ЭНЕРГЕТИКА АДСОРБЦИИ ПАРОВ БЕНЗОЛА АКТИВИРОВАННЫМ УГЛЕМ

АННОТАЦИЯ

Исследование было сосредоточено на эффективном использовании отходов угольных шахт. Остаточные нефтепродукты смешали с угольными остатками в необходимых пропорциях и получили сорбент. Определение адсорбционных свойств полученного адсорбента проводили в высоковакуумном адсорбционном устройстве. Определив изотерму адсорбции бензола, дифференциальную теплоту, энтропию и равновесное время полученного угля, можно подробно описать адсорбционную способность нового адсорбента, расположение активных центров и размер.

ABSTRACT

The study focused on the efficient use of waste from coal mines. Residual oil products were mixed with coal residues in the required proportions and a sorbent was obtained. The determination of the adsorption properties of the obtained adsorbent was carried out in a high-vacuum adsorption device. Having determined the adsorption isotherm of benzene, differential heat, entropy, and equilibrium time of the obtained coal, it is possible to describe in detail the adsorption capacity of the new adsorbent, the location of active centers, and the size.

Ключевые слова: ангренский уголь, асфальтен, адсорбция, изотерма, дифференциальная теплота, энтропия, время равновесия, адсорбционный калориметр

Keywords: аngren coal, asphaltene, adsorption, isotherm, differential heat, entropy, equilibrium time, adsorption calorimeter.

Введение. Углеродные микропористые адсорбенты (активированный уголь, активированные волокна и ткани) представляют собой класс высокомолекулярных твердых пористых углеродных материалов, которые способны адсорбировать на своей поверхности вещества различной химической природы из газо-, парообразных и жидких сред [1, 2].

По классификации Дубинина М.М. [3], исходя из механизмов сорбции, протекающих в адсорбционных и капиллярных порах, поры различных адсорбентов делятся на следующие типы: микропоры (от 0,1 до 2нм), макропоры (эквивалентный радиус - r более 100-200 нм), мезопоры (от 2 до 50 нм).

Такие адсорбенты отличаются от углей [4] большей площадью поверхности, достигающей 100 м²/г и выше. из-за небольшого размера частиц, они относятся к непористым углеродным адсорбентам. Согласно работ [4,5] поверхность уголеродсодержащих сорбентов может составлять ~ 400-1400 м²/г согласно, что допускает предположить, что они имеют конденсированную плоскую зонную структуру, составляющую 15–55% от теоретически возможного значения 2630 м²/г, полученного для гипотетической модели чистого углерода в гексагональной упаковке [7]. Объем микропор и суперпор обычно находится в пределах от 0,2 до 0,6 см³/г [8]. Для лучших образцов углеродных адсорбентов адсорбционный объем может достигать 1,3–1,5 см³/г [9, 10].

Объект и методы исследования.

Угольный порошок и мелкие частицы смешивали с растворителем – асфальтеном. После перемешивания смесей некоторое время требуется на их уплотнение, загустевание. Затем проводили гранулирование, после которого нагревали до 600⁰С для выделения газообразных веществ. Затем следует пиролиз активированного угля.

Адсорбцию бензола проводили при 303 К на образце адсорбента, полученного активированием местного Ангренского угля.

Полученные результаты и обсуждения. Теоретическое исследование сорбционных свойств полученного активированного угля основано на результатах экспериментов, проведенных в высоковакуумном адсорбционном устройстве. Этот прибор позволяет теоретически полностью изучить адсорбционный объем и термодинамические свойства адсорбентов. На рис.1 представлена изотерма адсорбции бензола на активированном угле, полученном из местных угольных месторождений при температуре 303 К. Изотерма адсорбции изначально показывает ln(P/P₀)= -11. Учитывая, что размер молекулы бензола составляет 0,6 нм, это свидетельствует о наличии наличии микропор в адсорбенте, с абсорбционной емкостью по бензолу ~ 1 ммоль/г ( ln (P/Pо) =-2,5.)

Рисунок 1. Изотерма адсорбции паров бензола на адсорбенте, полученном из локальных угольных хвостов, при температуре 303 К

Когда адсорбция достигает 4,5 ммоль/г, давление в устройстве составляет 119,38 мм.рт.ст. Это значение соответствует давлению насыщенного пара бензола при 300°С, и поры угля насыщены бензолом.

