CC BY
9
УДК 661.183.2
Ву Ким Лонг, Нистратов А.В., Клушин В.Н.
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА АКТИВАЦИИ НА ПОКАЗАТЕЛИ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ АКТИВНЫХ УГЛЕЙ ИЗ ОТХОДОВ ОРГАНОПЛАСТИКА
Ву Ким Лонг, аспирант 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, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9 Россия, e-mail: alvinist@yandex. ru*
Исследовано влияние температурного режима химической активации отходного органического пластика на объёмы пор и адсорбционную активность получаемых активных углей. Методом планирования эксперимента заданы границы параметров активации и найдены их значения, обеспечивающие получение активного угля с наилучшим сочетанием показателей. Получена математическая модель, описывающая изучаемые зависимости. Ключевые слова: отходный органопластик; химическая активация; активный уголь; пористая структура
THE EFFECT OF ACTIVATION MODE ON PARAMETERS OF POROUS STRUCTURE OF ACTIVE CARBONS FROM WASTE ORGANOPLASTIC
Vu Kim Long, Nistratov A.V., Klushin V.N.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The influence of temperature mode of chemical activation of waste organic plastic on the pore volume and adsorption activity of the obtained activated carbons was studied. By the method of experiment planning limits of the activation parameters were set and their values were found to ensure the production of activated carbon with the best combination of indicators. The mathematical model, describing the studied dependences, was obtained. Key words: waste organic plastic; chemical activation; activated carbon; porous structure
Рынок полимерных композиционных материалов динамично развивается благодаря их широкому применению в авиационной и ракетно-космической технике, судостроении и машиностроении. Несмотря на практичность и экономичность при изготовлении изделий из углепластиков и органопластиков 10-30 % их образуют отходы производства [1]. Учитывая ожидаемый выпуск этих материалов в России в объёме 118 тыс. т к 2020 г., они представляют
значительный интерес для утилизации [2]. Среди перспективных методов переработки отходов органопластиков несомненные перспективы имеет пиролиз, при котором наполнитель обычно карбонизуется вместе со связующим веществом, в ряде случаев обеспечивая получение достаточно дорогостоящих и эффективных углеродных адсорбентов (активных углей).
В этом плане показано [3], в частности, что для отходов органопластиков лучшие результаты обеспечивает химическая активация с гидроксидом калия, при этом его концентрация имеет существенное влияние на адсорбционные свойства активного угля. Исследованими авторов установлено, что для этих материалов следует использовать отношение масс сырья и КОН (отношение пропитки), равное 1:(1,5-1,6), задаваемое расчитанным объёмом 40 %-ного раствора щёлочи.
Приготовление образцов активных углей осуществляли по следующей процедуре. Фрагменты тканей из органопластика (т.н. препрега О-2) толщиной до 1 мм и длиной до 2 см пропитывали в течение 3 ч раствором КОН, высушивали в муфеле
при 110±5 °С до постоянной массы и подвергали пиролизу в трубчатом реакторе, размещённом в электропечи. Целью исследования было определение совместного влияния факторов термообработки сырья: скорости нагрева, конечной температуры и времени выдержки при ней на качество получаемых активных углей. Условия активации (табл. 1) варьировали согласно методу планирования 3-факторного двухуровневого
эксперимента. После остывания реактора активный уголь (АУ) извлекали и промывали дистиллированной водой до рН~8, высушивая затем при 110±5 °С до постоянной массы.
Пористую структуру полученных АУ оценивали по величине объёмов пор, сорбирующих пары воды и растворителей (микро- и мезо-), а также по поглощению йода и красителя метиленового голубого из их растворов. Эти показатели качества адсорбентов объединены в общий критерий оптимизации ПК, равный произведению показателей выхода и пористой структуры, кодированных так, что наименьшее их значение соответствует 0, а наибольшее - 1. Соответственно, качество образцов оценивается по шкале 0 < ПК < 1.
При обработке экспериментальных данных получена адекватная математическая модель зависимости показателя качества адсорбентов от вышеперечисленных факторов активации:
ПКрасч = 0,157 + 0,075х1 + 0,157х2 + 0,075х3 +
0,075x1x2 + 0,075x2x3 + 0,033х1х3 + 0,033х1х2х3.
Показатели точности эксперимента и полученной модели приведены в табл. 3.
Таблица 1. Матрица планирования эксперимента по активации отходов органопластика
№ опыта Скорость нагрева, °С/мин Конечная температура, °С Время выдержки, мин Х1 Х2 Хз Х1Х2 Х2Х3 XjX$ Х1Х2Х3
0 (центр плана) 10 650 30 0 0 0 0 0 0 0
1 5 600 15 -1 -1 -1 +1 +1 +1 -1
2 5 600 45 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1
3 5 700 15 -1 +1 -1 -1 -1 +1 +1
4 5 700 45 -1 +1 +1 -1 +1 -1 -1
5 15 600 15 +1 -1 -1 -1 +1 -1 +1
6 15 600 45 +1 -1 +1 -1 -1 +1 -1
7 15 700 15 +1 +1 -1 +1 -1 -1 -1
8 15 700 45 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1
Таблица 2. Расчётная матрица эксперимента по активации отходов органопластика
№ опыта Выход отм. АУ, % Объём сорбирующих пор (мг/г) по парам: Адсорбционная активность (мг/г) по: ПК
H2O C6H6 CCI4 йоду метил. гол.
0 (центр плана) 1)40 2)39 3)41 ср. 40 1)0,322 2)0,318 3)0,333 ср. 0,324 1)0,354 2)0,356 3)0,359 ср. 0,356 1)0,276 2)0,296 3)0,303 ср. 0,292 1)1090 2)1100 3)1080 ср. 1090 1)274 2)230 3)225 ср. 243 0,288 0,253 0,277 0,273
1 49 0,164 0,188 0,114 430 0 0
2 48 0,175 0,234 0,146 737 0 0
3 38 0,269 0,310 0,257 960 129 0,077
4 31 0,335 0,394 0,302 1110 236 0,248
5 40 0,152 0,345 0,266 940 0 0
6 50 0,194 0,186 0,045 575 0 0
7 35 0,328 0,379 0,290 1109 232 0,249
8 34 0,395 0,450 0,357 1182 348 0,680
* 3 параллельных измерения, в таблице даны средние значения
* 3 параллельных измерения, в таблице даны средние значения
Таблица 3. Показатели точности эксперимента и модели
Дисперсия воспроизводимости Относительная погрешность ПК, % Дисперсия адекватности Критерий адекватности F (норма <3,8) Погрешность коэффициентов
0,000641 21,4 2,5 10-6 0,0039 ±0,0206
Согласно уравнению максимальному показателю качества активных углей соответствуют: скорость нагрева 15 °С/мин, конечная температура 700 °С и время выдержки 45 мин, причём конечная температура влияет наиболее сильно (её коэффициент в уравнении наибольший). Установлено также совместное действие этих факторов: их одновременное увеличение положительно вляет на качество активного угля.
Таким образом, в области определения параметров активации установлены наилучшие их значения для получения наиболее пористого адсорбента из отходов органопластика. Дальнейшее возможное улучшение его свойств требует постановки эксперимента в окрестности найденных условий.
Список литературы
1. Берлин А.А. Современные полимерные композиционные материалы. Соросовский образовательный журнал. 1995. - № 1. - С. 57-65.
2. 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).
3. Храмова Г.Б. Разработка технологии получения активных углей из отходных органопластиков. Дисс. к.т.н. М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1992.
