адсорбент, оксид же-леза(Ш), пористая структура, адсорбционные свойства.

Для цитирования: Архилин М.А., Богданович Н.И., Ефремова С.В. Синтез магнито-восприимчивых адсорбентов на основе гидролизного лигнина с использованием оксида железа(Ш) // Лесн. журн. 2018. № 4. С. 150-160. (Изв. высш. учеб. заведений). Б01: 10.17238^п0536-1036.2018.4.150

Введение

Наиболее распространенные способы разделения химических веществ базируются на использовании методов адсорбции. Однако внедрение адсорбционных технологий разделения сдерживается рядом факторов. В частности, при использовании крупных гранул адсорбента процесс извлечения целевых компонентов сильно замедляется. Применение порошковых адсорбентов хотя и значительно ускоряет адсорбцию, однако стадия отделения обработанного раствора от адсорбента лимитирует процесс. Наиболее часто в промышленности для этой цели используют фильтрацию, представляющую собой многостадийную и сложную процедуру. Предлагаются новые способы отделения адсорбента от обрабатываемой фазы, наиболее перспективным считается использование магнитовосприимчивых адсорбентов (МВА) с последующим отделением их методами электромагнитной сепарации [13].

Чаще применяются следующие способы синтеза МВА: самосборка ме-таллокомплекса в растворе с последующей его полимеризацией и пиролизом полученного полимера [13]; синтез магнитных наночастиц (магнетит, ферриты) и применение их в качестве сорбента в неизменном [8] либо модифицированном виде [10]; пиролиз углеродсодержащего сырья в присутствии магнитных частиц [12]; модифицирование адсорбентов магнитными наночастицами [9]; химическое осаждение углерода из паровой фазы на магнитные частицы [11]; пропитка пористого углеродсодержащего сырья или адсорбентов солями железа с последующим пиролизом [5, 7].

Перечисленные выше способы слишком сложны, чтобы их можно было использовать в промышленности, а применяемые реагенты не дешевы. Это негативно сказывается на себестоимости готового продукта. На наш взгляд, рациональнее разрабатывать более экономичные способы [1, 6].

Цель исследования - разработка простого и недорогого способа синтеза МВА путем пиролиза с использованием в качестве сырья отходов переработки древесины (опилки, лигнин, кора и т. д.), а в качестве источника магнитных форм железа - его солей.

Для выполнения поставленной цели было выдвинуто предположение о том, что для получения МВА достаточно простого механического смешения углеродсодержащего сырья и оксида железа(Ш) с последующим совместным пиролизом полученной смеси. Для проверки данной гипотезы был проведен синтез МВА по упрощенному способу, отличающемуся от разработанного ранее [1, 2], который заключался в осаждении гидроксида железа(Ш) из раствора в присутствии углеродсодержащего сырья с последующей промывкой и пиролизом полученной смеси. В обоих случаях в процессе пиролиза происходит термохимическая активация углеродсодержащего сырья, в котором кислородсодержащие соединения железа являются одновременно активирующим агентом и источником магнитных форм железа. В результате этого часть углеродной матрицы выгорает, восстанавливая железо в зависимости от условий до магнитовосприимчивых магнетита Fe3O4, металлического железа a-Fe и цементита Fe3C либо до немагнитного вюстита FeO [5].

В качестве недорогого углеродсодержащего сырья использовался гидролизный лигнин (ГЛ) - крупнотоннажный отход гидролизных производств. Активирующий агент (Fe2O3) - широко распространенный недорогой материал, который, в частности, применяется как пигмент в лакокрасочной промышленности.

Объекты и методы исследования

Гидролизный лигнин, отобранный из отвалов Архангельского гидролизного завода, имеет следующий компонентный состав, %: лигнин Класона -70,1; трудногидролизуемые полисахариды - 11,9; экстрактивные вещества -14,3; зола - 3,7. Элементный состав ГЛ, %: углерод (С) - 61,2; кислород (О) -32,1; водород (Н) - 6,7.

Оксид железа(Ш) квалификации х. ч. (98 % Fe2O3), произведенный ОАО «Реактив» по ГОСТ 4174-77, представляет собой красно-коричневый порошок тонкого помола влажностью 3 %; остаток на сите (размер отверстий -0,1 мм) < 0,3 %.

