ИЗУЧЕНИЕ И ПОЛУЧЕНИЕ АДСОРБЕНТОВ ИЗ ОТХОДОВ ДРЕВЕСИНЫ

STUDYING AND OBTAINING ADSORBENTS FROM WOOD WASTE
Цитировать:
ИЗУЧЕНИЕ И ПОЛУЧЕНИЕ АДСОРБЕНТОВ ИЗ ОТХОДОВ ДРЕВЕСИНЫ // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Жумаева Д.Ж. [и др.]. 2023. 3(105). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/15101 (дата обращения: 18.07.2024).
Прочитать статью:
DOI - 10.32743/UniChem.2023.105.3.15101

 

АННОТАЦИЯ

Изучены состав и свойства, микро- и макросодержание элементов, физико-химические характеристики получения адсорбентов на основе местной древесины, а также Павловнии в качестве сырья для получения адсорбентов. Выявлена динамика потери массы разных древесин при 300–800 °С активированных адсорбентов.

ABSTRACT

The composition and properties of micro and macro elements, physicochemical characteristics of obtaining adsorbents based on local wood, as well as Paulownia as a raw material for obtaining adsorbents, were studied. The dynamics of weight loss of different woods at 300–800 °C of activated adsorbents was revealed.

 

Ключевые слова: древесина, Павловния, адсорбент, температура, пористость, влажность, парогазоактивация, пиролиз.

Keywords: wood, Paulownia, adsorbent, temperature, porosity, humidity, steam and gas activation, pyrolysis.

 

В мире ведутся научные исследования для расширения ассортимента водно-спиртовых напитков по научному обоснованию улучшения их запаха и вкуса. В связи с этим особое внимание уделяется установлению причин, понижающих качество водно-спиртовых растворов в ликеро-водочном производстве; разработка способов, повышающих пищевую безопастность водно-спиртовых напитков, с использованием адсорбционного метода их очистки; получение активированных угольных адсорбентов из местных древесин методом их пиролиза; разработка оптимальных условий глубокой очистки водно-спиртовых растворов на созданных активированных углях, полученных из местных древесин.

Одним из приоритетных направлений развития современной технологии адсорбционной очистки от вредных веществ является создание новых, экономически дешевых и высокоэффективных адсорбентов. Необходимость как сброса сточных вод, так и решения проблемы их повторного использования, связанная с дефицитом свежей воды в республике, обуславливает требования к применяемым адсорбентам. Для этого разработка новых видов адсорбентов на основе местного сырья [3; 10; 7; 9; 8], а также их применение являются одной из актуальных проблем очистки промышленных сточных вод. В связи с экологической напряженностью в мире проблема получения, поиска новых сорбентов и разработка их технологий является актуальной.

Дерево Paulownia в значительной мере отвечает требованиям производства адсорбентов, которое изучены авторами [2], что обусловливается его прочностью, влагостойкостью и малой плотностью.

По внешнему виду древесный уголь – твердое микропористое (до 80%) вещество черного цвета, с характерным синеватым блеском. В зависимости от плотности он достаточно хрупкий, может ломаться и измельчаться. Свойства и структура материала определяются температурой в процессе его пиролиза при производстве угля, а также качеством исходного сырья и породой древесины. Приведены сведения об адсорбционной способности углей углеводородных и вискозных волокон. Следовательно, приводятся сведения об областях применения углеродных адсорбентов: в производстве пищевых продуктов – 42%; в технологических процессах – 38%; при охране окружающей среды – 20% [5].

Разработка новых сорбентов, их получение и применение являются основной проблемой современной экологии. Для многотоннажного производства адсорбентов особый интерес представляют лесоперерабатывающая и лесохимическая промышленности.

В России основной объем древесного угля производят из твердых лиственных пород деревьев: сосны, лиственницы и преимущественно из березы. Из плотных твердых пород деревьев, таких как дуб, бук и т.п., активированные угли не готовятся. Ежегодно возникают стихийные пожары на тысячах квадратных километров лесных массивов России, уменьшается сырьевая база древесного угля.

