Контроль качества активированного угля методом ядерного магнитного резонанса.C.173-185

УДК

66.092-977

DOI:

10.37482/0536-1036-2022-5-173-185

Аннотация

Производство активированного угля методом пирогенетического разложе ния – это сложный высокотемпературный процесс, проходящий в несколько этапов. Ка чество получаемого активированного угля в основном зависит от влажности исходного сырья и степени удаления примесей из твердого углеродистого остатка. Оперативная оценка этих параметров с учетом специфики производства сильно затруднена. Приме нение методов ЯМР-релаксометрии может существенно ускорить процесс измерения данных параметров в at-line, on-line и in situ условиях. Цель исследования – определе ние абсолютной влажности исходного сырья, промежуточных и готовых продуктов, а также контроль их степени пиролиза на различных этапах производства активирован ного угля по протонной плотности. В качестве объектов исследования выступали образ цы лигниноцеллюлозной группы, от влажного сырья до готового продукта. Для изме рения влажности образцов и их протонной плотности проводили эксперименты ЯМР с импульсной последовательностью Magic Sandwich Echo (MSE). Выявлена однозначная корреляция протонной плотности и степени пиролиза изучаемых материалов. Экспери ментальные результаты могут быть применены для дальнейшего усовершенствования предложенных методик оценки указанных параметров. Установлено, что эксперимент MSE позволяет довольно точно определить влажность как исходного растительного сырья, так и продуктов карбонизации, включая активированный уголь. Представлены данные по динамике изменения протонной плотности образцов растительного сырья при термическом разложении. Обнаружена прямая корреляция изменения протонной плотности образов и их удельной плотности при термической переработке. Протонная плотность образцов исходного сырья имеет различные значения, в то время как протонная плотность образцов угля различается гораздо меньше. Данное наблюдение го ворит о том, что из образцов удаляются химические вещества, в связи с чем плотность протонов падает. Результаты исследования позволят усовершенствовать системы про межуточного и окончательного контроля в процессе получения активированного угля методом термической переработки.
 Благодарности: Исследование проведено с использованием оборудования Центра кол лективного пользования «Наноматериалы и нанотехнологии» Казанского националь ного исследовательского технологического университета при финансовой поддержке проекта Минобрнауки России в рамках гранта № 075-15-2021-699.

Сведения об авторах

Р.Г. Сафин¹, д-р техн. наук, проф.; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5790-4532
В.Г. Сотников¹*, аспирант; ResearcherID: AAE-2116-2022,ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6202-5487
Л.Ю. Грунин², канд. хим. наук, доц.; ResearcherID: H-9850-2014,ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6195-042X
М.С. Ивановa², аспирант; ResearcherID: AAE-5934-2022,ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8588-5909
Д.Ф. Зиатдинова¹, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: M-7871-2016, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2801-4642
¹Казанский  национальный  исследовательский  технологический  университет, ул. К. Маркса, д. 68, г. Казань, Республика Татарстан, Россия, 420015; safin@kstu.ru, vcvcvc12345678@gmail.com, ziatdinova2804@gmail.com
²Поволжский государственный технологический университет, пл. Ленина, д. 3, г. Йошкар-Ола, Республика Марий Эл, Россия, 424000; mobilenmr@hotmail.com, mariya-ivanova@list.ru

Ключевые слова

активированный уголь, пиролиз, ядерный магнитный резонанс, про тонная плотность, степень пиролиза

Для цитирования

Сафин Р.Г., Сотников В.Г., Грунин Л.Ю., Иванова М.С., Зиатди нова Д.Ф. Контроль качества активированного угля методом ядерного магнитного ре зонанса // Изв. вузов. Лесн. журн. 2022. № 5. С. 173–185. https://doi.org/10.37482/0536 1036-2022-5-173-185

