ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ АКТИВАЦИИ УГЛЯ НА АДСОРБЦИЮ ПАРОВ БЕНЗОЛА

АННОТАЦИЯ

Рисовая шелуха характеризуется большим количеством зольных веществ, основную массу которых составляет оксид кремния. Выделение оксида кремния из термообработанных материалов способствует получению активированных углей и кристаллического оксида кремния для различных целей. Полученные данные в процессе термообработки рисовой шелухи показывают, что условия проведения в процессе активации сильно сказываются на адсорбционных характеристиках получаемых образцов. Количество адсорбции гидрофобного бензола меняется в зависимости от температуры. Особенно данный показатель имеет наивысшее значение при термической активации в присутствии газообразного аргона и паров воды.

ABSTRACT

Rice husks are characterized by a large amount of ash substances, the bulk of which is silicon oxide. The release of silicon oxide from heat-treated materials contributes to the production of activated carbons and crystalline silicon oxide for various purposes. The data obtained during the heat treatment of rice husks show that according to the conditions of the activation process, it strongly affects the adsorption characteristics of the samples obtained. The amount of adsorption of hydrophobic benzene varies with temperature. Especially this indicator has the highest values ​​during thermal activation in the presence of gaseous argon and water vapor.

Ключевые слова: рисовая шелуха, адсорбент, бензол, термическая активация, адсорбция.

Keywords: rice peel, adsorbent, benzene, thermal activation, adsorption.

Введение. Сегодня угольные адсорбенты в основном получают на основе бурого и каменного углей, стеблей растений и скорлупы различных растений. Адсорбенты на основе угля важны для очистки промышленных стоков, отделения ионов редких металлов [6; 9] и в др. отраслях народного хозяйства.

В стране достигнуты результаты по производству угольных адсорбентов с высокими сорбционными свойствами на основе местных растительных сырьевых ресурсов и их использованию при различных адсорбционных очистках. Вместе с тем проводятся исследования по производству угольных высокопористых материалов на основе промышленных углеродсодержащих отходов. Перспективными отходами считаются шелуха риса, лузги семян подсолнуха и твердые части других растительных сырьевых ресурсов [11; 10; 1; 2].

Одним из многотоннажных отходов является шелуха риса, массовая доля которой составляет от 20 до 30% от общего количества добываемого сырья. В настоящее время известны многочисленные способы переработки рисовой шелухи: в качестве топливных брикетов, в цементной и шинной промышленности. Несмотря на это, у нас данное ценное сырье расходуется без переработки в основном в качестве добавки к корму скота, так как существующие способы переработки экономически нецелесообразны, что связано с составом самой шелухи [3].

Авторы [5; 8] показали эффективный способ переработки шелухи, позволяющий получить сразу 2 ценных продукта: высокопористый активированный уголь и наноразмерный диоксид кремния.

На основе имеющихся литературных и экспериментальных данных целью исследований являлось установление влияния условий процессов переработки рисовой шелухи на выходы данного процесса и характеристики полученных продуктов превращений.

Экспериментальная часть. Целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин и другие минеральные компоненты содержатся в рисовой шелухе, и их количество зависит от сорта риса, климатических условий и географической локализации данного растения [9]. Для проведения лабораторных исследований для создания пористых материалов в качестве объекта была выбрана рисовая шелуха (кластер), состав которой характеризуется следующим: органические вещества – около 78%, оксид кремния – 19–21% и остальное оксиды некоторых металлов.

Термическая обработка рисовой шелухи проводилась как в инертной атмосфере в присутствии газообразного аргона, так и с доступом кислорода посредством частичной окислительной деструкции на лабораторной установке. Вместе с тем были проведены процессы термической активации в присутствии водяного пара. Подача паров воды началась при достижении 400 °С в системе. Изучалось влияние условий термической обработки на выход и характеристики получаемых продуктов. Скорость нагрева составила 5 °С/мин для интервала температуры до 200 °С и 7–10 °С для интервала температуры 200–600 °С. Дальнейшее повышение температуры составило 5±1 °С. Исследовалось также влияние пароактивации и ее продолжительности на характеристики получаемого угля. Выделение оксида кремния и других оксидных веществ производилось воздействием 10%-ного раствора КОН при комнатной температуре.

