Формирование адсорбционных свойств углеродных наноструктурированных материалов термохимической активации шлам-лигнина

УДК

661.183.2

DOI:

10.37482/0536-1036-2021-4-181-189

Аннотация

Эффективным способом переработки отходов целлюлозно-бумажной промышленности, в частности шлам-лигнина, является пиролиз, посредством которого получают товарный продукт – углеродный адсорбент. Наиболее распространенный метод – метод термохимической активации с использованием гидроксидов натрия и калия, позволяющий производить углеродные наноструктурированные материалы с высокими адсорбционными свойствами, особенно при адсорбции из жидкой фазы. Исследовано влияние условий синтеза углеродных адсорбентов из шлам-лигнина на их адсорбционные свойства с использованием в качестве активирующего агента гидроксида натрия. Шлам-лигнин выделяли в лабораторных условиях путем обработки лигнинсодержащей сточной воды коагулянтом оксихлоридом алюминия. Применили метод планированного эксперимента – ротатабельный центральный композиционный план второго порядка. Изучено действие основных факторов, определяющих адсорбционные свойства углей: температуры, продолжительности пиролиза и дозировки гидроксида натрия, – на выходные параметры, характеризующие эффективность адсорбции из жидкой фазы, т. е. иодное число и осветляющую способность по метиленовому голубому. Получили экспериментальные данные, по которым построили поверхности отклика, иллюстрирующие влияние перечисленных факторов на выходные параметры. Установлено положительное влияние температуры пиролиза и дозировки щелочи на адсорбционные свойства синтезированных углей. Адсорбционная активность по иоду составила 300 %, по метиленовому голубому – 1000 мг/г, что свидетельствует о развитой микро- и мезопористой поверхности и возможности использования данных соединений для адсорбции как газов и паров, так и органических веществ из растворов. Образцы синтезированных из шлам-лигнина активных углей были испытаны в качестве адсорбентов лигнина из сточной воды. Полученные зависимости коррелируют с данными, характеризующими влияние параметров пиролиза на осветляющую способность углей по метиленовому голубому. Показана высокая эффективность адсорбентов из шлам-лигнина при удалении лигнина из растворов – значение удельной адсорбции составило около 1500 мг/г.

Для цитирования: Воронцов К.Б., Богданович Н.И., Седова Е.Л., Соловьева П.В. Формирование адсорбционных свойств углеродных наноструктурированных материалов термохимической активации шлам-лигнина // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 4. С. 181–189. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-4-181-189

Сведения об авторах

К.Б. Воронцов, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: P-2313-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6369-7245
Н.И. Богданович, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: A-4662-2013, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5374-2943
Е.Л. Седова, аспирант; ResearcherID: AAH-6774-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0903-7304
П.В. Соловьева, аспирант; ResearcherID: AAH-4645-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6102-4810
Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; e-mail: k.vorontsov@narfu.ru, n.bogdanovich@narfu.ru, lelenasedova@mail.ru, p.solovjeva@narfu.ru

Ключевые слова

шлам-лигнин, углеродный адсорбент, термохимическая активация, гидроксид натрия, адсорбционные свойства

Для цитирования

Воронцов К.Б., Богданович Н.И., Седова Е.Л., Соловьева П.В. Формирование адсорбционных свойств углеродных наноструктурированных материалов термохимической активации шлам-лигнина // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 4. С. 181–189. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-4-181-189

Литература

1. Байбородин А.М., Воронцов К.Б., Богданович Н.И. Разработка системы локальной очистки сильнозагрязненных сточных вод целлюлозно-бумажных предприятий // Вода: химия и экология. 2011. № 8. С. 16–21. Bayborodin A.M., Vorontsov K.B., Bogdanovich N.I. Local Treatment of Heavily Polluted Sewage Waters of Pulp and Paper Industry. Voda: khimiya i ekologiya, 2011, no. 8, pp. 16–21.

