Получение углеродных адсорбентов из древесного сырья путём предпиролиза с последующей термохимической активацией (стр. 1 )

         

       На правах рукописи

КАЛИНИЧЕВА  Оксана  Александровна

ПОЛУЧЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ АДСОРБЕНТОВ ИЗ

ДРЕВЕСНОГО СЫРЬЯ ПУТЁМ ПРЕДПИРОЛИЗА С

ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ

АКТИВАЦИЕЙ

05.21.03 – Технология  и  оборудование  химической

переработки  биомассы  дерева;  химия  древесины

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертация  на  соискание  ученой  степени

кандидата  технических  наук

Архангельск – 2008

Работа выполнена на кафедре лесохимических производств

Архангельского государственного технического университета

Научный руководитель:        доктор технических наук,

заслуженный работник

высшей школы РФ,

профессор

Официальные оппоненты:        доктор технических наук,

профессор ,

кандидат технических наук

Ведущая организация:                                Институт экологических проблем

севера, УрО РАН

Защита диссертации состоится  27  сентября  2008  года на заседании диссертационного совета Д.212.008.02 в Архангельском государственном техническом университете (163002 г. Архангельск, набережная Северной Двины, 17).

С  диссертацией  можно  ознакомиться  в  библиотеке  Архангельского

государственного  технического  университета.

Автореферат разослан «  » ____________ 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

канд. хим. наук ____________

ОБЩАЯ  ХАРАКТЕРИСТИКА  РАБОТЫ

Актуальность темы

Древесные отходы образуются на всех стадиях технологической цепи, начиная от лесозаготовок и кончая механической и химической переработкой древесины. Пиролиз подобных отходов с целью получения углеродных адсорбентов рассматривается в настоящее время как один из наиболее перспективных способов их переработки.

Углеродные адсорбенты, благодаря таким уникальным свойствам, как развитая активная поверхность, регулируемая пористость, хорошая электрическая проводимость, термическая и радиационная стойкость, находят широкое применение в различных областях народного хозяйства. Огромное количество активных углей (АУ) необходимо для решения экологических проблем, связанных с подготовкой питьевой воды, очисткой сточных вод и газовых выбросов, рекуперацией органических растворителей. Расширяются области использования АУ в медицине и фармацевтике. Однако, активные угли, получаемые традиционными методами, достаточно дороги. Это, в свою очередь, ограничивает масштабы их применения в промышленности и экологии.

В связи с этим в настоящее время актуальным является совершенствование способов производства активных углей в целях повышения их физико-механических и адсорбционных свойств, а также направленного формирования их пористой структуры. Для синтеза АУ чаще всего используются методы парогазовой активации, в результате получаются гранулированные и порошкообразные угли. Вместе с тем древесные материалы представляют интерес и для термохимической активации. Это вызвано в первую очередь тем, что древесные отходы легко импрегнируются реагентами на всю глубину. В качестве активирующих агентов при термохимической активации используются кислоты (H3PO4, H2SO4 и др.), щёлочи (КОН, NaOH) и соли (K2S, ZnCl2).

Одним из направлений химического активирования является использование в качестве активирующего агента NaOH. Активирование углеродной матрицы ионами натрия в наиболее активной форме – форме гидроксида – обеспечивает формирование развитой пористой структуры АУ. Однако использование NaOH ограничивается по причине высоких расходов на активацию и сложности регенерации из отработанных промывных растворов.

При получении АУ методами химической активации используются, главным образом, некарбонизованные древесные материалы, которые в большом количестве содержат химически связанный с основной углеродной матрицей кислород. В процессе термического разложения кислородсодержащего сырья, последний выделяется в основном в виде CO2 и низкомолекулярных карбоновых кислот, что инактивирует действие NaOH по причине его карбонизации и образования соды Na2CO3. Предварительная термообработка (предпиролиз) исходных материалов приводит к их науглероживанию и снижению содержания элементного кислорода.

В связи с этим одним из важных направлений исследований является определение условий подготовки сырья к термохимической активации, требующие минимального расхода данного реагента.

Цель и задачи исследований

Основной целью данной работы являлось экспериментально исследовать влияние режимов предварительной термообработки древесных материалов и последующей термохимической активации в присутствии NaOH на формирование сорбционно-структурных свойств АУ.