Адсорбционные свойства МВА изучали по стандартным методикам [3, 4]. Для адсорбции из жидкой фазы использовали растворы метиленового голубого (МГ) и иода (I2). Определение пористой структуры проводили методом низкотемпературной адсорбции азота на анализаторе удельной поверхности и пористости ASAP 2020 mp («Micrometrics», США). Предварительно образец подвергали дегазации при температуре 350 °С в течение 2 ч до остаточного давления 0,7 мПа. Навеска образца - 20...30 мг. Суммарный объем сорбирующих пор Vt рассчитывали по уравнению БЭТ, объем микропор Vmi - по t-методу, объем мезопор - по разности Vt - Vmi.

Относительную магнитную восприимчивость (ОМВ) измеряли на весах Гюи по специально разработанной методике [7]. Отклонение показаний весов при внесении навески исследуемого образца массой 97.103 мг относили к его массе; полученную величину делили на значение для равной навески магнетита (100 мг) и выражали в процентах.

Фракцию ГЛ (размер частиц - менее 1 мм, влажность - 9 %) перемешивали с порошком оксида железа(Ш) и растирали в фарфоровой ступке пестиком в течение 3 мин для наилучшего диспергирования Fe2O3 в порошке ГЛ. Полученную смесь количественно пересыпали в кварцевую трубку и подвергали пиролизу в трубчатой печи СУОЛ-0.44 («Utena», Литва) в атмосфере образующихся парогазов. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема установки для пиролиза: 1 - электрическая печь; 2 - контроллер; 3 - кварцевая трубка; 4 - образец; 5 - вытяжное устройство; 6 - обратный холодильник; 7 - конденсатоприемник; 8 - холодильник Либиха

В ходе предварительных опытов были получены обнадеживающие результаты, поэтому была синтезирована целая серия МВА (кодовое название -ФМА ГЛ). Синтез и исследование свойств МВА проводили методом планированного эксперимента. В качестве плана был применен центральный композиционный ротатабельный униформ-план второго порядка для трех факторов. Варьируемые параметры: массовая доля оксида железа(Ш) - ®(Fe2O3); температура пиролиза - Тпир; продолжительность пиролиза - т. Значения и интервалы варьирования факторов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Матрица планирования эксперимента

Фактор Шаг варьирования X Уровни варьирования факторов

-1,682 (-X) -1 0 +1 1,682 (+X)

Х1 - ra(Fe2O3), % 6 40 44 50 56 60

Х2 - Тпир, °С 15 900 910 925 940 950

Х3 - т, мин 6 20 24 30 36 40

Результаты исследования и их обсуждение В ходе экспериментов изучали влияние варьируемых факторов на ОМВ МВА, адсорбционную активность по МГ (А(МГ)) и по иоду (А(12)). По полученным данным рассчитывали коэффициенты для уравнений регрессии, оценивали их значимость. Адекватность полученных уравнений со значимыми коэффициентами проверяли по критерию Фишера. На основе этих уравнений строили поверхности отклика, которые наглядно иллюстрируют характер влияния условий синтеза МВА на свойства исследуемых адсорбентов.

Все уравнения регрессии (1)-(6) оказались адекватными (критерий Фишера не превышал критических значений), т. е. их можно использовать в качестве математических моделей, описывающих синтез МВА в заданном интервале варьирования факторов.

Уравнение регрессии для ОМВ адсорбентов серии ФМА ГЛ имеет следующий вид:

ОМВ = 151 + 18*2 + 26Хз + I6XX2. (1)

На основе уравнения (1) были построены поверхности отклика, отраженные на рис. 2.

Как видно из уравнения (1) и характера поверхностей (рис. 2), влияние всех трех факторов на магнитные свойства положительное, а значение ОМВ максимально при ю(Ре203) = 60 %, Тпир = 950 °С, т = 40 мин и достигает 270 % (в 2,7 раза больше, чем для магнетита).

Уравнение регрессии для А(МГ) адсорбентов имеет следующий вид:

А(МГ) = 188 - 16Х1Х3 - 16Х2Х3 + 14Х32.

(2)

На основе уравнения (2) были построены поверхности отклика (рис. 3).