Литература

1. Гогелашвили Г.Ш., Вартапетян Р.Ш., Ладычук Д.В., Хозина Е.В., Грунин Ю.Б. Энергетические характеристики адсорбированной воды в активных углях по данным ЯМР-релаксации // Журн. физ. химии. 2010. Т. 84, № 2. С. 327–331.Gogelashvili G.Sh., Vartapetyan R.Sh., Ladychuk D.V., Khozina E.V., Grunin Yu.B. Energy Characteristics of Adsorbed Water in Activate Carbons according to NMR Relaxation Data. Zhurnal fizicheskoi khimii = Russian Journal of Physical Chemistry A, 2010, vol. 84, no. 2, pp. 327–331. (In Russ.). https://doi.org/10.1134/S0036024410020196
2. Гогелашвили Г.Ш., Ладычук Д.В., Грунин Ю.Б., Гордеев М.Е., Абзальди нов Х.С. Исследование влияния температуры на состояние активной поверхности микропористых активных углей импульсным методом ЯМР // Вестн. технол. ун-та. 2015. Т. 18, № 13. С. 30–33.Gogelashvili G.Sh., Ladychuk D.V., Grunin Yu.B., Gordeev M.E., Abzaldinov Kh.S. A Study of the Temperature Effect on the State of the Active Surface of Microporous Activated Carbons by the pulsed NMR method. Bulletin of the Technological University, 2015, vol. 18, no. 13, pp. 30–33. (In Russ.).
3. Гогелашвили Г.Ш., Ладычук Д.В., Хозина Е.В., Грунин Ю.Б., Ярошевская Х.М. Состояние сорбированной воды в микропористых активных углях по данным ЯМР релаксации // Вестн. технол. ун-та. 2015. Т. 18, № 4. С. 50–53.Gogelashvili G.Sh., Ladychuk D.V., Khozina E.V., Grunin Yu.B., Yaroshevskaya H.M. The State of Sorbed Water in Microporous Activated Carbons according to NMR Relaxation Data. Bulletin of the Technological University, 2015, vol. 18, no. 4, pp. 50–53. (In Russ.).
4. Гогелашвили Г.Ш., Хозина Е.В., Вартапетян Р.Ш., Ладычук Д.В., Грунин Ю.Б. Определение размера микропор активных углей импульсным методом ЯМР // Журн. физ. химии. 2011. Т. 85, № 7. С. 1343–1347.Gogelashvili G.Sh., Khozina E.V., Vartapetyan R.Sh., Ladychuk D.V., Grunin Yu.B. Determining the Sizes of Micropores in Activated Charcoals by the Pulsed NMR Method. Zhurnal fizicheskoi khimii = Russian Journal of Physical Chemistry A, 2011, vol. 85, no. 7,pp. 1343–1347. (In Russ.). https://doi.org/10.1134/S0036024411070089
5. Сафин Р.Г., Сотников В.Г., Зиатдинова Д.Ф. Пирогенетическая переработка органических отходов текстильной промышленности в адсорбенты // Изв. вузов. Технология текстил. пром-сти. 2021. № 5(395). С. 229–235.Safin R.G., Sotnikov V.G., Ziatdinova D.F. Textile Industry Organic Waste Pyrogenetic Processing into Adsorbents. Textile Industry Technology, 2021, no. 5(395), pp. 229–235. (In Russ.). https://doi.org/10.47367/0021-3497_2021_5_229
6. Agrafioti E., Bouras G., Kalderis D., Diamadopoulos E. Biochar Production by Sewage Sludge Pyrolysis. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2013, vol. 101,pp. 72–78. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2013.02.010
7. Bridle T.R., Pritchard D. Energy and Nutrient Recovery from Sewage Sludge via Pyrolysis. Water Science and Technology, 2004, vol. 50, iss. 9, pp. 169–175. https://doi. org/10.2166/wst.2004.0562
8. Carey D.E., McNamara P.J., Zitomer D.H. Biochar from Pyrolysis of Biosolids for Nutrient Adsorption and Turfgrass Cultivation. Water Environment Research, 2015, vol. 87, iss. 12, pp. 2098–2106. https://doi.org/10.2175/106143015X14362865227391
9. Grunin Yu.B., Grunin L.Yu., Gal’braikh L.S., Sheveleva N.N., Masas D.S. Dispersion Peculiarities of Crystalline Cellulose upon Its Moistening. Fibre Chemistry, 2018, vol. 49, no. 5, pp. 321–326. https://doi.org/10.1007/s10692-018-9890-6
