Изучение влияния температуры карбонизации первичных углей из шелухи гречихи на адсорбционную удельную поверхность

Подавляющее большинство промышленных химических процессов проводятся с использованием катализаторов, причем наиболее значимую роль занимает активный уголь. Последние 20 лет активный уголь привлекает большое внимание исследователей, за счет его уникальных свойств и перспективности применения. Мы обнаружили, что приготовленный на основе шелухи гречихи углеродный сорбент при одностадийной карбонизации и низкой температуре (Т=400̊C) является самым экологичным в этой работе, а также показывает самые лучше результаты удельной поверхности (Sуд=190 м2•г-1).

Ключевые слова: сорбент, углеродные сорбенты, шелуха гречихи, адсорбция, адсорбционная удельная поверхность

Хозяйственная деятельность человечества в течении последнего столетия привела к серьезному загрязнению нашей планеты разнообразными отходами производства. Воздушный бассейн, воды и почва в районах крупных промышленных центров часто содержат токсичные вещества, концентрация которых превышает предельно допустимую, что создает серьезную опасность для здоровья населения. Одним из наиболее перспективных направлений в создании экологически безопасных промышленных технологий и природоохранной деятельности человека является использование различных типов активных углей [1]. Пористые углеродные сорбенты получают из всех видов углеродосодержащего сырья: древесины, целлюлозы, каменных и бурых углей, торфа, нефтяного и каменноугольного песков, синтетических полимерных материалов, жидких и газообразных углеродов, скорлупы и косточек плодов, различных отходов сельского хозяйства.

Сорбент, полученный из шелухи гречихи, может использоваться для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды в качестве фильтрующей загрузки для глубокой очистки сточных вод и для очистки воды от фотокатализаторов и красителей адсорбционным методом [2,3,4]. Насыщенный сорбент не тонет и легко собирается с водной поверхности.

в этой работе, мы обнаружили явную зависимость выхода привычных углей и удельной поверхности от температуры карбонизации при 400.

Экспериментальная часть.

В работе мы использовали следующие методики:

1. Метод сушки. Сущность метода заключается в высунувшемся навески образца (шелухи гречихи) в сушильном шкафу при температуре 210 ̊с в течении 3-х часов до постоянного веса и Определении уменьшения веса образца.
2. Метод карбонизации.

Процесс карбонизации на проточной лабораторной установке, состоящей из электрической печи, сделанной из нержавеющей стали с размерами 400400800 мм, обеспечивающей температуру до 1200 °с (рис. 1). Процесс проводили без доступа воздуха в токе азота. Исходный шелухи гречихи размером 1,5х15 мм, после сушки при температуре 210°с в течение 3х часов загружают во вращающийся реактор, затем материал подвергают карбонизации при Т≈ 300–400°с в потоке азота в течение 70 мин (обычно за время, в течение которого прекращается выделение дыма). Выход угля составляет около 60 %. Переменными параметрами в процессе карбонизации были температура, скорость подъема температуры в реакторе.

Рис. 1. Пилотная установка для карбонизации растительного сырья: 1 – электрическая печь, 2 – вращающийся реактор, размер 80х 800 см, 3 – углеродные материалы или растительное сырье, 4 – краны, 5 – источник электрического питания, 6 – микрокомпрессор, 7 – нагреватель, 8 – емкость для воды, 9 – вытяжка

3. Адсорбционный метод определения характеристик первичного углеродного сорбента по этанолу. Адсорбцию на твёрдых углеродных адсорбентах измеряли весовым методом на вакуумной адсорбционной установке типа весов Мак-Бена при начальном давлении Р=10–5 тор.

Рис. 2. установка для изучения адсорбции паров и газов. (БЭТ): 1 – форвакуумный насос 5-кварцевой пружины, 2 – диффузионный насос 6-датчик, 3, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 16 — краны 7-ртутный манометр, 4 – адсорбционные трубки 8-дозатор, 15 – буферная емкость

Результаты и обсуждения.

В результате карбонизации было получено 3 образца первичных углеродных сорбентов: ГС-1, ГС-2, ГС-3.

Из таблицы (1) видно, что для выбора условий мы меняем температуру карбонизации, и скорость подъема температуры при постоянном времени контакта. Так как, для образцов ГС-1, ГС-2, ГС-3 температура карбонизации в интервале 300, 400 и 500 оС, скорость подъема температуры 10, 20 и 30 ̊С мин-1 и время контакта τ=70 мин (табл. 1 и рис. 3–10). Наблюдалось, что зависимость удельной поверхности от температуры карбонизации первичных углеродных сорбентов носит экстремальный характер (табл.1 и рис. 10).