Коэффициенты уравнения (2) иллюстрируют сложное межфакторное взаимодействие (рис. 3). Максимальное значение А(МГ) составляет 316 мг/г (при ю(Ре203) = 60 %, Тпир = 950 °С, т = 20 мин) и почти в 1,5 раза превышает требования ГОСТ 4453-74 [3] к ближайшему аналогу - осветляющему углю марки ОУ-Б (А(МГ) > 220 мг/г).

б

Рис. 3. Влияние условий синтеза на адсорбционную активность по МГ:

а - Тпир = 950 °С; б - ю(Ре203) = 60 %

Уравнение регрессии для А(12) сорбентов представлено ниже: А(12) = 1054 + 48Х2 + 73Х3 + 59Х2Х3 - 30Х12 - 47Х32.

(3)

Положительное влияние на адсорбционную активность по иоду оказывают продолжительность пиролиза и температура (рис. 4). Зависимость

а б

Рис. 4. Влияние условий синтеза на адсорбционную активность по иоду:

а - т = 40 мин; б - Тпир = 950 °С

а

от дозировки оксида железа(Ш) проходит через максимум в центре плана. Оптимальные условия: ю(Бе2О3) = 50 %; Тпир = 950 °С; т = 40 мин. Максимальное значение А(12) составляет 1290 мг/г, что в 2 раза выше требований ГОСТ 6217-74 [4] к микропористому активному углю марки БАУ-А (А(12) > 600 мг/г).

Уравнение регрессии для суммарного объема сорбирующих пор имеет

вид:

= 0,127 - 0,011* + 0,004Х2 + 0,011Х3 + 0,009Х2Х3. (4)

Повышение Тпир и т положительно сказывается на объеме пор, а рост ю(Бе2О3) наоборот приводит к снижению V^ (рис. 5).

Рис. 5. Влияние условий синтеза на суммарный объем пор адсорбентов:

а - ТПИр = 950 °С; б - ю^Оз) = 40 %

Область условного оптимума: ю(Бе2О3) = 40 %; Тпир = 950 °С; т = 40 мин. В данных условиях = 0,20 см3/г, а максимальный объем пор в 2 раза ниже, чем у промышленных активных углей марок БАУ-А и ОУ-Б ^^ - соответственно 0,30 и 0,47 см3/г). Однако это не сказывается на уровне А(МГ), так как объем пор - далеко не единственный фактор, влияющий на адсорбционную активность. Многое зависит от физической и химической природы адсорбента и адсорбата: соотношения размеров молекул и пор, полярности, возможности хемосорбции и т. д.

Рассмотрим влияние исследуемых факторов на формирование отдельно мезо-и микропор.

Уравнение регрессии для объема мезопор выглядит следующим образом:

Vme = 0,050 + 0,009Х3 - 0,005ХХ2 + 0,009 Х2Х3 + 0,003Х32. (5)

Наибольшие значения Vme отмечаются при максимальных температуре и продолжительности пиролиза (рис. 6).

Область условного оптимума совпадает с таковой для суммарного объема пор: ю(Бе2О3) = 40 %; Тпир = 950 °С; т = 40 мин. В этих условиях Vme = = 0,113 см3/г.

Уравнение регрессии для объема микропор:

Vml = 0,076 - 0,003^2 - 0,002Х22 - 0,003Х32. (6)

Максимальное значение объема микропор (Ут = 0,076 см3/г) находится в центре плана (рис. 7), и любое отклонение от этой точки (ю(Ре203) = 50 %; Тпир = 925 °С; т = 30 мин ) влияет на негативно.

а б

Рис. 6. Влияние условий синтеза на объем мезопор: а - т = 40 мин; б - ra(Fe2O3) = 40 %

а

б

Рис. 7. Влияние условий синтеза на объем микропор: а - т = 30 мин;

б - Тпир = 925 °С

Сравнение максимальных значений объемов микро- и мезопор (0,076 и 0,113 см3/г) позволяет утверждать, что получаемые по данному способу МВА имеют преимущественно мезопористую структуру, и с этим связано некоторое предпочтение А(МГ) в качестве ключевого индикатора при направленном синтезе МВА. Сумма объемов микро- и мезопор несколько меньше, чем суммарный объем пор. Это связано с тем, что все три параметра были рассчитаны разными методами, основанными на определенных допущениях и имеющими разную точность.

При синтезе МВА важно получать одновременно высокие адсорбционные и магнитные свойства, поэтому нами было определено значение ОМВ в условиях, оптимальных для других выходных параметров из исследуемого интервала варьирования факторов (табл. 2).

