ПОЛУЧЕНИЕ ОБРАЗЦОВ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСИНЫ ТУТОВОГО ДЕРЕВА И ТОПОЛЯ И ИХ ИК-СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

АННОТАЦИЯ

В работе представлены результаты синтеза и исследования активированных углей, полученных из древесины тутового дерева и тополя методом пиролиза с последующей активацией водяным паром. Изучено влияние температурных режимов карбонизации (300–400 °С) и активации (700–800 °С) на физико-химические свойства углей. Определено, что повышение температуры приводит к росту адсорбционной активности и зольности при снижении насыпной плотности. Оптимальными условиями признаны: карбонизация при 400 °С и активация при 800 °С в течение четырёх часов. ИК-спектроскопия выявила наличие функциональных групп, способствующих высокой сорбционной способности образцов. Полученные активированные угли характеризуются эффективностью при очистке керосиновой фракции от меркаптанов и могут служить заменой импортных аналогов, обеспечивая развитие отечественного производства сорбентов на основе местного органического сырья.

ABSTRACT

The study presents the results of the synthesis and investigation of activated carbons obtained from mulberry and poplar wood by pyrolysis followed by steam activation. The influence of carbonization (300–400 °C) and activation (700–800 °C) temperature regimes on the physicochemical properties of the carbons was studied. It was determined that increasing the temperature leads to an increase in adsorption activity and ash content while reducing bulk density. The optimal conditions were found to be carbonization at 400 °C and activation at 800 °C for four hours. IR spectroscopy revealed the presence of functional groups that contribute to the high sorption capacity of the samples. The resulting activated carbons are effective in purifying kerosene fractions from mercaptans and can serve as substitutes for imported analogues, promoting the development of domestic sorbent production based on local organic raw materials.

Ключевые слова: керосин, меркаптан, адсорбция, тутовое дерево, тополь, древесина, карбонизация, активация, водяной пар, активированный уголь, ИК-спектр, функциональная группа, селективность.

Keywords: kerosene, mercaptan, adsorption, mulberry tree, poplar, wood, carbonization, activation, water vapor, activated carbon, IR spectrum, functional group, selectivity.

Введение. В настоящее время в сферах коллоидной химии, нефти и газа особое значение имеет получение эффективных микропористых активированных углей на основе органического сырья и применение их в практике при очистке различных реагентов и продуктов [5].

ООО «Бухарский нефтеперерабатывающий завод» производит высококачественное реактивное топливо Jet A-1 (керосин) для самых известных в мире компаний Boeing, Airbus и местных авиакомпаний. Устройство демеркаптанизации керосиновой фракции (БНПЗ, устройство № 12) играет важную роль в обеспечении соответствия качества этого топлива международным стандартам. В этом устройстве для очистки керосина от соединений серы в виде меркаптанов и различных других минеральных добавок используются различные реагенты и активированный уголь, привезенный из-за границы [4].

По данным ООО «Бухарский нефтеперерабатывающий завод» в 2023 году для удовлетворения потребностей в процессе демеркаптанизации керосина импортировано 5400 кг (30 м³) активированного угля марки ACTICARBONE BGP MX 10x30 от компании Chemviron (Франция), стоимостью 2140 доллар США на 1 м3 (180 кг). A всего на импорт было потрачено 64200 долларов США. Важно учитывать, что страна имеет достаточную сырьевую базу для производства активированного угля данного типа [4].

Согласно политике, проводимой в стране относительно модернизации химической и нефтегазовой промышленности, а также производству товаров на основе местного сырья с целью импортозамещения производство активированного угля с использованием местного сырья и применение его в процессе демеркаптанизации керосиновой фракции остается актуальной задачей для ученых и специалистов в области нефтехимии и переработки нефти и газа.

Объекты и методы исследования. В качестве объекта исследования были использованы древесины тутового дерево и тополя.

Для получения образцов активированных углей из вышеперечисленных сырьевых ресурсов авторами статьи разработана лабораторная установка пиролиза твердого органического сырья без доступа воздуха и последующей активацией карбонизата с помощью водяного пара (см. рис. 1). В ходе исследований была произведена карбонизация сырья в лабораторном трубчатом реакторе емкостью 0,25 м³ с электрическим обогревом без доступа воздуха. Температуру в реакторе контролировали с помощью электронной термопарой. Переработке подвергали фракции 0,2–5,0 мм и высушенных при 110°С до постоянной массы. После загрузки подсушенных гранул верхняя часть реактора герметично закрывалась, а нижняя имела трубчатый отвод для вывода смолообразных и газообразных продуктов термического пиролиза [1; 2; 6].

