VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

При химической и механической переработке древесины образуется большое количество отходов. Из них отходы окорки составляют до 15% от перерабатываемого сырья. Их квалифицированное использование представляет собой важнейшую задачу, так как от ее решения во многом зависит экономические показатели работы предприятия.

В настоящее время эти отходы сжигают с получением тепловой энергии. Применение методов пиролиза, относящиеся также к термическим методам, должны представлять большой интерес, так как на их основе можно получать продукты с более высокой добавленной стоимостью. Одним из таких продуктов является активный уголь (АУ), промышленное производство которого в России явно недостаточно для решения важных вопросов очистки лекарственных и пищевых продуктов и для многих других целей.

В данной работе показана возможность получения углеродных адсорбентов (УА) с развитой и однородной пористой структурой методом термохимической активации [1,2].

При термохимической активации (ТХА) в качестве исходного сырья используются в основном некарбонизованные продукты (например, древесные опилки, кора), смесь которых с неорганическими активирующими агентами подвергается высокотемператуной обработке, перед этим пройдя стадию предварительной карбонизации. В качестве активирующего агента мы использовали гидроксид натрия [3]. Исходным сырьем, используемым нами для переработки, являются отходы окорки еловой древесины, отобранной на одном из лесоперерабатывающих предприятий г. Архангельска.

Для анализа влияния режимных параметров синтеза активных углей (АУ) на формирование их пористой структуры был реализован планированный эксперимент, а именно, центральный композиционный рототабельный униформ - план для трех факторов [4].

Адсорбционные свойства активных углей оценивали по адсорбции йода и метиленового голубого (МГ) из стандартных водных растворов. Полученные экспериментальные данные были использованы для построения поверхностей отклика, которые наглядно демонстрируют влияние режимных параметров на выход, удельную поверхность активных углей, адсорбционную способность по йоду и метиленовому голубому (рисунок 1). В таблице 1 представлены сравнительные данные некоторых образцов углей с требованиями ГОСТ.

Таблица 1.

Сравнительные данные образцов с требованиями ГОСТ

Наим-е образца	Сорбция по йоду, %	Сорбция по МГ, мг/г
КН-4	254	476
КН-8	229	606
КН-14	267	617
КН-18	222	575
Требования ГОСТ	до 80	не менее 225

Рисунок 1.Влияние режимных параметров на выход, удельную поверхность, адсорбционную способность по йоду и МГ

Исходя из графиков видно, что дозировка щелочи не оказывает существенного влияния на сорбционные свойства по йоду. Но оказывает положительное влияние на адсорбционную способность по МГ, особенно в области низких температур термохимической активации. Максимальная удельная поверхность рассчитанная по адсорбции йода достигается при наивысшей температуре активации.

Исследования пористой структуры полученных активных углей проводили на приборе ASAP 2020 методом низкотемпературной адсорбции азота при 77 К и относительном давлении Р/Ро от 0 до 1. Для иллюстрации на рисунке 2 приведены некоторые изотермы адсорбции – десорбции азота, полученные для образцов АУ в различных условиях ТХА. С помощью автоматизированной системы был проведен полный анализ объема микро- и мезопор, их распределения по размерам и определена удельная площадь поверхности. Полученные изотермы относятся к I типу изотерм по ИЮПАК, характерной для микропористых твердых тел.

Рисунок 2. Изотермы низкотемпературной адсорбции азота

Исходя из рисунка, следует, что пористая структура представлена в основном микропорами. Мезопоры присутствуют в небольшом количестве. Изотермы адсорбции-десорбции азота использовались для расчета параметров пористой структуры следующими методами: удельная поверхность образцов рассчитывалась по известному методу БЭТ в интервале относительных давлений 0,05-0,35; по десорбционной ветви изотермы изотермы определяли объемы мезопор (с размером 1,6-50 нм) и их распределение по размерам методом Barrett-Joyner-Halenda (BJH), объемы и распределение микропор по размерам в исследованных образцах оценивались методами Horvath-Kawazoe (Х-К), Дубинина – Астахова (Д-А). Объем микропор по всем расчетным методам оказался аналогичен.

Для установки взаимосвязи между значениями удельной поверхности (УП), общего объема пор, объема микро- и мезопор, а также полуширины пор (r) АУ с условиями их синтеза были построены экспериментальные зависимости (рисунок 2).

Рисунок 3.Влияние режимных параметров на формирование пористой структуры АУ по показателю: а – средняя ширина пор по Нorvarth-Кawazoe, нм; б – объем микропор по Нorvarth-Кawazoe, см³/г; в - объем микропор по Dubinin-Astakhov, см³/г; г – уд.поверхность по БЭТ, м²/г; д - уд.поверхность по BJH адс., м²/г; е – суммарный объем пор по БЭТ, см³/г.

Исходя из полученных данных выявлено, что оптимальные условия для формирования микропор являются повышенная температура предпиролиза (450-500°С) и средний уровень значений температуры ТХА (500-570°С). При этом увеличение дозировки щелочи оказывает незначительное положительное влияние, а значит, ее можно зафиксировать на уровне 100% к а.с.с. без ущерба для параметров пористой структуры.

Таким образом, методом планированного эксперимента были получены активные угли с достаточно высокими показателями адсорбции по йоду и осветляющей способность по МГ, с высоким значением пористости и удельной площадью поверхности пор, что доказывает их возможное применение в различных промышленных производствах, в решении проблем экологии и здоровья человека.

Список литературы:

1. Beletskaya M.G., Bogdanovich N.I. The Formation of Adsorption Properties of Nanoporous Materials by Thermochemical Activation. Russian Journal of Bioorganic Chemistry, 2014, Vol. 40, No. 7, pp. 717–721.

2. Саврасова Ю.А., Богданович Н.И., Макаревич Н.А., Белецкая М.Г. Углеродные адсорбенты на основе лигноцеллюлозных материалов. ИВУЗ Лесной журнал.- 2012.- №1.- Архангельск: С(А)ФУ, 2012, с.107-112.

3. Патент на изобретение №2534801. “Cпособ получения активного угля”.

4. Богданович Н.И., Кузнецова Л.Н., Третьяков С.И., Жабин В.И. Планирование эксперимента в примерах и расчетах: учеб. Пособие.-Архангельск: Северный (Арктический) федеральный университет, 2010.-126 с.

Код для цитирования: Скопировать