В связи с этим проблема потребности в древесном угле из года в год увеличивается не только в России, но и в Узбекистане [4; 6; 1]. Однако эту проблему можно решить путем расширения сырьевой базы. Использовать лесохимические отходы, скорлупу косточки и другие неиспользуемые в настоящее время древесные материалы, создание специальной аппаратуры и совершенствование технологических процессов его переработки.

Для получения углеродных адсорбентов используются два вида активации древесного материала: после процесса пиролиза парогазовая – при термической активации и химическая – при использования реагентами. Парогазовая активация углеводородного сырья включает две стадии – пиролиз и карбонизацию (ароматизацию) с образованием пористого углеродного материала. Активирование углеродного материала осуществляется при высокой температуре. С помощью окислителя водород, образуя воду, а часть углерода – углекислый газ и угарный газ, преобразует линейную структуру в кольцевидное строение атомов углерода. Двухстадийная технология получения древесного угля не позволяет повысить выход более 15%. Совмещение процессов пиролиза и активирования водяным паром дает возможность повышения выхода.

Результаты полученных исследований показывают, что среди углеродных адсорбентов, активированных в диапазоне 600–800 °С, наиболее активные адсорбенты получаются при температуре 800 °С в течение 1–1,5 часа.

Активированные угли используются для очистки основных веществ от газообразных, жидких и твердых вредных или мешающих веществ. Активированные угли помимо доочистки сточных и питьевых вод применяются для подготовки специальных технических, пищевых вод и водно-спиртовых растворов. Поглощенные вредные органические и неорганические вещества остаются в адсорбированном состоянии в составе активированного угля.

В зависимости от условий пиролиза древесины образуются угли, содержащие микропоры различного размера и выхода, разной прочности, плотности, зольности и активности. Если обычная древесина-сырье имеет углеводородный состав и алифатическое строение полимерной природы, то после его пиролиза образовавшийся уголь состоит почти из углерода, имеет строение конденсированных гетероциклических колец. Водород, соединяясь с гидроксильной группой соседней молекулы, образует воду, а остатки азота белков при температуре выше 500 °С, окисляясь с кислородом воды, образуют летучие окислы азота или молекулярный азот.

Химическое изменение можно описать в виде уравнений:

2NH2-CnH2n-COOH+n[O]→N2+2nH2O+2nCO 2

В составе древесных углей встречаются элементы органической и неорганической природы. Результаты изучения содержания элементного состава стружки свежесрезанной древесины приведены соответственно в табл. 1 и 2.

Таблица 1.

Результаты элементного анализа основных макро- и микроэлементов стружки из свежесрезанных деревьев

Названия деревьев

Содержания элементов, %

макро

микро

C

H

O

N

K

Na

Ca

Mg

Cu

Fe

1

Абрикосовое

35.14

7.11

55.42

0.20

0.57

0.14

0.21

0.11

0.01

0.83

2

Персиковое

35.04

7.04

55.21

0.21

0.25

0.01

0.02

0.16

0.05

0.18

3

Вишневое

35.12

7.08

55.49

0.18

0.28

0.02

0.04

0.05

0.09

0.09

4

Чинара

37.41

6.68

54.18

0.14

0.05

0.02

0.08

0.16

0.01

0.01

5

Береза

36.81

7.10

55.88

0.15

0.05

0.01

0.04

0.15

0.01

0.01

6

Павловния

38.90

6.10

55.99

0.15

0.03

0.01

0.02

0.13

0.01

0.00

 

Все растения методом пиролиза при высокой температуре без доступа кислорода и воздуха образуют угли. Их основной состав – конденсированные ароматические и гетероциклические высокомолекулярные соединения.

В республике запасы угля не такие большие и используются в основном для производства тепла и выработки электроэнергии на Ангренских теплоэлектростанциях. Нужны альтернативные источники получения адсорбентов из многих отходов растительного происхождения. К ним относятся отходы плодовых и декоративных деревьев, скорлупа косточек, пищевых продуктов и т.п. Хотя они являются вторичным сырьем, однако их для получения активированных углей практически не используют.

Для получения качественной продукции или ее компонентов с заранее заданными свойствами необходимо переработать любое естественное и искусственное вещество. Растительное сырье из любого источника необходимо:

  • переработать, вывести из поровых каналов их заполнители, термически активировать соответствующими химическими веществами, то есть реагентами;
  • пиролизом раскрыть поры до максимальных размеров и обеспечить максимальную адсорбционную поверхность и емкость. Правильный выбор активатора, промотора обеспечивает селективную очистку основного продукта от вредных примесей.