Таблица 1

Значения удельных поверхностей первичных углей

Рис. 3. Зависимость выхода первичных углей от температуры карбонизации

Изучение адсорбции и десорбции с помощью высоковакуумной адсорбционной установки типа весов Макбэна.

Рис. 4. Изотермы адсорбции и десорбции паров этанола первичным углем ГС-1 при начальном давлении 10–5мм.рт.ст. и температуре 250С

Рис. 5. Изотермы адсорбции и десорбции паров этанола первичным углем ГС-2 при начальном давлении 10–5мм.рт.ст. и температуре 250С

Рис. 6. Изотермы адсорбции и десорбции паров этанола первичным углем ГС-3 при начальном давлении 10–5 мм. рт. ст. и температуре 250С

Рис. 7. Изотерма адсорбции паров этанола первичным углем ГС-3 в координатах уравнения БЭТ при температуре 25оС

Рис. 8. Изотерма адсорбции паров этанола первичным углем ГС-2 в координатах уравнения БЭТ при температуре 250С

Рис. 9. Изотерма адсорбции паров этанола первичным углем ГС-1 в координатах уравнения БЭТ при температуре 25оС

Рис. 10. Зависимость значений удельной поверхности первичных углей от температуры карбонизации

В результате изучения адсорбции паров этилового спирта на весовой адсорбционной установке были получены 3 изотермы (рис. 4–6). Из графиков видно, что после значения Р/Рs=0,15 начинается процесс полимолекулярной адсорбции с большой петлей гистерезиса. По форме петли гистерезиса можно сказать, что эти углеродные сорбенты имеют бутылочную форму поры и неоднородную структуру особенно неоднородный сорбент ГС-1, ГС-2, ГС-3. Полученные изотермы относятся ко второму типу изотерм адсорбции по квалификации Брунауэра, Эммета и Телера. А также были получены изотермы десорбции паров этилового спирта ПУС при данных условиях.

Полученные изотермы адсорбции паров этилового спирта были представлены в координатах уравнения БЭТ (рис 7–9), для расчёта адсорбционной емкости моно слоя (аm) и удельной поверхности (Sуд.), рис 10. Таким образом, Sуд Определяется формулой Sуд= amNAm10–20, На основе уравнения БЭТ [5,6]:

Где, P/Ps – относительное давление пара.

где am — емкость монослоя (в ммоль),

N — Число Авогадро, равное 6, 0234·1020(в ммоль)

Am — Ван-дер-Ваальсовская площадь.

Am=1.0911016.

Выводы:

1. Впервые получены 3 образца ПУС при одностадийной карбонизации шелухи гречихи в интервале температур карбонизации 300–400–500 ̊С, со скоростью подъема температуры карбонизации 10–20–30 ̊С и при продолжительности τ=70 мин.
2. Получены изотермы адсорбции и десорбции паров этилового спирта на 3-х полученных образцах ПУС. Все изотермы относятся ко второму типу изотерм адсорбции по квалификации Брунауэра, Эммета и Телера. По изотермам адсорбции паров этилового спирта были рассчитаны адсорбционные характеристики углеродных сорбентов с помощью уравнений БЭТ.
3. Из полученных результатов следует, что, можно получить углеродный сорбент экологического назначения на основе шелухи гречихи при одностадийной карбонизации и низкой температуре (Т=400 ̊С).
4. Из полученных результатов, второй опыт приготовлен (ГС-2) является самым лучшим, опыт сравнен с остальными опытами исследования.

Литература:

1. Грек С., Синг К. Адсорбция удельная поверхность // Москва (мир). 1974, с. 400.
2. Мухин В. М., Тарасов А. В., Клушин В. Н. Активные угли России. Москва, Металлургия, 2000. 3–5 с.
3. Хоанг Ким Бонг, Темкин О. Н., Фомичева Т. В., Шестаков Г. К., ЖПХ; 1997, т. 70, № 11. 1872. – 1876 с.
4. Боресков Г. К. Гетерогенный катализ, Москва, Наука, 1986, с. 73–74.
5. Грек С., Синг К. Адсорбция удельная поверхность // Москва (мир). – 2-е издание. – 1984, с. 56.
6. Никитина Ю. С., Петровой Р. С. // Экспериментальные методы в адсорбции и молекулярной хроматографии // Издательство Московского университета. МОСКВА-2е-издание. – 1990, с. 65–92.