Таблица 2

Сопоставление максимальных значений выходных параметров и значения ОМВ

Выходной параметр Максимальное значение параметра Условия получения адсорбента ОМВ, %

(ЮТе203), % Т °с 1 пир; с т, мин

А(МГ), мг/г 316±32 40 900 40 209

А(12), мг/г 1290±130 50 950 40 224

ОМВ, % 270±27 60 950 40 270

Vy, см3/г 0,20±0,02 40 950 40 178

Vme, см3/г 0,113±0,011 40 950 40 178

Vmi, см3/г 0,076±0,008 50 925 30 150

Как видно из табл. 2, полученные адсорбенты обладают высокими как адсорбционными, так и магнитными свойствами. При этом в условиях, оптимальных для синтеза МВА с наилучшими значениями А(МГ) и А(12), магнитная восприимчивость адсорбента в 2 раза превышает этот показатель для магнетита, что достаточно для легкого отделения адсорбента методом электромагнитной сепарации.

Заключение

Таким образом, предложенный способ синтеза позволяет получать из недорогого крупнотоннажного сырья (гидролизного лигнина и оксида железа (III)) адсорбенты с хорошими адсорбционными и магнитными свойствами. Это даст возможность в будущем не только широко использовать магнитовоспри-имчивые адсорбенты и тем самым интенсифицировать адсорбционные процессы, но и повысить рентабельность гидролизных производств за счет выпуска ценного продукта и решить проблему утилизации отвалов гидролизного лигнина.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Архилин М.А., Богданович Н.И. Адсорбционные и магнитные свойства маг-нитовосприимчивых адсорбентов, полученных на основе гидролизного лигнина // Лесн. журн. 2016. № 2. С. 131-140. (Изв. высш. учеб. заведений).

2. Богданович Н.И., Архилин М.А., Меньшина А.А., Кузнецова Л.Н., Канарский А.В. Магнитовосприимчивые адсорбенты на основе термически активированного гидролизного лигнина и гидроксида железа(Ш) // Вестн. технол. ун-та. 2015. Т. 18, № 11. С. 111-116.

3. ГОСТ 4453-74. Уголь активный осветляющий древесный порошкообразный. Технические условия. Введ. 1976-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1993. 21 с.

4. ГОСТ 6217-74. Уголь активный древесный дробленый. Технические условия. Введ. 1976-01-01. М.: Изд-во стандартов, 2003. 8 с.

5. Заявка 2016130456 Российская Федерация, МПК В 01 I 20/02, В 01 I 20/20, В 01 I 20/20. Способ получения магнитовосприимчивого адсорбента / Архилин М.А., Богданович Н.И. Приоритет 26.07.2016. 7 с.

6. Пат. 2445156 Российская Федерация. Способ получения ферромагнитного углеродного адсорбента / Цыганова С.И., Патрушев В.В. 2012, Бюл. № 8.

7. Хабаров Ю.Г., Бабкин И.М., Вешняков В.А. Влияние кислоты при нитрозиро-вании лигносульфонатов на их способность к пептизации магнитоактивного соединения на основе сульфата железа(11) // Лесн. журн. 2011. № 5. С. 106-111. (Изв. высш. учеб. заведений).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

8. Giraldo L., Erto A., Moreno-Pirajan J.C. Magnetite Nanoparticles for Removal of Heavy Metals from Aqueous Solutions: Synthesis and Characterization // Adsorption. 2013. Vol. 19, iss. 2-4. Pp. 465-474. DOI: 10.1007/s10450-012-9468-1

9. Lompe K.M., Menard D., Barbeau B. Performance of Biological Magnetic Powdered Activated Carbon for Drinking Water Purification // Water Research. 2016. Vol. 96. Pp. 42-51. DOI: 10.1016/j.watres.2016.03.040

10. Müller C., Wagner K., Frankenfeld K., Franzreb M. Simplified Purification of Equine Chorionic Gonadotropin (eCG) - an Example of the Use of Magnetic Microsorbents for the Isolation of Glycoproteins from Serum // Biotechnology Letters. 2011. Vol. 33, iss. 5. Pp. 929-936. DOI: 10.1007/s10529-010-0512-5