В республике активированный угольный адсорбент используют в пищевой промышленности для очистки масла, для очистки вин и соков, для удаления нерастворимых и растворимых в них веществ, которые могут повлечь нежелательные последствия, такие как отравления организмов, привкус, посторонний запах, сгущение и т.п. Активированные углеродные адсорбенты импортируют из-за границы, тогда как можно организовать производство в республике.

Наша республика является аграрно-индустриальной страной. По переработке древесины имеется много фабрик мебельной продукции и полуфабрикатов. По переработке сельхозпродуктов имеются консервные и кондитерские комбинаты, элеваторы для зерновых культур, эфиромасличные производства. Их отходами являются скорлупа, лузга и кожура. После соответствующей их химводообработки и пиролиза можно получить адсорбенты. Результаты элементного анализа исходных отходов приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Результаты элементного анализа основных макро- и микроэлементов стружки древесины

Названия деревьев

Содержания элементов, %

макро

микро

C

H

O

N

K

Na

Ca

Mg

Cu

Fe

1

Абрикосовое

43.51

5.93

49.08

0.24

0.71

0.17

0.26

0.14

0.012

1.03

2

Персиковое

43.32

5.82

49.22

0.25

0.30

0.01

0.03

0.20

0.06

0.22

3

Вишневое

43.80

6.03

48.68

0.20

0.35

0.02

0.05

0.06

0.11

0.11

4

Чинара

41.20

6.09

48.06

0.17

0.07

0.03

0.10

0.20

0.01

0.01

5

Береза

49.04

6.10

44.66

0.18

0.06

0.01

0.05

0.18

0.01

0.01

6

Павловния

50.15

5.40

44.44

0.18

0.04

0.01

0.03

0.16

0.01

0.00

 

Из таблиц 1 и 2 видно, что после просушивания опилок древесины при температуре 140–150 °С их масса уменьшается в 1245–1250 раз или 24,5–25,0%. Считая за 100% 100 г свежесрезанных и просушенных опилок древесины, они потеряли свободную влагу и некоторые легколетучие элементы, такие как хлор и йод. В составе древесины изученных плодовых деревьев корме 10 изученных элементов имеются еще 17–18 элементов, которые содержатся в макро- и микроколичествах, – бора, рубидия, кремния, свинца, молибдена, хрома, кобальта, никеля, калия и меди.

Среди изученных древесин Павловния состоит из 47,0–49,5% целлюлозы, 12–15% пентозанов, 21–23,5% лигнина и 11,8% экстрактивных веществ, 0,6–1,0% золы, 1,0% растворимых в горячей воде веществ, тогда как местная древесина чинара содержит 50,5% целлюлозы, 25,0% пентозанов, 23,0% лигнина, 0,6% золы и около 1,0% веществ, растворимых в горячей воде.

В составе древесины березы и Павловнии содержатся неорганические соли. Если считать за 100% содержание таких солей, 40% из них составляют карбонат кальция и 20% – карбонат калия.

Все растения, термообработанные при высокой температуре в безвоздушном пространстве, образуют угли. Если эти древесины термообрабатываются после химической обработки, то образуются активированные угли.

В процессе подготовки опилок древесины к анализу образцы замачивались в дистиллированной или обессоленной воде. При этом удалили водорастворимые неорганические производные металлов (калия, натрия, кальция, магния и др.). Промытые и просушенные опилки подвергались пиролизу. При пиролизе опилок древесины с острым водяным паром часть выгорела, а основная часть в количестве около 25–30% осталась, превратившись в уголь. Исследованные угли от разных деревьев имели нижеследующий выход углерода после их промывки водой и сушки при 140–150 °С: абрикосовое – 25,41%, персиковое – 25,94%, вишневое – 24,76%, чинара – 26,08%, береза – 26,40% и Павловния – 27,75%.

