Изучение свойств и методов активации углеродсодержащего сырья. (Обзор)

АННОТАЦИЯ

В настоящее время одной из основных проблем является очистка сточных вод от органических промышленных отходов и получения экологически чистых адсорбентов. С развитием промышленного производства активного угля применение этого продукта неуклонно возрастает. Активный уголь используется во многих процессах химической технологии.  Кроме того, отчистка отходящих газов и сточных вод основана главным образом на адсорбции активным углем. Только активный уголь позволяет удовлетворить постоянно возрастающие требования к чистоте нашей питьевой воды. В данной работе рассматриваются изучения свойств и методов активации углеродсодержащего сырья. Так же преимущества использования технологии, основанной на адсорбции органических веществ на активированном угле.

ABSTRACT

Currently, one of the main problems is the purification of wastewater from organic industrial waste and the production of environmentally friendly adsorbents. With the development of industrial production of activated carbon, the use of this product is steadily increasing. Active carbon is used in many chemical engineering processes. In addition, waste gas and waste water treatment is mainly based on adsorption by active carbon. Only activated carbon can satisfy the ever-increasing requirements for the purity of our drinking water. This work examines the study of the properties and methods of activation of carbon-containing raw materials. There are also advantages of using technology based on adsorption of organic substances on activated carbon.

Ключевые слова: активный уголь, адсорбент, карбонизация, торф, каменный уголь, антрацит.

Keywords: activated carbon, adsorbent, carbonization, peat, coal, anthracite.

Раньше активный уголь обычно принимали за аморфную разновидность углерода. Благодаря рентгеноструктурному анализу Гофманна [1,2] в настоящее время активный уголь относят к группе микрокристаллических разновидностей углерода. Химическим подтверждением графитный структуры активных углей является возможность образования соединений. Впервые Фреденхегену [3] удалось получить соединения щелочного металла с графитом, а Руфф [4] получил фторированный графит.   

Активированные угли можно отнести к углеродным макропористым адсорбентам, которые представляют собой класс высокомолекулярных пористых углеродных материалов, имеющих развитую удельную поверхность и обладающих способностью эффективно и избирательно поглощать молекулы веществ различной химической природы из газовых, парогазовых и жидких сред. Углеродные адсорбенты существенно отличаются от других высокопористых материалов, таких как кокс, пемза и графит, содержанием микропор и супермикропор. Технический углерод вследствие малого размера частиц обладает более высокой удельной поверхностью (до 100 м 2 /г) и относится к углеродным нанопористым адсорбентам

Одним из наиболее важных показателей всех типов углеродных адсорбентов является их пористая структура [5]. Теоретические основы адсорбции на углеродных адсорбентах разработаны академиком М.М. Дубининым. Предложенная и обоснованная модель пористой структуры углеродных адсорбентов [6] позволяет получить представление об идеализированной структуре пор поглощающих углеродных материалов.

Существуют парогазовые и химические методы активации углеродсодержащего сырья. В зарубежной практике оба метода активации с использованием в качестве активирующего агента хлорида цинка, серной кислоты, сульфидов щелочи развиваются равноценно. Это объясняется тем, что химические методы позволяют получать адсорбенты со строго заданными параметрами пористой структуры и высокими показателям адсорбционных свойств [12]

Активированные угли получают обычно из торфа, бурого, каменного угля, антрацита, древесного материала, отходов бумажного производства, кожевенной промышленности и веществ животного происхождения. Их можно производить также из скорлупы кокосовых и других орехов [7].  На масложировых комбинатах, где получают фармакопейные пищевые масла, скорлупа фруктовых косточек является многотоннажным отходом. Для производства активированных углей наибольший интерес представляет и скорлупа абрикосовых косточек, персиков, сливы, грецкого ореха. Преимущества их заключаются в низкой стоимости, транспортабельности, экологичности, а также большой распространенности в Центрально-Азиатском регионе [8] .

На практике много разных адсорбентов используются для разных целей. Подготовка их к использованию может отличаться. Прежде всего, адсорбент должен быть активирован для данного процесса.

