Адсорбция паров бензола на углеродных адсорбентах, полученных из древесины Paulownia

АННОТАЦИЯ

В статье исследуется адсорбция паров бензола на углеродных адсорбентах, полученных из древесины Paulownia. Методом БЭТ проведены расчеты параметров изотерм адсорбции адсорбентов, полученных из древесной массы, подвергнутой термообработке в диапазоне 300°С÷800°С. Рассчитаны объем монослоя a_m, объем насыщения V_s, объем микрополярного слоя W₀, объем мезоцеллюлярных частиц W_me, средний радиус r_m нм и удельная поверхность (S).

ABSTRACT

The article examines the adsorption of benzene vapor on carbon adsorbents obtained from Paulownia wood. The isotherm of adsorption of adsorbents obtained on the basis of heat-treated wood pulp at a temperature of 300°С ÷ 800°С has been studied. The obtained isotherms were calculated using the BET equation for the obtained carbon adsorbents. The heat-treated adsorbents of the monolyer volume am, the saturation volume V_s, the volume of the micropolar layer W₀, the volume of mesocellular particles W_me, the average radius r_m nm, and specific surfaces (S) were calculated. 

Ключевые слова: углерод, бензол, адсорбент, абсорбат, адсорбция, десорбция, изотерма.

Keywords: carbon, benzene, adsorbent, absorbate, adsorption, desorption, isotherm.

В настоящее время быстрое развитие химии и химической технологии способствует увеличению интереса к получению и применению адсорбентов. В частности, актуальным вопросом является создание недорогих адсорбентов с высокой адсорбционной емкостью для замены дорогостоящих импортных материалов. 

Адсорбенты широко используются в различных отраслях промышленности. Известно, что если адсорбент имеет высокую удельную поверхность и высокую степень пористости, то он обладает высокой и эффективной сорбционной способностью. Для этого необходимо активировать адсорбент термическими и парогазовыми способами (водяным паром) при различных условиях. Чтобы получить адсорбент с высокими сорбционными свойствами, важно сначала выбрать подходящее сырье, которое может удовлетворить спрос на получаемый адсорбент. Активированные угли широко пользуются в пищевой промышленности и при очистке водно-спиртовых растворов от токсичных веществ (сивушных и эфирных масел, альдегидов и др.). 

В настоящее время для очистки воды и алкогольной продукции от вредных веществ в традиционно используют импортные активированные угли, например, марки БАУ-А, импортируемые из России [1-3]. Это приводит к росту себестоимости продукции. В связи с этим организация производства углеродных адсорбентов из местного древесного сырья в республике остается важной задачей. 

До настоящего времени для очистки нефтепродуктов, сточных промышленных вод от ионов тяжелых металлов и прочих экотоксикантов, а также в системах водоподготовки используются углеродсодержащие адсорбенты, активированные парогазовым методом [3-5].

Выбор сырья и его запасы в производстве адсорбентов для промышленного использования является важной задачей. Ранее нами были изучены свойства адсорбентов, полученных на основе углей различных растений, в частности, из чинара и ясеня, и были рекомендованы для очистки промышленных сточных вод [4,6].

Принимая во внимание важность проблемы получения активированных углей из местного сырья, и продолжая начатые исследования, нами поставлена задача получения углеродсодержащих сорбентов на основе древесины Paulownia, также представляющего флору Узбекистана [7].

Экспериментальная часть

Дерево Paulownia в значительной мере отвечает требованиям производства адсорбентов, что обусловливается его прочностью, влагостойкостью и малой плотностью [8].

Для получения активированного угля нами были использованы древесно-стружечные отходы деревьев  Paulownia, котрые подвергались активированию без доступа кислорода при различных температурах и продолжительности времени активации.

Предварительно исходное древесное сырье подвергали термо-активации в диапазоне температур 300 – 800⁰С в течение 30 – 90 минут. Затем обуглившаяся масса обрабатывалась острым водяным паром.