Изучено влияние температурной обработки в герметично закрытой муфельной печи без доступа воздуха и кислорода в интервале температур 300–800 °С на физические свойства древесин плодовых и неплодовых лиственных деревьев. Обнаружено, что при нагревании в безвоздушном пространстве в этом интервале температур уменьшаются влажность на 1,0–1,5%; выход адсорбентов – на 1–4%; выход в среднем – 3–5%; прочность – на 4–6%. Результаты анализа физических величин приведены в табл. 3.

Из табл. 3 видно, что древесина плодовых деревьев обладает узким диапазоном изменения влажности и содержания золы, однако широким интервалом уменьшения выхода и возрастания прочности угольного адсорбента. Среди полученных углей наибольшей прочностью и одновременно выходом при температуре 800 °С обладает адсорбент, полученный из древесины Павловнии.

Таблица 3.

Результаты анализа физико-химических характеристик получения адсорбентов

Названия образцов древесины

Температура активации,

Т, °С

Влажность древесины, W, %

Содержание золы,

А, %

Выход адсорбентов, %

Прочность адсорбентов,

%

1

Абрикос

300

400

500

600

700

800

2.75

2.21

1.92

1.43

1.18

1.10

2.98

3.05

3.28

3.40

3.76

4.05

29.11

29.11

27.96

26.11

25.01

24.94

7.43

7.01

8.24

9.03

9.67

10.08

2

Персик

300

400

500

600

700

800

2.80

2.32

2.00

1.56

1.34

1.05

2.96

3.01

3.22

3.37

3.71

4.00

30.01

29.4

28.5

27.1

25.8

25.02

8.01

7.63

8.97

10.04

10.69

11.38

3

Вишня

300

400

500

600

700

800

3.40

2.99

2.35

1.87

1.50

1.10

4.03

4.15

4.67

5.41

6.23

8.06

31.46

30.17

29.30

28.10

27.44

27.09

5.63

6.32

7.19

8.00

8.11

8.20

4

Чинара

300

400

500

600

700

800

2.68

2.56

2.40

2.29

2.12

1.95

6.02

6.12

6.66

7.11

8.00

9.21

31.45

30.8

30.17

29.06

28.50

28.01

5.91

6.49

7.28

8.59

8.99

9.86

5

 

Береза

300

400

500

600

700

800

2.58

2.40

2.25

2.06

1.98

1.98

5.98

6.10

6.56

7.05

8.02

8.89

31.8

31.12

30.67

30.08

29.10

28.02

9.00

9.92

10.79

11.43

11.97

12.24

6

 

Павловния

300

400

500

600

700

800

2.65

2.44

2.28

2.09

2.00

2.00

5.92

6.05

6.50

6.95

7.86

8.70

32.30

32.19

31.32

30.63

30.13

30.03

9.08

10.01

10.86

11.71

12.43

13.24

 

Адсорбент из персиковой древесины при температуре выше 800 °С теряет массу.

Из рис. 1 видно, что наименьшая потеря массы от температуры наблюдается у Павловнии и составляет всего 3%, а у других она составляет от 3,5 до 5,0%. При температуре 850 °С и выше большая часть активированного угля выгорает, и поэтому выход и прочность резко уменьшаются.

 

Рисунок 1. Динамика потери массы разных древесин при 300-800°С активированных углей

 

Возникла идея воспользоваться теплом, вырабатываемым микроволновой печью, так как древесина может раскрыть поры путем удаления влаги микроволновым излучением. Для этого нами выбраны образцы адсорбентов, полученных из древесин, термообработанных в температурном режиме 300 °С.

Изучение влияния термомагнитной обработки на порообразование показало, что температура нагрева дерева недостаточна для раскрытия микропор, а мезопоры, находящиеся на поверхностной части древесины, недостаточно расширяются и не могут выпустить влагу из каналов капилляров. Существенных изменений зольности не произошло, поэтому это не включили в обсуждение. Диаметры капилляров мезопор малы по отношению к диаметру молекул воды и растворов, находящихся в каналах древесины. Из рис. 2 видно, что остаточная влага уменьшается на 1,5–2,0%.

Результаты опытов приведены на рис. 2 и в табл. 3.

Температурный интервал микроволновой печи – 20–120 °С. Через 30 с температура печи становится 100 °С и выше. Для опытов использовали микроволновую печь южнокорейской фирмы Samsung модели MW73AR с выходной мощностью 800–1000 Вт с магнетроном ОМ75S (31).