Для активации углеродсодержащего сырья проводится карбонизация твердых органических материалов с последующим окислением образовавшегося угля-сырца кислородом воздуха, водяным паром, оксидом углерода (IV) или другими активирующими реагентами при температуре 700-1000ºС. В результате такой активации часть органического материала выгорает, а остаток превращается в уголь, отличающийся развитой пористой структурой и поэтому обладающий огромной внутренней поверхностью. Структура активированных углей представляет собой пакеты плоских слоев, образованных конденсированными гексагональными ароматическими кольцами атомов углерода. Размеры их плоскостей находятся в пределах 1-3 нм. Ориентация отдельных плоскостей в микрокристаллитах углерода довольно часто нарушена, и отдельные слои беспорядочно сдвинуты друг относительно друга, не всегда сохраняя при этом взаимное параллельное расположение (зоны аморфного углерода). [13]

В процессе активации угля пары воды и диоксид углерода диффундируют в поры карбонизованного материала и вступают в реакции окисления. При этом прежде всего наименее плотная часть материала зоны аморфного углерода окисляется до газообразных продуктов, в результате чего образуются поры молекулярных размеров нерегулярного строения.

Вследствие низкой плотности аморфного углерода выгорание относительно небольшой его массы приводит к возникновению довольно значительного объема таких пор. На следующей стадии активации углей частично выгорают плоскости конденсированных ароматических колец в углеродных кристаллитах. При этом образуются щелевидные поры, как между стенками кристаллитов, так и в теле самих кристаллитов.

Таким образом, активированные угли имеют развитую пористую структуры, которая характеризуется размером пор.
Использование технологии, основанной на адсорбции органических веществ на активированном угле, имеет следующие преимущества перед другими методами очистки:

• возможность устранения из воздушных выбросов практических всех запахов;
• устройство адсорбционных фильтров, необходимых для адсорбции органических веществ на активированном угле, не требует больших капитальных затрат;
• адсорбции органических веществ на активированном угле не вызывает протекания неконтролируемых химических реакций, приводящих к образованию химических веществ, отличных от веществ, содержащихся в исходном воздушном потоке;
• активированный уголь сам по себе является биологически и экологически инертным веществом и не оказывает негативного влияния на персонал предприятия и окружающую среду;
• в ряде случаев отработанный (насыщенный органическими веществами и потерявший адсорбционную емкость) активированный уголь может быть реактивирован и использован для очистки повторно[13].

Таким образом, на основе литературных данных мировых исследований изучены свойства и методы активации углеродсодержащего сырья, используемого во многих процессах химической технологии, таких как отчистка отходящих газов и сточных вод.

Результаты работы являются одним из примеров того, что на стыке химии высокомолекулярных материалов и процессов активации углеродсодержащего сырья может возникнуть очень плодотворное и многообещающее направление исследований [11]

Список литературы:

1. HofmanU.,WilmD.Z. Electrochem. 42(1936) 504
2. Biastock K., U. Hofman, Angew. Chemie 53(1940) 327
3. Fredenhagen K. et al., Zanorg. allg. Chem.208 (1932) 2
4. 4Ruff O. et. al. Zanorg. allg Chem 217(1934) 1
5. Кинле Х., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение. – М.: Химия,1984. – 216 с.
6. Dubinin M.M. Generalization of the theory of volume filling of micropores to nonhomogeneous microporous structures // Carbon. – 1985. – Vol. 23. – P. 373–380
7. Колышкин Д.А., Михайлова К.К. Активированные угли. Л.: Химия, 1972. 57 с Кинле Х., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение. – М.: Химия,1984. – 216 с
8. Мирзатиллаев Голибжон Акмал Угли, Гулямова Гулнора Мухитдиновна, Назаров Комолжон Каримович  Основные характеристики полученных углеродных сорбентов и сульфоугля для очистки жидкостей // Научный журнал. 2019. №6 (40). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/osnovnye-harakteristiki-poluchennyh-uglerodnyh-sorbentov-i-sulfouglya-dlya-ochistki-zhidkostey (дата обращения: 20.11.2020)
9. Нумонов М.А., Юлдашев Х.Х. Исследование пористости адсорбентов из местных фруктовых косточек // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2020. 10(79). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/10837 (дата обращения: 21.11.2020).
10. Курбанов Ж.Х., Нумонов М.А. Изучение свойств адсорбента полученного из местных фруктовых косточек и деревьев // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2019. № 12 (69). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/8521 (дата обращения: 21.11.2020).
11. Карабаева Муслима Ифтихоровна, Муйдинова Санобар Рахматовна Получение модифицированных фторполимерсодержащих сорбентов // Universum: технические науки. 2019. №11-2 (68). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/poluchenie-modifitsirovannyh-ftorpolimersoderzhaschih-sorbentov (дата обращения: 21.11.2020).
12. https://narfu.ru/upload/iblock/800/beletskaya-m.g.-dissertatsiya.pdf
13. http://www.inbio.ru/tech/details.php?SID=188