11. Tristao J.C., Ardisson J.D., Sansiviero M.T.C., Lago R.M. Reduction of Hematite with Ethanol to Produce Magnetic Nanoparticles of Fe3O4, Fe1-XO or Fe0 Coated with Carbon // Hyperfine Interactions. 2010. Vol. 195, iss. 1-3. Pp. 15-19. DOI: 10.1007/s10751-009-0095-5

12. Wang T., Liang L., Wang R., Jiang Y., Lin K., Sun J. Magnetic Mesoporous Carbon for Efficient Removal of Organic Pollutants // Adsorption. 2012. Vol. 18, iss. 5-6. Pp. 439-444. DOI: 10.1007/s10450-012-9430-2

13. Yao J., Li L., Song H., Liu Ch., Chen X. Synthesis of Magnetically Separable Ordered Mesoporous Carbons from F127/[Ni(H2O)6](NO3)2/Resorcinol-Formaldehyde Composites // Carbon. 2009. Vol. 47, iss. 2. Pp. 436-444.

Поступила 13.01.18

UDC 661.183.3

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.4.150

Synthesis of Magneto-Susceptible Adsorbents on the Basis of Hydrolytic Lignin Using Iron(III) Oxide

M.A. Arkhilin1, Postgraduate Student

N.I. Bogdanovich1, Doctor of Engineering Sciences, Professor

S.V. Efremova2, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Chief Academic Secretary Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: [email protected], [email protected]

2National Center on Complex Processing of Mineral Raw Materials of the Republic of Kazakhstan, ul. Zhandosova, 67, Almaty, 050036, Republic of Kazakhstan; e-mail: [email protected]

Adsorption methods are one of the most common ways of chemical separation. The introduction of adsorption separation technologies is constrained by a number of factors. The use of powder adsorbents, which possess magnetic properties, will allow intensifying the processes of adsorption and separation of the adsorbent from the phase to be purified. The modern methods for synthesizing magneto-susceptible adsorbents are mostly multi-stage, complex and expensive. The goal of research is to develop a simple and inexpensive way for their synthesis by pyrolysis using hydrolytic lignin as a carbon-containing raw material, which is the large-scale waste of hydrolysis plants, and iron(III) oxide as an activating agent and source of magnetic forms of iron. Synthesis of adsorbents is carried out by the method of a planned experiment. The influence of the synthesis conditions (the iron(III) oxide con-

For citation: Arkhilin M.A., Bogdanovich N.I., Efremova S.V. Synthesis of Magneto-Susceptible Adsorbents on the Basis of Hydrolytic Lignin Using Iron(III) Oxide. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2018, no. 4, pp. 150-160. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.4.150

tent in the initial mixture, the temperature and duration of pyrolysis) on the properties of the obtained MSA is studied. The adsorption activity of the adsorbents is measured by methylene blue (MB) and iodine, the relative magnetic susceptibility (RMS) and the parameters of the porous structure of adsorbents (the total volume of sorbing pores, the volume of micro- and mesopores) are determined. The porous structure is studied by the method of low-temperature nitrogen adsorption. According to the adsorption parameters, the obtained MSA are superior to the closest analogues. The maximum adsorption activity of MB is 316 mg/g, which is almost 1.5 times higher than GOST 4453-74 requirements for Oy-E clarifying carbon; the maximum adsorption activity of iodine is 1290 mg/g, which is 2 times higher than the GOST 6217-74 requirements for EAy-A active carbon. The relative magnetic susceptibility is on average 2 times higher than that of magnetite; the maximum volume of sorption, micro- and mesopores is 0.200, 0.076 and 0.113 cm3/g, respectively. The adsorbents synthesized by the proposed method demonstrate good adsorption and magnetic properties and can be applied in science and technology. In addition, the industrial production of MSA on the basis of hydrolytic lignin will increase the profitability of hydrolysis industries by producing a valuable product and to some extent solve the problem of utilization of lig-nin dumps.

Keywords: hydrolytic lignin, magneto-susceptible adsorbent, iron(III) oxide, porous structure, adsorption properties.

REFERENCES

1. Arkhilin M.A., Bogdanovich N.I. Adsorbtsionnye i magnitnye svoystva magni-tovospriimchivykh adsorbentov, poluchennykh na osnove gidroliznogo lignina [Adsorption and Magnetic Properties of Magneto Susceptible Adsorbents, Obtained on the Basis of Hydrolytic Lignin]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2016, no. 2, pp. 131-140.

