ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ УГЛЕРОДНЫХ АДСОРБЕНТОВ НА ОСНОВЕ АНГРЕНСКОГО БУРОГО УГЛЯ

АННОТАЦИЯ

На основании изотерм адсорбции паров бензола и соответствующих уравнений определены структурно-сорбционные свойства угольных адсорбентов, полученных из ангренского бурого угля 2БР2 термически, с помощью химической активации калийной щелочи.

ABSTRACT

Based on benzene vapor adsorption isotherms and corresponding formulas, the structural and sorption properties of coal adsorbents obtained from Angren brown coal 2BR2 by thermal and potassium alkali-chemical activation were determined.

Ключевые слова: активированный уголь, бензол, изотерма, адсорбция, удельная поверхность, химическая активация, монослойная емкость, пористость.

Keywords: activated carbon, benzene, isotherm, adsorption, specific surface area, chemical activation, monolayer capacity, porosity.

Введение. Месторождения угля широко распространены по всему миру, их возраст оценивается в несколько миллионов лет. В Узбекистане разведаны 1900 миллионов тонн запасов угля, в том числе 1853 миллиона тонн бурого угля и 47 миллионов тонн каменного угля. Оценочные ресурсы превышают 5,7 млрд тонн угля. Большие запасы угля обнаружены в южных регионах, в частности, в Сурхандарьинской и Кашкадарьинской областях. В настоящее время добыча угля осуществляется на трех шахтах нашей Республики: Ангренском буроугольном разрезе, а также Шаргунском и Байсунском каменноугольных разрезах [7].

Ангренский угольный разрез – буроугольный разрез в Охангаранской долине Ташкентской области. Этот рудник расположен у подножья Курамских и Чаткальских гор. Геологоразведочные работы начались в 1934 году. Первая мина была запущена в 1940 году. Площадь угольного бассейна составляет около 70 км². Определенный запас составляет 1,9 млрд на глубину 860 м. т (около 1/4 всех запасов угля в Средней Азии). Уголь расположен среди юрских отложений, пласт очень мощный, мощность от 20 м до 130 м от поверхности. Уголь относится к марке Б2. Теплота сгорания 13,9 МДж/кг. Уголь добывают в основном открытым способом (2,5 млн т), частично подземным (0,5 млн т) [8].

Структура угля состоит из сложных органических макромолекул, образующих жесткий скелет, наполненный порами и трещинами. Графитизация и закоксовывание органических компонентов происходит при углеобразовании и влияет на структурные свойства угольного материала. Микроструктурные свойства угля, такие как размер и форма кристаллов, состав и распределение пор, плотность и гранулометрический состав, играют важную роль в его адсорбционных и прочностных свойствах [4; 9; 10].

Адсорбенты должны обладать достаточной прочностью, чтобы сохранять свою форму и целостность под воздействием высокого давления, механического перемешивания и агрессивной среды. Важной задачей является анализ влияния физико-химических свойств угля, таких как структура, пористость и микроструктура, на прочностные свойства угольных адсорбентов [6].

В последние годы уголь используется в качестве адсорбента для различных производственных целей. Благодаря высокому содержанию углерода и пористой структуре уголь обладает способностью эффективно адсорбировать различные вещества, в том числе воду, газы, а также токсичные и загрязняющие вещества в других средах. Однако для максимального использования угля в качестве адсорбента необходимо учитывать его свойства, состав и структуру, влияние условий активации на их прочностные и адсорбционные свойства.

Методы и материалы. Учитывая вышеизложенное, особое значение приобретает получение углеродных адсорбентов на основе бурого угля. Для этого в качестве объекта исследования был выбран бурый уголь марки 2БР2. Адсорбенты готовили путем активации образца угля физическим (термическим) и химическим (калийно-щелочным) методами активации. При методе физической активации образец термически активируют в инертной среде до температуры 100–900 ^оС. При методе химической активации сырье предварительно измельчают и пиролизуют в инертной среде при температуре 500 ^оС. Полученный карбонизат подвергали химической обработке раствором гидроксида калия. Изучено влияние массового соотношения карбонизата и активирующего реагента (1:1, 1:2, 1:3, 1:4 и 1:5). Затем полученную смесь фильтровали и экстрагированный углеродистый материал активировали паром при температуре 850 ^оС. Полученный углеродный адсорбент обрабатывали 0,5 % раствором соляной кислоты до образования нейтральной среды. Затем адсорбент несколько раз промывали дистиллированной водой и сушили при температуре 100±5 ^оС [5].

Адсорбцию полученных веществ парами бензола изучали на основании ISO 15901-1. На основе изотерм адсорбции паров бензола на угольных адсорбентах по уравнению теории БЭТ определяли емкость монослоев, объем насыщения (или адсорбцию) и их площадь поверхности [1; 2; 3].