Сорбционную емкость образцов адсорбента определяли эксикаторным методом по поглощению паров бензола. Бензол, выбранный в качестве адсорбата, очищали в вакууме, до установления давления насыщенного пара над замороженным образцом бензола, соответствующего таковым табличным значениям [9].

Изотермы адсорбции паров бензола активированными угольными адсорбентами были изучены на приборе MAK-BEN-BAKRA с использованием чувствительного кварцевого спирального устройства Макбена [10].

С использованием уравнения БЭТ рассчитывались основные адсорбционные характеристики полученных сорбентов.

Результаты и обсуждение

Пиролиз древесных адсорбентов без доступа кислорода и их активация водяным паром рассматривался в работе [10]. Мотивацией этого исследования также было получение импортозамещающего адсорбента [11]. Используя уже отработанную методику термоактивации древесины, нами были сняты адсорбционные характеристики получаемых сорбентов по отношению к парам бензола.

На рисунке 1 приведены изотермы адсорбции паров бензола термоактивированными древесными адсорбентами при температурах в диапазоне 300-800⁰С.

Рисунок 1. Изотермы адсорбции паров бензола на термоактивированных древесных адсорбентах при температурах

(1)-300°; (2)-400°С; (3)-500°; (4)-600°С; (5)-700°; (6)-800°С.

Из изотерм адсорбции следует, что с повышением температуры термообработки древесины увеличивается значение сорбционной емкости по отношению к бензолу. При этом изотерма десорбции возвращается параллельно с адсорбцией, образуя гистерезис.  

Интерпретация изотерм адсорбции представлена в таблице 1.

Таблица 1.

Адсорбция паров бензола в термически активированном адсорбенте

Как видно из табл. 1, адсорбция паров бензола увеличивается с вплоть до насыщения адсорбента, вместе с ростом температуры, при которой был термоактивирован сорбент и временем продолжительности сорбции. Так, для образца сорбента, термоактивированного при 800⁰С полное поглощение паров бензола соответствует значению 2,44 моль/кг. Эти условия были приняты нами за оптимальные. 

В работе, также изучался, процесс адсорбции паров бензола эксикаторном методом с использованием адсорбентов, полученных парогазовой активацией (ППАУ- Paulownia активированный парогазом) при 400°С, 600°С и 800°С (Табл. 2).

Таблица 2.

Адсорбция паров бензола в парогазовом адсорбенте

Здесь также наблюдается увеличение сорбционной емкости образцов адсорбентов с увеличением темепературы термоактивации. При этом максимальное поглощение паров бензола – 3,92 моль/кг наблюдается у сорбента, термоактивированного при 800⁰С с последующей обработкой водяным паром.

На основе изотерм адсорбции с использованием уравнения БЭТ были рассчитаны объем монослоя a_m, объем насыщения V_s, объем микрополярного слоя W₀, объем мезоцеллюлярных частиц W_me, средний радиус r_m нм и удельная поверхность (S_уд). Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Структурно-сорбционные параметры адсорбции паров бензола в термически активированных адсорбентах 

Из данных, представленных в таблице 3 следует, что при повышении температуры от 300°C до 500°C емкость монослоя (a_m) (0,18÷0,63) и удельная поверхность (S_уд) (43÷52 м² / г) увеличиваются соответственно. Когда температура достигает 600-700°C, емкость монослоя (a_m) (0,50÷0,41) и удельная поверхность (S_уд) (120 ÷ 90 м²/г)  - уменьшаются.

В процессе пиролиза сначала при повышении температуры органические вещества древесины вспучиваются, и в результате удельная поверхность увеличивается. Когда температура достигает определенного значения 600-700°C, удельная поверхность уменьшается из-за того, что некоторые смолообразующие вещества в древесном угле закрывают поры. Затем при повышении температуры плавление и удаление смолы приводит к увеличению удельной поверхности (S_уд) (217 м²/г), создавая дополнительные поры.

Из данных табл.3 также можно сделать заключение о структурно-адсорбционных параметрах адсорбции паров бензола. Основная часть молекул бензола в адсорбентах находится в монослое. Объём мезапор по отношению к адсорбционной емкости V_s составляет: 25,7 % для адсорбента, полученного при 300°С; 45%  - для адсорбента 400°С; 44 %  - для адсорбента 500°С; 31% - для адсорбента 600°С; 23,9% - для адсорбента 700°С, и 50% для адсорбента 800°С. 