2. Белецкая М.Г., Богданович Н.И. Формирование адсорбционных свойств нанопористых материалов методом термохимической активации // Химия растит. сырья. 2013. № 3. С. 77–82. Beletskaya M.G., Bogdanovich N.I. The Formation of Adsorption Properties of Nanoporous Materials by Thermochemical Activation. Khimija Rastitel’nogo Syr’ja [Chemistry of plant raw material], 2013, no. 3, pp. 77–82. DOI: https://doi.org/10.14258/jcprm.1303077

3. Белецкая М.Г., Богданович Н.И., Макаревич Н.А. Технология углеродных адсорбентов // Физико-химический анализ активных углей. Архангельск: САФУ, 2015. 96 с. Beletskaya M.G., Bogdanovich N.I., Makarevich N.A. Carbon Adsorbent Technology. Physical and Chemical Analysis of Active Carbon. Arkhangelsk, NArFU Publ., 2015. 96 p.

4. Богданов А.В. Исследование сорбционно-коагуляционных свойств золы шлам-лигнина // Успехи современного естествознания. 2004. № 10. С. 22–26. Bogdanov A.V. Examination Sorption-Coagulation of Properties of Ashes Ofstimes- Lignine. Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya [Advances in current natural sciences], 2004, no. 10, pp. 22–26.

5. Богданов А.В., Шатрова А.С., Качор О.Л. Разработка экологически безопасной технологии утилизации отходов ОАО «Байкальский ЦБК» // Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2017. № 2. С. 47–53. Bogdanov A.V., Shatrova A.S, Kachor O.L. Development of Environmentally Friendly Technology of Waste Utilization at the Baikal Pulp and Paper Mill. Geoekologiya. Inzheneraya geologiya, gidrogeologiya, geokriologiya [Geoecology. Engineering geology. Hydrogeology. Geocryology], 2017, no. 2, pp. 47–53.

6. Богданов А.В., Левченко Е.А., Шатрова А.С., Качор О.Л., Воробчук В.А. Получение сульфатсодержащего цемента из отходов ОАО «Байкальский ЦБК» // Перспективы науки. 2016. № 2(77). С. 18–22. Bogdanov A.V., Levchenko E.A., Shatrova A.S, Kachor O.L., Vorobchuk V.A. Production of Sulfate-Containing Cement from Waste Products of OAO Baikal Pulp and Paper Mill. Perspektivy nauki [Science Prospects], 2016, no. 2(77), pp. 18–22.

7. Богданович Н.И. Пиролиз технических лигнинов // Изв. вузов. Лесн. журн. 1998. № 2-3. С. 120–132. Bogdanovich N.I. Pyrolysis of Technical Lignins. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 1998, no. 2-3, pp. 120–132. URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/d70/120_131.pdf

8. Богданович Н.И., Кузнецова Л.Н., Добеле Г.В. Новые реагенты термохимической активации углеродных материалов в синтезе адсорбентов // Углеродные адсорбенты: материалы Второго междунар. семинара. Кемерово: ИУУ СО РАН, 2000. С. 16–18. Bogdanovich N.I., Kuznetsova L.N., Dobele G.V. New Reagents of Thermochemical Activation of Carbon Materials in the Synthesis of Adsorbents. Carbon Adsorbents: Proceedings of the Second International Seminar. Kemerovo, Institute of Coal and Coal Chemistry SB RAS Publ., 2000, pp. 16–18.

9. Богданович Н.И., Труфанова Н.В., Фадеев С.М. Термохимическая активация измельченных древесных материалов гидроксидом натрия // Актуальные проблемы теории адсорбции, модифицирования поверхности и разделения веществ: материалы VII Всерос. симп. М.: ИФХ РАН, 2002. С.158. Bogdanovich N.I., Trufanova N.V., Fadeev S.M. Thermochemical Activation of Crushed Wood Materials with Sodium Hydroxide. Current Problems of Adsorption, Surface Modification and Separation of Substances: Proceedings of the VII All-Russian Symposium. Moscow, Institute of Physical Chemistry RAS Publ., 2002, p. 158.