Рисунок 1. Лабораторная установка получения активированных углей из органического сырья:

1 – емкость для воды; 2 – манометр (образцовый); 3 – медный капилляр; 4 – парогенератор; 5 – печь карбонизации и активации; 6 – латоры; 7 – милливольтметры; 8 – холодильник; 9 – приемник; 10 – газовый счетчик; 11 – стабилизатор давления; 12 – карман термопары

Процесс карбонизации проводили при температуре 300–400°С, которая контролировалась с помощью термопары, находящейся в средней части реактора. Скорость подъема температуры составляла 7–10°С в минуту. По достижению необходимой температуры эксперимента образец выдерживали в реакторе в течение 1–2 часов, а затем охлаждали до комнатной температуры. Выделяющиеся газообразные продукты пиролиза эвакуировали из реактора по газоотводной трубке и направляли в охлаждаемый конденсатор для конденсации паров воды и смол. Процесс активации карбонизата проводили в том же реакторе. Для проведения активации карбонизованные гранулы загружали в трубчатый реактор, который продували потоком газообразного азота в течение 15 минут для удаления кислорода из зоны реакции. Верхний фланец реактора снабжен патрубком для входа перегретого водяного пара, а нижний имеет патрубок для отвода парогазовой смеси. Перегретый пар, необходимый для активации получали в парогенераторе. Расход водяного пара, идущего на активацию, регулировали количеством воды, поступающей в парогенератор, за счет изменения скорости её истечения в капилляре в зависимости от давления над водой, создаваемого в дозирующей емкости с помощью азота. Температуру активации регулировали нагревом реактора и парогенератора. Нагрев образца проводили до конечной температуры активации, которая находилась в интервале 700–800°С. При достижении заданной температуры в реактор подавали водяной пар из генератора в течение 1–2 часов. Объем газов активации, содержащих водород, оксиды углерода, метан после отделения от непрореагировавших паров воды измеряли газовым счетчиком, а химический состав – методом хроматографии с использованием угольной колонки и детектора теплопроводности. После термообработки полученные образцы активированных углей оставляли остывать до комнатной температуры без доступа воздуха [3].

ИК-спектральный анализ образцов активированного угля и сырья проводился на спектрометре «IR Tracer-100» (Shimadzu CORP., Япония, 2017 г.). Высокая чувствительность спектрометра (коэффициент шума 60000:1) позволяет анализировать волновой состав различных образцов, несмотря на низкую интенсивность спектральных полос, шкала волновых чисел составляет 4000÷450 см^-1. Система оптимизации производительности интерферометра в сочетании с внутренней самодиагностикой и встроенным автоматическим устройством сушки значительно повышает удобство использования, а также обеспечивает долговременную стабильность работы прибора. Наличие высокоскоростного режима сканирования (20 спектров в секунду) позволяет наблюдать реакции длительностью в несколько секунд.

Результаты исследований. По вышеописанной методике получены образцы активированных углей из древесины тутового дерево (АУ-Т) и тополя (АУ-Топ). При получении активированных углей путем карбонизации и активации древесины тутового дерево и тополя получены следующие результаты (см. табл. 1–2)

Таблица 1.

Условия и результаты карбонизации образцов древесины тутового дерева и тополя

Таблица 2.

Условия и результаты активации карбонизатов древесины тутового дерева и тополя водяным паром

Как видно из данных, представленных в таблицах 1 и 2, с повышением температуры процессов карбонизации и паровой активации в интервалах соответственно 300–400°C и 700–800°C, адсорбционная активность и зольность активированных углей АУ-T и АУ-Топ увеличиваются, однако насыпная плотность снижается. Следует учитывать, что для очистки керосиновой фракции от меркаптанов требуются активированные угли с высокой насыпной плотностью и адсорбционной активностью, но с низкой зольностью. На основании этих требований и полученных данных определено, что оптимальными условиями для карбонизации древесины тутового дерева и тополя являются температура 400°С, продолжительность процесса 1 час, а для активации карбонизатов водяным паром – температура 800°С, продолжительность процесса 4 часа.

