Получение микропористых углеродных адсорбентов методом термохимической активации хвойных опилок с предобработкой ортофосфорной кислотой на стадии предпиролиза

УДК

DOI:

Аннотация

Сегодня практически вся планета, особенно районы массового проживания людей, подвержены серьезным экологическим угрозам. В силу своих физикохимических свойств активные угли являются уникальными и идеальными сорбционными материалами, которые позволяют решать большой круг вопросов обеспечения химической и биологической безопасности человека, окружающей среды и инфраструктуры. Огромный ассортимент адсорбентов можно получить на основе крупнотоннажных отходов химической и механической переработки древесины. Целью нашей работы было проведение экспериментальных исследований по разработке технологии пиролиза хвойных опилок в режиме химической активации гидроксидом натрия для получения углеродных адсорбентов. Необходимо было организовать процесс пиролиза таким образом, чтобы он органично вписывался в структуру существующих предприятий, и получить при этом адсорбенты с минимальными затратами и широким спектром применения. Были реализованы две серии опытов: первая проведена с использованием 2 %-й ортофосфорной кислоты на стадии подготовки к термохимической активации, вторая – без использования ортофосфорной кислоты. Полученный уголь отмывали до нейтральных значений рН, высушивали, измельчали и анализировали. Для оценки адсорбционных свойств адсорбентов использовали общепринятые адсорбтивы: иод, метиленовый голубой, гексан. Указанные вещества широко применяются при тестировании активных углей. В результате исследования осуществлен подбор оптимальных режимных параметров для получения адсорбентов с достаточно высокими показателями адсорбции по иоду и осветляющей способностью по метиленовому голубому, значения которых существенно превышают показатели промышленно выпускаемых активных углей. Экспериментально установлено, что активные угли с максимальной поглощающей способностью возможно получить, соблюдая следующие режимные параметры: температура предпиролиза – 350 °С, температура термохимической активации – 650 °С, дозировка щелочи – 150 %. Широкое применение активного угля продиктовано доступностью сырья для его производства, невысокой стоимостью, универсальностью, возможностью многократной регенерации.

Сведения об авторах

А.И. Бубнова, асп.

Н.И. Богданович, д-р техн. наук, проф.

Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова,

наб. Северной Двины 17, г. Архангельск, Россия,163002;

Ключевые слова

Литература

1. Богданович Н.И., Черноусов Ю.И. Сорбенты для очистки сточных вод ЦБП на основе древесных отходов переработки древесины // Целлюлоза, бумага, картон: обзор. информ. М.: ВНИПИЭИлеспром, 1989. Вып. 5. 41 c.

2. ГОСТ 4453–93. Уголь активный осветляющий древесный порошкообразный. М.: Изд-во стандартов, 1993. 21 с.

3. Калиничева О.А., Богданович Н.И., Добеле Г.В. Предпиролиз древесного сырья в синтезе активных углей с гидроксидом натрия //Лесн. журн. 2008. № 2. С. 117 – 122. (Изв. высш. учеб. заведений).

4. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1976. 135 с.

5. Кинле Х., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение/ пер. с нем. Л.: Химия, 1984. 215 с.

6. Комаров В.С., Ратько А.И. Адсорбенты: получение, структура, свойства. Минск: Беларус. наука, 2009. 238 с.

7. Мухин В.М., Тарасов А.В., Клушин В.Н. Активные угли России. М.: Металлургия, 2000. 352 с.

Поступила 18.12.2014

Ссылка на английскую версию:

UDC 661.183.2

Production of Microporous Carbon Adsorbents by Thermochemical Activation

of Coniferous Sawdust with Orthophosphoric Acid Pre-Processing

at the Prepyrolysis Stage

A.I. Bubnova, Postgraduate Student

N.I. Bogdanovich, Doctor of Engineering, Professor

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russia; е-mail: a.bubnova@narfu.ru

Today, virtually the entire planet and, especially, areas of mass human habitation is the subject to the serious environmental threats. Because of physical and chemical properties active carbons are unique and ideal sorption materials for chemical and biological human security, environment and infrastructure. The huge range of adsorbents can be obtained on the basis of large capacity waste of chemical and mechanical processing of wood. The purpose of the work was to carry out the experimental studies on the development of pyrolysis technology of coniferous sawdust in a mode of chemical activation by sodium hydroxide for carbon adsorbents production. The object was to establish a process of pyrolysis, to fit it into the structure of existing enterprises and get adsorbents with minimal expenses and with a wide range of application. Two series of experiments were realized. The first series was carried out with the use of 2 % orthophosphoric acid at a stage of preparation for thermochemical activation (OXM series). The second series of the experiments was implemented without the use of orthophosphoric acid (HRP series). The received coal was washed, dried up, pulverized and analyzed. To evaluate the adsorptive properties of the adsorbents the standard adsorbates were used: iodine, methylene blue and hexane. These substances are widely used in the active carbon testing. As a result of the research the selection of the optimal regime parameters for adsorbents with rather high rate of iodine adsorption and methylene blue clarifying ability, which values significantly exceed the indicators of industrially available activated carbon, was carried out. Experimentally it has been found that the activated carbon with a maximum absorbing capacity can be obtained at the following operating parameters: prepyrolysis temperature – 350 °C, thermochemical activation temperature – 650 °C, an alkali dosage – 150 %. The widespread use of activated carbon is dictated by availability of raw materials for its production, low cost, flexibility, and the ability to repeated regeneration.

Keywords: adsorbent, active carbon, thermochemical activation, pyrolysis, adsorptive
properties.

REFERENCES

1. Bogdanovich N.I., Chernousov Yu.I. Sorbenty dlya ochistki stochnykh vod TsBP na osnove drevesnykh otkhodov pererabotki drevesiny [Sorbents for Wastewater Treatment of Pulp-and-Paper Industry on the Basis of Wood Waste of Wood Processing]. Pulp. Paper. Board, 1989, no. 5, 41 p.

2. GOST 4453-93. Ugol' aktivnyy osvetlyayushchiy drevesnyy poroshkoobraznyy [Coal Clarifying Active Powdered]. Moscow, 1993. 21 p.

3. Kalinicheva O.A., Bogdanovich N.I., Dobele G.V. Predpiroliz drevesnogo syr'ya v sinteze aktivnykh ugley s gidroksidom natriya [Prepyrolysis of Wood Raw Materials in the Synthesis of Active Carbons with Sodium Hydroxide]. Lesnoy zhurnal, 2008, no. 2,
pp. 117 – 122.

4. Kel’tsev N.V. Osnovy adsorbtsionnoy tekhniki [Fundamentals of Adsorptive Technology]. Moscow, 1976. 135 p.

5. Kinle Kh., Bader E. Aktivnye ugli i ikh promyshlennoe primenenie [Active Carbons and Their Industrial Application]. Leningrad, 1984. 215 p.

6. Komarov V.S., Rat’ko A.I. Adsorbenty: poluchenie, struktura, svoystva [Adsorbents: Preparation, Structure, Properties]. Minsk, 2009. 238 p.

7. Mukhin V.M., Tarasov A.V., Klushin V.N. Aktivnye ugli Rossii [Active Carbons of Russia]. Moscow, 2000. 352 p.