Результаты и их обсуждение. В настоящее время в нашей стране адсорбенты с высокими адсорбционными свойствами широко используются в пищевой, фармацевтической промышленности, очистке питьевых и промышленных сточных вод и других отраслях. Среди них особое значение имеют угольные адсорбенты. По этой причине используется местное сырье вместо импортного, применяемого в различных промышленных отраслях, потому, что получение адсорбентов с высокими адсорбционными свойствами и фундаментальные исследования их адсорбционных свойств являются одной из актуальных задач современности.

На основе изложенных соображений исследована адсорбция паров бензола на физически и химически активированных угольных адсорбентах. На основании полученных изотерм и соответствующих формул определены структурно-сорбционные параметры образцов.

Рисунок 1. Изменение удельной поверхности по БЭТ в зависимости от изменения температуры активации угольных адсорбентов

На рисунке 1 показано изменение удельной поверхности образцов угля в зависимости от изменения температуры активации. По мере увеличения температуры термической активации удельная площадь поверхности (м²/г) увеличивается. Это свидетельствует о том, что при высокой температуре на поверхности угля образуются дополнительные активные центры и поры.

Повышение температуры до 800 ^оС привело к увеличению удельной поверхности образца угля почти в 3,5 раза. Однако в результате повышения температуры изменение относительной поверхности образца замедлилось и прекратилось. Отсюда можно сделать вывод, что температура 800 °С является оптимальным условием для данного образца.

Химическая активация образцов приводит к увеличению удельной поверхности, уменьшению размера микропор и увеличению их количества по сравнению с термической активацией. Это показывает, что в процессе активации важную роль в образовании микропор и увеличении удельной поверхности угля играют химические реагенты.

Данные сравнивались между термически активированными образцами и образцами, химически активированными КОН. Химическая активация КОН существенно влияет на текстурные свойства угля, такие как удельная поверхность и размер пор.

Рисунок 2. Изменение удельной поверхности угольных адсорбентов по БЭТ в зависимости от количества КОН

Установлено, что химическая активация образца угля калийной щелочью приводит к значительному увеличению удельной поверхности (м²/г) по методу БЭТ. По полученным результатам видно, что он увеличился почти в 7,7 раза. Увеличить относительную площадь поверхности помогает использование калийной щелочи в процессе активации.

Рисунок 3. Изменение количества адсорбции бензола и монослойной емкости угольных адсорбентов в зависимости от количества КОН

В результате увеличения массового соотношения уголь+КОН с 1:1 до 1:5 величина адсорбции молекул бензола угля составляет 4,971 ммоль/г и 5,163 ммоль/г соответственно, а удельная поверхность для этих образцов составила 759,14 м2/г и изменилась до 790,16 м2/г. В результате увеличения массового соотношения уголь + КОН с 1:1 до 1:5 видно, что относительная площадь поверхности угля существенно не изменилась. По результатам этих экспериментов было установлено, что взятие угля и КОН в равном массовом соотношении в процессе активации является оптимальным количеством для данного образца угля.

Основная часть адсорбции молекул бензола в адсорбентах: в природном угле – 44,7 %, в Уголь+КОН (1:1) – 63,4 %, в Уголь+КОН (1:2) – 63,5 %, – 63,5 % в Уголь+ КОН (1:3), 63,5 % при Уголь+КОН (1:4), 63,5 % при Уголь+КОН (1:5) соответствует величине монослойной емкости адсорбентов.

На основе изотерм адсорбции адсорбентов на бензоле и уравнения ТОЗМ определены объемы адсорбции в адсорбентах при различных относительных давлениях (P/Ps): микропоры (W₀), мезопоры W_me = V_s-W₀, объем адсорбции насыщения (V_s) и значения среднего радиуса пора представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Показатели пористости угольных адсорбентов для адсорбции паров бензола

По среднему радиусу пор все адсорбенты относятся к сверхпористым (0,5-0,6 < r < 1,5-1,6 нм) адсорбентам согласно классификации пор, предложенной М.М. Дубининым.

Заключение. Основные химические и структурные свойства угля влияют на его адсорбционную способность и механическую прочность как адсорбента. Содержание углерода и ароматических углеводородов обычно являются основными факторами, определяющими адсорбционные свойства угольных гранул. Параметры микроструктуры, такие как размер и распределение пор, также оказывают существенное влияние на способность углеродного материала адсорбировать различные вещества.

Высокая способность адсорбентов адсорбировать молекулы бензола связана с размером, структурой и экспозиционной способностью пор угля. Кроме того, дипольный момент молекул адсорбата (0,0 D) и критический диаметр молекул адсорбента составляют 6,0 А, что определяет специфику взаимодействия молекул бензола с активированными угольными адсорбентами. Поэтому влияние электронной природы адсорбента играет большую роль при использовании адсорбентов в процессах адсорбции. По разнице количества калийной щелочи, изменению микропор и адсорбционного объема при химической активации этих адсорбентов и при термической обработке в результате химической реакции неразложившихся органических соединений и смолистых веществ с КОН при высоких температурах подтверждено растрескивание угля и увеличение количества пор.