Заметно, что обратная зависимость между выходом активных углей и плотностью (удельным весом) лубов деревьев, то есть абрикосовое – 772 кг/м3, персиковое – 760 кг/м3, ореховое – 680 кг/м3, черешневое – 600 кг/м3, вишневое – 620 кг/м3, чинара – 500 кг/м3, береза – 650 кг/м3 и Павловния – 320 кг/м3.

 

Рисунок 2. Зависимость влажности от времени микроволновой активации термообработанных стружек древесин при температуре 300 °С

 

Все деревья кроме чинары и Павловнии содержат сахаристые соки. Поэтому их стволы имеют высокие плотности.

Закономерность между плотностью и выходом активированных углей можно расположить в следующий ряд: по плотности: абрикос < персик < вишня < береза < чинара < Павловния. По выходу: абрикос < персик < вишня < береза < чинара < Павловния.

 

Список литературы:

  1. Адсорбция паров бензола на углеродных адсорбентах, полученных из древесины Paulownia / А.Х. Абдурахимов, Н.Т. Рахматуллаева, Д.Ж. Джумаева, И.Д. Эшметов // Universum: Chemistry and Biology. – 2020. – № 9 (75). – С. 83–87.
  2. Будницкий Г.А. Углеродные волокна и материалы на основе вискозных волокон / Г.А. Будницкий, B.C. Матвеев, М.Е. Казаков // Химические волокна. – 1993. – № 5. – С. 19–22.
  3. 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.
  4. Юрьев Ю.Л., Ничков Н.А. // Гидролизная и лесохимическая промышленность. – 1991. – № 8. – С. 10.
  5. Bansal R.C. Activated carbon adsorption / R.C. Bansal, M. Goyal. – USA : Taylor & Francis Group, 2005. – 520 p.
  6. Carbon adsorbents on the basis of brown coal of Angren for cleaning industrial wastewater / D. Jumaeva, I.D. Eshmetov, B.A. Jumabaev, A.A. Agzamkhodjayev // Of chemical technology and metallurgy. – Bulgaria, 2016. – Vol. 51, № 2. – P. 210–214.
  7. Energy of adsorption of an adsorbent in solving environmental problems / D. Jumaeva, A. Abdurakhimov, Kh. Abdurakhimov, N. Rakhmatullaeva [et al.] // E3S Web of Conferences. – 2021.
  8. Frequency-controlled asynchronous electric drives and their energy parameters / O. Toirov, D. Jumaeva, U. Mirkhonov, S. Urokov [et al.] // AIP Conference Proceedings. – 2023.
  9. Juraevna D.J., Yunusjonovich U.R., Karimovich O.E. Studying on the activated absorbents derived from waste of a grape seed // Journal of Chemical Technology and Metallurgy. – 2022. – № 57. – P. 998–1005.
  10. Rakhimov U.Yu., Jumaeva D.J. Obtaining and investigation of gas vapor of activated adsorbents based on grape seed extract waste // The Scientific Heritage. – 2021. – № 78-2. – P. 17–19.
Информация об авторах

д-р техн. наук, ведуший науч.сотр., Институт общей и неорганической химии академии наук Республики Узбекистан, Узбекистан, г. Ташкент

Doctor of Technical Sciences, Leading Researcher, Institute of General and Inorganic Chemistry, Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Uzbekistan, Tashkent

ассистент кафедры «Промышленная экология», Ташкентский химико-технологический институт, Республика Узбекистан, г. Ташкент

Assistant of the Department of Industrial Ecology, Tashkent Chemist Technological Institute, Republic of Uzbekistan, Tashkent

PhD, доц., Ташкентский химико-технологический институт, Республика Узбекистан, г. Ташкент

(PhD), Associate Professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, Republic of Uzbekistan, Tashkent

ассистент кафедры медицинской и биологической химии, Ташкентская медицинская академия, Республика Узбекистан, г. Ташкент

Assistant of the Department of Medical and Biological Chemistry of the Tashkent Medical Academy, Republic of Uzbekistan, Tashkent

студент, Ташкентский национальный университет, Республика Узбекистан, г. Ташкент

Student of Tashkent National University, Republic of Uzbekistan, Tashkent

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ларионов Максим Викторович.
Top