Адсорбционные характеристики по отношению к парам бензола были получены на установке Мак-Бена [4].

Результаты и обсуждение. Известно, что при термической обработке углеродсодержащего сырья, т.е. рисовой шелухи, происходит изменение состава и структуры. Кинетика данного процесса, т.е. изменение массы при обработке, зависит как от состава исходного сырья, так и от условий процесса. Результаты влияния температуры обработки на выход продуктов приведены на рис. 1.

Рисунок 1. Потеря массы рисовой шелухи при пиролизе

В процессе термообработки при температуре 104±1 °С выделяются пары воды в количестве 8,5–8,6% от массы исходной шелухи. Интенсивное газовыделение начинается с температуры более 290 °С, что связано с разложением и окислительной деструкцией органических веществ в составе образца. Вероятно, в данном процессе также происходит процесс дегидратации природных органических соединений. При таких температурных условиях происходит потеря массы, на значения которой в основном влияет наличие окисляющих и других веществ [12]. Однако потери при прокаливании рисовой шелухи в инертной атмосфере и в присутствии кислорода отличаются от известных экспериментальных данных [7]. Изменение массы в процессе термической активации больше по сравнению с окислительной деструкцией во всем интервале температуры. Так, повышение температуры до 400 °С снижает массу исходного сырья на 60,1 и 61,84% при окислительной деструкции и термической активации соответственно. Дальнейшее повышение температуры приводит к монотонному изменению кривой изменения массы при данных условиях. Окончательное изменение массы составляет 62,3 и 63,7% соответственно. Вероятно, более низкие значения изменения массы в процессах окислительной деструкции связаны с образованием оксидных более окисленных твердых веществ в составе сырья. Данные соединения не должны образоваться в процессе термической активации в присутствии газообразного аргона. Данный процесс сопровождается глубокой дегидратацией, дегидроксилированием, декарбонизацией.

Совместная термическая и пароактивация несколько повышает значения потери массы. Однозначно данный процесс приводит к химическим изменениям состава за счет реагирования углерода и других высокоплавких веществ в составе термообработанного материала и выделения в виде шлакового материала. Следовательно, именно данный материал будет характеризоваться более высокими адсорбционными характеристиками.

Полученный продукт содержит в основном соединения кремния. Литературные данные показывают, что данный оксид кремния представляет собой аморфное вещество. Разделение смеси на угольный материал и оксид кремния показал, что содержание оксида кремния и других примесных веществ составляет не менее 53% в составе образца, полученного термической активацией исходного сырья при температуре 600 °С. Таким образом, общее содержание золы в составе исходного сырья составляет не менее 23%.

Исследована сорбция паров бензола на полученных материалах. Величина адсорбции паров бензола на термоактивированном при 400 °С с доступом кислорода материале составила 0,324 моль/кг, а на образце, полученном при 800 °C – 0,54 моль/кг. Повышение количества адсорбции бензола на данном образце в первую очередь связано с повышением пористости, т.е. пор, доступных по размерам для адсорбции гидрофобного бензола. Немаловажным фактором считается и уменьшение гидрофильных поверхностных частей в составе образца, за счет чего данный образец приобретает более высокую гидрофобность. Возможно, в данном процессе и оксид кремния претерпевает изменение поверхностных характеристик, что также играет роль в адсорбционных процессах.

Количества адсорбции бензола в термоактивированном при 400 °C с доступом кислорода и аргона образце имеют практически одинаковые значения. Повышение температуры активации увеличивает разницу показателя адсорбции, и при термоактивации количество адсорбции паров бензола составляет 0,854 моль/кг (рис. 2).

Рисунок 2. Адсорбция паров бензола на образцах

Вероятно, столь малое количество адсорбции в первом образце связано с тем, что во время пиролиза определенная часть поверхности адсорбента окисляется и доля активированного угля уменьшается.

Ступенчатый вид кривой для образца, полученного вторым способом, связан с тем, что при температуре около 700 °С на поверхности адсорбента накапливаются различные смолистые вещества, с чем заканчивается процесс смолизации, а при 800 °C процесс адсорбции усиливается за счет выхода данных смолистых веществ из пор адсорбента.