10. Grunin Yu.B., Grunin L.Yu., Ivanova M.S., Masas D.S. Features of the Structural Organization and Sorption Properties of Cellulose. Fibre Chemistry, 2020, vol. 51, no. 5,pp. 325–332. https://doi.org/10.1007/s10692-020-10106-9
11. Gogelashvili G.Sh., Vartapetyan R.Sh., Ladychuk D.V., Grunin Yu.B., Khozina E.V. Specific Features of the Adsorption and Nuclear Magnetic Relaxation of Water Molecules in Active Carbons. 1. Relation between the Spin-Spin Relaxation of Adsorbed Water Molecules and Structural Parameters of Microporous Active Carbons. Colloid Journal, 2003, vol. 65, iss. 5, pp. 545–551. https://doi.org/10.1023/A:1026159420171
12. Gogelashvili G.Sh., Vartapetyan R.Sh., Ladychuk D.V., Grunin Yu.B., Khozina E.V. Specific Features of the Adsorption and Nuclear Magnetic Relaxation of the Water Molecules in Active Carbons. Colloid Journal, 2004, vol. 66, iss. 3, pp. 271–276. https://doi.org/10.1023/ B:COLL.0000030835.40521.72
13. Guo J.-C., Zhou H.-Y., Zeng J., Wang K.-J., Lai J., Liu Y.-X. Advances in Low Field Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Technologies Applied for Characterization of Pore Space Inside Rocks: A Critical Review. Petroleum Science, 2020, no. 17, pp. 1281–1297. https://doi.org/10.1007/s12182-020-00488-0
14. Lewandowski W.M., Radziemska E., Ryms M., Ostrowski P. Modern Methods of Thermochemical Biomass Conversion into Gas, Liquid and Solid Fuels. Ecological Chemistry and Engineering S, 2011, vol. 18, pp. 39–47. https://doi.org/10.1002/chin.201238271
15. Liu Z., Hughes M., Tong Y., Zhou J., Kreutter W., Valtierra D., Singer S., Zitomer D., McNamara P. Enhanced Energy and Resource Recovery via Synergistic Catalytic Pyrolysis of Byproducts from Thermal Processing of Wastewater Solids. Renewable Energy, 2021, vol. 177, pp. 475–481. https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.05.125
16. Maus A., Hertlein C., Saalwächter K. A Robust Proton NMR Method to Investigate Hard/Soft Ratios, Crystallinity, and Component Mobility in Polymers. Macromolecular Chemistry and Physics, 2006, vol. 207, pp. 1150–1158. https://doi.org/10.1002/ macp.200600169
17. Pieruccini M., Sturniolo S., Corti M., Rigamonti A. A Novel Analysis for the NMR Magic Sandwich Echo in Polymers: Application to the α-Relaxation in Polybutadiene. The European Physical Journal B, 2015, vol. 88, art. 283. https://doi.org/10.1140/epjb/e2015- 60417-6
18. Ozkan A., Kinney K., Katz L., Berberoglu H. Reduction of Water and Energy Requirement of Algae Cultivation Using an Algae Biofilm Photobioreactor. Bioresource Technology, 2012, vol. 114, pp. 542–548. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.03.055
19. Tremel A., Becherer D., Fendt S., Gaderer M., Spliethoff H. Performance of Entrained Flow and Fluidised Bed Biomass Gasifiers on Different Scales. Energy Conversion and Management, 2013, vol. 69, pp. 95–106. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2013.02.001
20. Trubetskaya A., Souihi N., Umeki K. Categorization of Tars from Fast Pyrolysis of Pure Lignocellulosic Compounds at High Temperature. Renewable Energy, 2019, vol. 141,pp. 751–759. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.04.033
21. Umeki K., Häggström G., Bach-Oller A., Kirtania K., Furusjö E. Reduction of Tar and Soot Formation from Entrained-Flow Gasification of Woody Biomass by Alkali Impregnation. Energy and Fuels, 2017, vol. 31, pp. 5104–5110. https://doi.org/10.1021/acs. energyfuels.6b03480