Выводы

В результате проведенных исследований нами сделан вывод о том, что, для изученных адсорбентов, термоактивированных в диапазоне температур 300-800⁰С, характеристические величины S_уд, W₀, W_me, V_s составляют, соответственно: для 400⁰С - 3,5; 2,3; 1,0; 1,9; для 500⁰С -3,5; 2,3; 1,0; 2.0; для 600°С - 2,8; 2,6; 1,0; 2,2; для 700°С - 2,3; 2,7; 1,13; 2,3; для 800°С - 5,0; 3,0; 1,0;2,4. При этом адсорбат – бензол образует на поверхности сорбента монослой, объем которого превышает объемы микро- и мезопор. 

Результаты исследования позволяют интерполировать полученные данные для процессов в адсорбционных технологиях очистки пищевых продуктов  (от токсичных веществ в водно-спиртовых растворах), а также при очистке сточных вод от различных экотоксикантов, с применением разработанных сорбентов на основе древесных отходов Paulownia.

Cписок литературы:

1. Поляков В.А., Бурачевский И.И., Морозова С.С., Устинова Е.В., Шубина Н.А. Новые адсорбенты в технологии приготовления водок // Журнал Пищевая Индустрия. – 2012. -  № 5. – С. 40-43
2. Мухин В.М, Соловьев С.Н., Поляков В.А., Шубина Н.А. Активные угли марки ВСК в производстве водок и их реактивация // Ликероводочное производство и виноделие. -  2009, № 5. - С. 15-17.
3. Бурачевский И.И., Морозова С.С., Устинова Е.В. О перспективности применения углей «Norit» для очистки водно-спиртовых растворов // Ликероводочное производство и виноделие. - 2010, № 7-8. -  С. 30-32.
4. Jumaeva D.J., Aymurzaeva L.G., Eshmetov I.D., Salikhanova D.S., Jumabaev B.A. Reagent Method For Wastewater Treatment In Textile Industries // International Journal of  Psychosocial Rehabilitation. 2020. Volume 24, Issue 7, P. 8119-8128.DOI:10.37200/IJPR/V24I7/PR270788.
5. Jumaeva D. J., Eshmetov I.D., Jumabaev B.A., Agzamkhodjayev A.A. Сarbon adsorbents on the basis of brown coal of Angren for cleaning industrial wastewater // Journal «Of chemical technology and metallurgy». – Bulgaria. - 2016. - Vol. 51, N2.  - P. 210-214.
6. Жумаева Д.Ж., Эшметов И.Д., Салиханова Д.С., Агзамходжаев А.А. Отечественные адсорбенты для комплексной очистки промышленных стоков: Монография. – Т.: Издательство «Навруз», 2017.–159 с.
7. Павловния самое быстро растущее дерево в мире /www.denovaagro.com.    Дата обращения: 15.04.2020 г.
8. Пайгамов Р.А., Салиханова Д.С., Эшметов И.Д., Жумаева Д.Ж. Получение уголных адсорбентов из древесины местных сортов // Узбекский химический журнал Ташкент,2018. №2. - С. 28-32.
9. Покровская Е.Н., Никифорова Т.П., Маковский Ю.А. // 1-я Всерос. конф. по полимерным материалам пониженной горючести: Тез. докл. Волгоград. 1995.- С. 105- 107.
10. Абдурахимов А.Х., Жумаева Д.Ж.. Физико-химические и адсорбционные свойства  адсорбентов для очистки водно-спиртовых растворов // Узбекский химический журнал. -  2019. - № 4. - С. 22-28.
11. Paygamov R.A., Jumaevа D.J., Kuldasheva Sh.A., Eshmetov I.D. Obtaining import-substituting adsorbents based on charcoal //Journal Chemical technology monitoring and control. - 2018. № 1-2.-  P. 56- 60.