Для определения функциональных групп в составе образцов активированного угля АУ-T и АУ-Топ, полученных на основе древесины тутового дерева и тополя, был проведён ИК-спектральный анализ исходного сырья и полученных образцов. Результаты представлены на рисунках 2 и 3.

a                                                                          б

Рисунок 2. ИК-спектрограмма древесины тутового дерево(а) и активированного угля АУ-Т (б)

a                                                                            б

Рисунок 3. ИК-спектрограмма древесины тополя (а) и активированного угля АУ-Топ (б)

Сравнительный анализ ИК-спектрограмм древесины тутового дерева и активированного угля, полученного на её основе, представленных на рисунке 2, показал, что в составе активированного угля АУ-Т сохраняются функциональные группы: алкен – C=C – (2359,77 см⁻¹; 2323,93 см⁻¹), карбонил – C=O (2104,59 см⁻¹, 1991,33 см⁻¹), R'R''C=O (1733,27 см⁻¹, 1717,50 см⁻¹), первичный амид – CO-NH₂ (1652,99 см⁻¹, 1635,79 см⁻¹), (R)N=O (1558,37 см⁻¹, 1539,73 см⁻¹, 1506,76 см⁻¹), а также тиолы C–S (648,01 см⁻¹, 596,40 см⁻¹).

Сравнительный анализ ИК-спектрограмм древесины тополя и активированного угля, полученного на её основе, представленных на рисунке 3, показал, что в составе активированного угля АУ-Топ сохраняются функциональные группы: алкен – C=C – (2358,34 см⁻¹; 2323,93 см⁻¹), карбонил – C=O (2091,59 см⁻¹), R'R''C=O (1739,01 см⁻¹, 1717,50 см⁻¹), первичный амид – CO-NH₂ (1647,25 см⁻¹, 1615,71 см⁻¹), (R)N=O (1549,77 см⁻¹, 1521,09 см⁻¹), а также цианат (изоцианат) N=C=O (1496,72 см⁻¹, 1447,98 см⁻¹, 1417,87 см⁻¹).

Заключение. Согласно результатам ИК-спектрального анализа местного сырья – древесины тутового дерево и тополя, а также полученных на их основе образцов активированного угля АУ-Т и АУ-Топ, в составе данных активированных углей сохраняется небольшое количество функциональных групп, таких как алкены, карбонилы, карбоксилы, первичные амиды, нитро, тиолы и цианаты (изоцианаты), которые способствуют улучшению их адсорбционной активности после процессов карбонизации исходного органического сырья и активации водяным паром. Активированные угли АУ-Т и АУ-Топ, обладающие такими функциональными группами, рекомендованы в качестве селективных адсорбентов для очистки керосиновых фракций от меркаптанов.

Список литературы:

1. Салимов И.Р., Муродова Ю.М., Муродов М. Н., Тиллоев Л.И. Определение оптимального режима получения активированного угля из скорлупы косточек фруктов для очистки алканоламинов // Universum: Технические науки: электрон. научн. журн. – 2020. – № 7 (76). – С. 77–81.
2. Хайитов Р.Р. Разработка технологии получения активированного угля из местного сырья для очистки отработанных аминовых растворов: автореф. дисс. д-ра техн. наук. – Ташкент, 2019. – 67 с.
3. Шерматов Б.Э., Эшонкулов У.У., Нарметова Г.Р. Карбонизация косточек урюка и паровая активация карбонизата с целью получения активированного угля // Узбекский химический журнал. – Ташкент, 2017. – № 3. – С. 65–694.
4. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://bnpz.uz/ (дата обращения: 24.08.2025).
5. Narmetova G. Regeneration of alkanolamines used in natural gas purification // Journal of Chemical Technology and Metallurgy. – Bulgaria, 2016. – Vol.51. – № 3. – Pp. 12–16.
6. Narmetova G., Shermatov B. Regeneration of activated carbon used in adsorption purification of alkanolamines // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences «East West» Association for Advanced Studies and Higher Education GmbH. – Vienna, 2016. – № 7–8. – Рp. 75–77.