Список литературы:

1. ИСО 15901-3, Распределение пор по размерам и пористость твердых материалов методом ртутной порометрии и адсорбции газа — Часть 3: Анализ микропор методом адсорбции газа. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.gostinfo.ru/catalog/Details/?id=3615363 (дата обращения: 24.03.2024).
2. ИСО 15901-1, Распределение пор по размерам и пористость твердых материалов методом ртутной порометрии и газовой адсорбции — Часть 1: Ртутная порометрия. – 33 с.
3. ИСО 9277:2010(Е) Определение удельной поверхности твердых тел методом адсорбции газа — метод БЭТ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://docs.yandex.ru/docs/view?tm=1713470531&tld=ru&lang=ru&name=ISO-9277-2010.pdf&text=ИСО%209277%3A2010(Е)%20Определение%20удельной%20поверхности%20твердых%20тел%20методом%20адсорбции%20газа%20—%20метод%20БЭТ&url=https%3A%2F%2Fcdn.standards.iteh.ai%2Fsamples%2F44941%2Fb2d8b9837d2749d7a703d6ea62a9bb6a%2FISO-9277-2010.pdf&lr=11463&mime=pdf&l10n=ru&sign=6cbfd379339a87ef1a1ae62a1b246183&keyno=0&nosw=1&serpParams=tm%3D1713470531%26tld%3Dru%26lang%3Dru%26name%3DISO-9277-2010.pdf%26text%3D%25D0%2598%25D0%25A1%25D0%259E%2B9277%253A2010%2528%25D0%2595%2529%2B%25D0%259E%25D0%25BF%25D1%2580%25D0%25B5%25D0%25B4%25D0%25B5%25D0%25BB%25D0%25B5%25D0%25BD%25D0%25B8%25D0%25B5%2B%25D1%2583%25D0%25B4%25D0%25B5%25D0%25BB%25D1%258C%25D0%25BD%25D0%25BE%25D0%25B9%2B%25D0%25BF%25D0%25BE%25D0%25B2%25D0%25B5%25D1%2580%25D1%2585%25D0%25BD%25D0%25BE%25D1%2581%25D1%2582%25D0%25B8%2B%25D1%2582%25D0%25B2%25D0%25B5%25D1%2580%25D0%25B4%25D1%258B%25D1%2585%2B%25D1%2582%25D0%25B5%25D0%25BB%2B%25D0%25BC%25D0%25B5%25D1%2582%25D0%25BE%25D0%25B4%25D0%25BE%25D0%25BC%2B%25D0%25B0%25D0%25B4%25D1%2581%25D0%25BE%25D1%2580%25D0%25B1%25D1%2586%25D0%25B8%25D0%25B8%2B%25D0%25B3%25D0%25B0%25D0%25B7%25D0%25B0%2B%25E2%2580%2594%2B%25D0%25BC%25D0%25B5%25D1%2582%25D0%25BE%25D0%25B4%2B%25D0%2591%25D0%25AD%25D0%25A2%26url%3Dhttps%253A%2F%2Fcdn.standards.iteh.ai%2Fsamples%2F44941%2Fb2d8b9837d2749d7a703d6ea62a9bb6a%2FISO-9277-2010.pdf%26lr%3D11463%26mime%3Dpdf%26l10n%3Dru%26sign%3D6cbfd379339a87ef1a1ae62a1b246183%26keyno%3D0%26nosw%3D1(дата обращения: 24.03.2024).
4. Кугатов П.В., Баширов И.И., Жирнов Б.С. Адсорбционное исследование микропористости карбонизованных саже-пековых гранул // Коллоидный журнал. – 2015.– Т. 77.– № 4.– С. 464.
5. Пайгамов Р.А., Эшметов И.Д. Исследование структуры и состава углеродных адсорбентов, полученных на основе Ангренского угля // Сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. «Фундаментальные и практические проблемы физической и коллоидной химии и их инновационные решения». – Наманган, 2024. – С. 579-581.
6. Поконова Ю.В., Заверткина Л.И. Нефтяные фракции как связующие для углеродных адсорбентов // Химия и технология топлив и масел. – 2000. – № 1. – С. 41-43.
7. Угольная промышленность Узбекистана [Электронный ресурс]. –  Режим доступа:   https://miningwiki.ru. (дата обращения: 27.03.2024).
8. [Электронный ресурс]. – Режим доступа:   https://uz.wikipedia.org/wiki/Angren_ko%CA%BBmir_koni (дата обращения: 27.03.2024).
9. Gęca M., Wiśniewska M., Nowicki P. Biochars and activated carbons as adsorbents of inorganic and organic compounds from multicomponent systems – A review // Advances in Colloid and Interface Science. – 2022. – Vol. 305. – P. 102687 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://doi.org/10.1016/j.cis.2022.102687(дата обращения: 25.03.2024).
10.  Park J.M., Kim C.M., Jhung S.H. Melamine/polyaniline-derived carbons with record-high adsorption capacities for effective removal of phenolic compounds from water // Chemical Engineering Journal. – 2021. – Vol. 420. – P. 127627 [Электронный ресурс]. – Режим доступа:  https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127627 (дата обращения: 23.03.2024).