Дифференциальная теплота адсорбции паров бензола на угольном адсорбенте при температуре 303 К, представлена на рисунке 2. Первоначально теплота адсорбции бензола составляет 105,05 кДж/моль при a=0,055 ммоль/г при начальном насыщении, и наблюдается небольшое уменьшение значений теплоты адсорбции последующих молекул бензола. при a=0,52 ммоль/г, Q_d =85,16кДж/моль.

Одна из основных причин высокой теплоты адсорбции молекул бензола при малых насыщениях объясняется адсорбцией на поверхности микропор. На более поздних стадиях адсорбции дифференциальная теплота уменьшается. После a=4,2 ммоль/г теплота адсорбции равна величине термической конденсации.

Рисунок 2. Дифференциальная теплота адсорбции паров бензола на адсорбенте, полученном из локальных угольных хвостов, при температуре 303 К. Горизонтальная черта - теплота конденсации паров бензола при 303 К

Уменьшение дифференциальной теплоты адсорбции бензола на активированном угле объясняется сорбцией на мезопорах, поскольку теплота адсорбции уменьшается по мере того, как уголь становится более насыщенным молекулами бензола. Теплота адсорбции паров бензола на угле близка к 33,8 кДж/моль, что соответствует теплоте конденсации, и всего адсорбируется 4,6 ммоль/г бензола.

Заключение. В нашем исследовании адсорбент активированного угля получен из локальных угольных остатков и были изучены его термодинамические свойства. Изотерма адсорбции и разница температур изначально велики, что указывает на то, что адсорбция паров бензола осуществляется в микропорах. Активированный уголь адсорбирует 4,5 ммоль/г молекул бензола. Молекулы бензола, адсорбированные в микропорах активированного угля, обеспечивают высокую дифференциальную теплоту адсорбции.

Список литературы:

1. Сагитов, А.И. Исследование разделительной способности различных активных углей по отношению к смеси метан-диоксид углерода / Сагитов А.И., Кусалиев А.В., Котов А.С., Кугатов П.В. // Наука. Технология. Производство - 2017.– С. 37-38.
2. Мухин, В.М.Экологические аспекты применения активных углей // Экология и промышленность России. – 2014.– № 12.– С. 52-56.
3. Дубинин, М.М. Капиллярные явления и информация о пористой структуре адсорбентов // Современная теория капиллярности / Под ред. А.И. Русанова и Ф.Ч. Гудрича. – Л: Химия –1980. – С.102-125.
4. Грег, С. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. / Грег С., Синг К. // Пер. с англ. 2-е издание. – М: Мир. – 1984.– 306 с.
5. Дубинин, М.М. Попытки описания микропористых структур на основе теории равновесной адсорбции в микропорах // Исследование 124 адсорбционных процессов и адсорбентов / Под ред. М.М. Дубинина, Э.А. Арипова, В.В. Серпинского - Ташкент. – 1979.–С. 28-36.
6. Дубинин, М.М. Адсорбция паров воды и микропористые структуры углеродных адсорбентов // Известия АН СССР, сер.хим.–1981. – С. 9-23.
7. Juhola. Manufacture Pore Structure and Application of Activated Carbon // J.Kemia – Kemi – 1977.– № 1.–Pp. 543-551.
8. Колышкин, Д.А. Активные угли. Свойства и методы испытания. Справочник. / Колышкин Д.А., Михайлова К.К. // Л: Химия. – 1972. –56 с.
9. Дубинин М.М. Характеристика адсорбционных свойств и микропористой структуры углеродных адсорбентов//Углеродные адсорбенты и их применение в промышленности. Часть 3. Структура и свойства углеродных адсорбентов: Сб. докл. 4-го Всесоюз. сов.– Пермь.– 1987.–С. 3-14.
10. Мухин, В.М. Активные угли. Эластичные сорбенты. Катализаторы, осушители и химические поглотители на их основе (Номенклатурный каталог). / Мухин В.М., Чебыкин В.В., Галкин Е.А., Васильев Н.П., Медяник В.С., Тамамьян А.Н. Под общ. ред. В.М. Мухина // М: Руда и металлы. – 2003. – 208 с.