10. Богданович Н.И., Кузнецова Л.Н., Третьяков С.И., Жабин В.И. Планирование эксперимента в примерах и расчетах. Архангельск: САФУ. 2010. 126 с. Bogdanovich N.I., Kuznetsova L.N., Tret’yakov S.I. Planning Experiment in Examples and Calculations. Arkhangelsk, NArFU Publ., 2010. 126 p.

11. Лагунова Е.А., Богданович Н.И., Кузнецова Л.Н. Влияние гидроксида натрия на процесс пиролиза черного щелока // Евразийский Союз Ученых. 2014. № 7-1. С. 85–87. Lagunova E.A., Bogdanovich N.I., Kuznetsova L.N. Effect of Sodium Hydroxide on the Process of Black Liqour Pyrolysis. Evraziyskiy Soyuz Uchenykh [Eurasian Union of Scientists], 2014, no. 7-1, pp. 85–87.

12. Прончин К.В., Щербин С.А. Буровые растворы на основе крупнотоннажного отхода целлюлозного производства // Вестн. Ангар. гос. техн. акад. 2008. Т. 2, № 1. С. 21–23. Pronchin K.V., Shcherbin S.A. Drilling Muds Based on Large-Capacity Pulp Waste. Vestnik Angarskoy gosudarstvennoy tekhnicheskoy akademii, 2008, vol. 2, no. 1, pp. 21–23.

13. Седова Е.Л., Воронцов К.Б. Коагуляционно-адсорбционная очистка лигнинсодержащих сточных вод // Наука-RASTUDENT.RU. 2014. № 7. Режим доступа: https://readera.org/koaguljacionno-adsorbcionnaja-ochistka-ligninsoderzhashhih-stochnyhvod-14329735 (дата обращения: 09.06.21).Sedova E.L., Vorontsov K.B. Coagulation – Adsorption Lignin-Containing Waste Water. Nauka-Rastudent.ru, 2014, no. 7.

14. Седова Е.Л., Воронцов К.Б., Буркова С.А. Влияние условий коагуляционной обработки на эффективность очистки лигнинсодержащей сточной воды по данным планированного эксперимента // Изв. вузов. Лесн. журн. 2019. № 4. С. 159–167. Sedova E.L., Vorontsov K.B., Burkova S.A. Influence of Coagulation Treatment on the Efficiency of Lignin Containing Wastewater Purification. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2019, no. 4, pp. 159–167. DOI: https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2019.4.159

15. Bedmohata M.A., Chaudhari A.R., Singh S.P., Choudhary M.D. Adsorption Capacity of Activated Carbon Prepared by Chemical Activation of Lignin for the Removal of Methylene Blue Dye. International Journal of Advanced Research in Chemical Science (IJARCS), 2015, vol. 2, iss. 8, pp. 1–13.

16. Carrott P.J.M., Ribeiro Carrott M.R. Lignin – from Natural Adsorbent to Activated Carbon: A Review. Bioresource Technology, 2007, vol. 98, iss. 12, pp. 2301–2312. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2006.08.008

17. Chistyakov A.V., Tsodikov M.V. Methods for Preparing Carbon Sorbents from Lignin (Review). Russian Journal of Applied Chemistry, 2018, vol. 91, iss. 7, pp. 1090–1105. DOI: https://doi.org/10.1134/S1070427218070054

18. Fedyaeva O.N., Vostrikov A.A., Artamonov D.O., Shishkin A.V., Sokol M.Ya. Combustion of Sludge-Lignin in Water-Oxygen Mixture. Journal of Engineering Thermophysics, 2020, vol. 29, iss. 1, pp. 26–41. DOI: https://doi.org/10.1134/S1810232820010038

19. Hayashi J., Kazehaya A., Muroyama K., Watkinson A.P. Preparation of Activated Carbon from Lignin by Chemical Activation. Carbon, 2000, vol. 38, iss. 13, pp. 1873–1878. DOI: https://doi.org/10.1016/S0008-6223(00)00027-0

20. Khezami L., Chetouani A., Taouk B., Capart R. Production and Characterisation of Activated Carbon from Wood Components in Powder: Cellulose, Lignin, Xylan.