Более высокими адсорбционными характеристиками обладают образцы, полученные пароактивацией во всем температурном диапазоне обработки.

Таким образом, рисовая шелуха характеризуется большим количеством зольных веществ, основную массу которых составляет оксид кремния. Выделение оксида кремния из термообработанных материалов способствует получению активированных углей и кристаллического оксида кремния для различных целей. Полученные данные в процессе термообработки рисовой шелухи показывают, что по условиям проведения процесс активации сильно сказывается на адсорбционных характеристиках получаемых образцов. Количество адсорбции гидрофобного бензола меняется в зависимости от температуры. Особенно данный показатель имеет наивысшее значение при термической активации в присутствии газообразного аргона и паров воды.

Список литературы:

1. Аунг Хтут Тху, Захаров А.И. Получение неорганической связки для холоднотвердеющих смесей // Новые огнеупоры. – 2018. – № 6. – С. 41–45.
2. Аунг Хтут Тху, Захаров А.И., Маляров А.И. Свойства холоднотвердеющих смесей с жидкостекольным связующим, полученным из сельскохозяйственных отходов // Литейное производство. – 2018. – № 9. – С. 22–25.
3. Аунг Хтут Тху. Получение композиционных материалов на основе продуктов переработки рисовой шелухи : дис. … канд. техн. наук // Литейное производство. – 2020. – № 9. – С. 5.
4. Вураско А.В. Получение твердофазных матриц на основе технической целлюлозы из недревесного растительного сырья / А.В. Вураско, Е.И. Фролова (Симонова) // Международный научно-исследовательский журнал. – 2012. – Ч. 1, № 5. – С. 127–129.
5. Коробочкин В.В. Получение активированного угля пиролизом рисовой шелухи Вьетнама / В.В. Коробочкин, Н.М. Хиеу, Н.В. Ту, Н.В. Усольцева // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2017. – Т. 328, № 5. – С. 6–15.
6. Модификацияланган углеродли адсорбентларда бензол буғи адсорбцияси / Ж.Б. Юлдашов, И.Д. Эшметов, А.Б. Абдикамалова, И.М. Бойматов // Кимёнинг долзарб муаммолари мавзусидаги республика илмий-амалий анжумани. – 2021. – С. 77.
7. Термик фаоллантирилиб олинган адсорбентларда бензол буғи адсорбцияси / Ж.Б. Юлдашов, М.К. Ҳазратов, Ш.М. Хошимов, А.Б. Абдикамалова [и др.] // Роль современной химии и инноваций в развитии национальной экономики. – Фергана, 2021. – C. 127.
8. Холомейдик А.Н. Получение, состав и свойства кремний- и углеродсодержащих продуктов переработки плодовых оболочек риса : дис. … канд. хим. наук. – Владивосток, 2016. – 136 с.
9. Шоли пўстлоғи миқдорига термик фаоллантиришда температуранинг боғлиқлиги / Ж.Б. Юлдашов, М.К. Ҳазратов, Ш.М. Хошимов, А.Б. Абдикамалова [и др.] // «Кимё-технология фанларининг долзарб муаммолари» мавзусидаги Халқаро олимлар иштирокидаги Республика илмий-амалий анжумани. – 2021. – С. 22–23.
10. Cristina D. Activated Carbons Obtained from Rice Husk: Influence of Leaching on Textural Parameters / D. Cristina, G. Dolly, V. Rosa, A. Alejandro [et al.] // Industrial and Engineering Chemistry Research. – 2013. – Vol. 47, № 14. – P. 4754–4757.
11. Ghassan A.H. Study on properties of rice husk ash and its use as cement replacement material / A.H. Ghassan, B.M. Hilmi // Materials Research. – 2010. – Vol. 13, № 2. – P. 185–190.
12. Hazratov M., Yuldashov J., Xoshimov Sh. Study of the Activation Process of Ti Carbon-Containing Minerals Based on Rice Husk // IJARSET. – 2021. – Vol. 8, Issue 4. – P. 17152–17155.