2. Bogdanovich N.I., Arkhilin M.A., Men'shina A.A., Kuznetsova L.N., Kanarskiy A.V. Magnitovospriimchivye adsorbenty na osnove termicheski aktivirovannogo gidroliznogo lignina i gidroksida zheleza(III) [Magneto-susceptible Adsorbents Based on Thermally Activated Hydrolytic Lignin and Iron(III) Hydroxide]. Vestnik Kazanskogo Tekhnolog-icheskogo Universiteta [Herald of Kazan Technological University], 2015, vol. 18, no. 11, pp. 111-116.

3. GOST 4453-74. Ugol' aktivnyy osvetlyayushchiy drevesnyy poroshkoobraznyy. Tekhnicheskie usloviya [State Standard 4453-74. Active Adsorpting Powder Charcoal. Specifications]. Moscow, Izdatel'stvo standartov Publ., 1993. 21 p. (In Russ.)

4. GOST 6217-74. Ugol' aktivnyy drevesnyy droblenyy. Tekhnicheskie usloviya [Wood Crushed Activated Carbon. Specifications]. Moscow, Izdatel'stvo standartov Publ., 2003. 8 p. (In Russ.)

5. Arkhilin M.A., Bogdanovich N.I. Sposob polucheniya magnitovospriimchivogo adsorbenta [The Method of Obtaining a Magneto-Susceptible Adsorbent]. Patent RF, no. 2016130456, 2016. 7 p.

6. Tsyganova S.I., Patrushev V.V. Sposob polucheniya ferromagnitnogo uglerodnogo adsorbenta [The Method of Obtaining a Ferromagnetic Carbon Adsorbent]. Patent RF, no. 2445156, 2012.

7. Khabarov Yu.G., Babkin I.M., Veshnyakov V.A. Vliyanie kisloty pri nitrozirovanii lignosul'fonatov na ikh sposobnost' k peptizatsii magnitoaktivnogo soedineniya na osnove sul'fata zheleza(II) [Acid Effect Usage for Lignosulfonates Nitrosation on Their Ability to Peptization of Magnetoactive Compounds Based on Ferrous Sulfate(II)]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2011, no. 5, pp. 106-111.

8. Giraldo L., Erto A., Moreno-Pirajan J.C. Magnetite Nanoparticles for Removal of Heavy Metals from Aqueous Solutions: Synthesis and Characterization. Adsorption, 2013, vol. 19, iss. 2-4, pp. 465-474. DOI: 10.1007/s10450-012-9468-1

9. Lompe K.M., Menard D., Barbeau B. Performance of Biological Magnetic Powdered Activated Carbon for Drinking Water Purification. Water Research, 2016, vol. 96, pp. 42-51. DOI: 10.1016/j.watres.2016.03.040

10. Müller C., Wagner K., Frankenfeld K., Franzreb M. Simplified Purification of Equine Chorionic Gonadotropin (eCG) - an Example of the Use of Magnetic Microsorbents for the Isolation of Glycoproteins from Serum. Biotechnology Letters, 2011, vol. 33, iss. 5, pp. 929-936. DOI: 10.1007/s10529-010-0512-5

11. Tristäo J.C., Ardisson J.D., Sansiviero M.T.C., Lago R.M. Reduction of Hematite with Ethanol to Produce Magnetic Nanoparticles of Fe3O4, Fei-XO or Fe0 Coated with Carbon. Hyperfine Interactions, 2010, vol. 195, iss. 1-3, pp. 15-19. DOI: 10.1007/s10751-009-0095-5

12. Wang T., Liang L., Wang R., Jiang Y., Lin K., Sun J. Magnetic Mesoporous Carbon for Efficient Removal of Organic Pollutants. Adsorption, 2012, vol. 18, iss. 5-6, pp. 439-444. DOI: 10.1007/s10450-012-9430-2

13. Yao J., Li L., Song H., Liu Ch., Chen X. Synthesis of Magnetically Separable Ordered Mesoporous Carbons from F127/[Ni(H2O)6](NO3)2/Resorcinol-Formaldehyde Composites. Carbon, 2009, vol. 47, iss. 2, pp. 436-444.

Received on January 13, 2018

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.