21. Powder Technology, 2005, vol. 157, iss. 1-3, pp. 48–56. DOI: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2005.05.009

22. Ragan S., Megonnell N. Activated Carbon from Renewable Resources–Lignin. Cellulose Chemistry and Technology, 2011, vol. 45, no. 7-8, pp. 527–531.

23. Sarkar M., Tian C., Jahan M.S. Activated Carbon from Potassium Hydroxide Spent Liquor Lignin Using Phosphoric Acid. TAPPI Journal, 2018, vol. 17, no. 2, pp. 63–69. DOI: https://doi.org/10.32964/TJ17.02.63

24. Torné-Fernández V., Mateo-Sanz J.M., Montané D., Fierro V. Statistical Optimization of the Synthesis of Highly Microporous Carbons by Chemical Activation of Kraft Lignin with NaOH. Journal of Chemical & Engineering Data, 2009, vol. 54, iss. 8, pp. 2216–2221. DOI: https://doi.org/10.1021/je800827n

Ссылка на английскую версию:

Formation of Adsorption Properties of Carbon Nanostructured Materials by Thermochemical Activation of Sludge-Lignin

FORMATION OF ADSORPTION PROPERTIES OF CARBON NANOSTRUCTURED MATERIALS BY THERMOCHEMICAL ACTIVATION OF SLUDGE-LIGNIN

Konstantin B. Vorontsov, Candidate of Engineering, Assoc. Prof.; ResearcherID: P-2313-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6369-7245
Nikolay I. Bogdanovich, Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: A-4662-2013, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5374-2943
Elena L. Sedova, Postgraduate Student; ResearcherID:AAH-6774-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0903-7304
Polina V. Solovyova, Postgraduate Student; ResearcherID: AAH-4645-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6102-4810
Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: k.vorontsov@narfu.ru, n.bogdanovich@narfu.ru, lelenasedova@mail.ru, p.solovjeva@narfu.ru

Abstract. Pyrolysis is an effective way to process waste of the pulp and paper industry, in particular, sludge-lignin, which makes it possible to obtain a commercial product – a carbon adsorbent. The method of thermochemical activation using sodium and potassium hydroxides is now widely used in pyrolysis of wood waste processing. This method enables the production of carbon nanostructured materials with high adsorption properties, especially when adsorbed from the liquid phase. The paper studies the influence of conditions for the synthesis of carbon adsorbents of sludge-lignin on their adsorption properties using sodium hydroxide as an activating agent. Sludge-lignin was obtained under laboratory conditions by treating lignin-containing wastewater with aluminum oxychloride coagulant. We applied the method of the planned experiment: a rotatable central composite design of the second order for three factors. We studied the influence of the main factors determining the adsorption properties of coals, namely, temperature, pyrolysis duration and sodium hydroxide dosage, on the values of output parameters characterizing the adsorption efficiency from the liquid phase, i.e. the iodine number and the adsorption capacity of methylene blue removal. We obtained experimental data, which were used to construct response surfaces illustrating the influence of the experimental factors on the output parameters. The positive effect of pyrolysis temperature and alkali dosage on the adsorption properties of the synthesized coals was found. The following results were obtained: the adsorption activity for iodine – 300 %, for methylene blue – 1000 mg/g; indicating a developed micro- and mesoporous surface and the possibility of using these compounds for adsorption of both gases and vapors, and organic substances from solutions. Therefore, samples of activated carbons synthesized from sludge-lignin were tested as lignin adsorbents of lignin-containing wastewater. The obtained dependences correlate well with the data describing the influence of pyrolysis parameters on the coal adsorption capacity of methylene blue removal. The high efficiency of adsorbents of sludge-lignin in the removal of lignin from solutions was shown. The value of the specific adsorption was about 1500 mg/g.
For citation: Vorontsov K.B., Bogdanovich N.I., Sedova E.L., Solovyova P.V. Formation of Adsorption Properties of Carbon Nanostructured Materials by Thermochemical Activation of Sludge-Lignin. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2021, no. 4, pp. 181–189. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-4-181-189

Keywords: sludge-lignin, carbon adsorbent, thermochemical activation, sodium hydroxide, adsorption properties.