Для достижения цели решались следующие задачи:

I. Исследовать влияние условий предпиролиза на выход и свойства активных углей, получаемых из древесных материалов с использованием в качестве активирующего агента гидроксида натрия.

II. Определить оптимальные условия термохимической активации для формирования пористой структуры и адсорбционных свойств активных углей, получаемых из опилок и коры.

III. Изучить возможность увеличения выхода АУ, синтезируемых путём термохимической активации в присутствии NaOH, с предобработкой сырья ортофосфорной кислотой.

IV. Определить удельную поверхность и параметры пористой структуры углеродных адсорбентов по данным адсорбции азота.

V. Определить условия синтеза активных углей, пригодных для извлечения йода из буровых рассолов.

Научная новизна

Впервые показано, что метод предварительной карбонизации исходных древесных материалов является действенным регулятором не только расхода активирующего агента, но и адсорбционных свойств АУ, получаемых методом термохимической активации в присутствии NaOH.

Методом планированного эксперимента определены оптимальные режимы получения активных углей из древесных отходов путём термохимической активации в присутствии NaOH.

Установлено, что введение ортофосфорной кислоты на стадии предобработки сырья позволяет значительно увеличить выход активированного угля без изменения его сорбционных свойств.

Практическая значимость

Синтезируемые путём термохимической активации углеродные адсорбенты могут найти широкое практическое применение в различных областях промышленности. Адсорбционные свойства полученных углей по всем тест-веществам почти в 2,5 раза превышают требования, предъявляемые к промышленно выпускаемым АУ подобного класса.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях Архангельского государственного технического университета (2004-2008 г.), на XV Коми республиканской молодёжной научной конференции в г. Сыктывкар (2004 г.) на III Всероссийской конференции «Химия и технология растительных веществ» в г. Саратове (2004 г.), на X Всероссийском симпозиуме с участием иностранных ученых «Актуальные проблемы теории адсорбции, пористости и адсорбционной селективности» (2005).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация включает в себя: введение; аналитический обзор литературы; методическую часть; экспериментальную часть, содержащую 4 раздела; технологическую и экономическую части, общие выводы.

Содержание работы изложено на 164 страницах, включая 33 рисунка и 19 таблиц и 6 приложений, библиография содержит 175 наименований.

На защиту выносятся:

- результаты исследования влияния условий предпиролиза на выход и сорбционные свойства активных углей, получаемых из древесных материалов с использованием в качестве активирующего агента гидроксида натрия;

- оптимальные условия термохимической активации для формирования пористой структуры и адсорбционных свойств активных углей, получаемых из опилок и коры;

- результаты поискового исследования направленного на увеличение выхода активированных углей предобработкой сырья ортофосфорной кислотой;

- экспериментальные данные определения возможности использования полученных активных углей для адсорбции йода из буровых рассолов;

- технологическая схема производства активированного угля из древесных отходов методом термохимической активации в присутствии NaOH.

ОСНОВНОЕ  СОДЕРЖАНИЕ  ДИССЕРТАЦИИ

В аналитическом обзоре обобщены и систематизированы литературные данные по видам сырья, пригодного для синтеза углеродных сорбентов. Отмечено, что использование в качестве сырья производственных отходов, в частности отходов деревообрабатывающей промышленности (коры и опилок), позволяет решить экологическую проблему их утилизации.

Проведён сравнительный анализ достоинств и недостатков известных методов получения активных углей: парогазовой и химической активации. Особый интерес представляет химическое активирование в присутствии соединений щелочных металлов, при котором получаются угли высокого качества.

Из обзора патентной литературы следует, что все технологии получения активированных углей подразделяются на две схемы, одна из которых основана на аллотермическом принципе, другая – на автотермическом. Предпочтение отдаётся второй схеме, поскольку в данном случае процесс характеризуется высокой степенью экологической безопасности, при этом удаётся сократить число и объем аппаратов по производству углеродных сорбентов из древесного сырья.

Приведена классификация типов изотерм адсорбции и дана сравнительная характеристика уравнений изотерм адсорбции, используемых для определения удельной поверхности и пористой структуры твёрдых тел. Отдельное внимание уделено закономерностям процесса адсорбции из растворов на поверхности пористых тел (активных углей).

Рассмотрены области применения активированных углей, в частности для очистки питьевой воды и в процессе сорбционного извлечения йода из природных вод.

Исходя из результатов анализа литературы, были сформулированы цель и задачи исследования.

Объекты и методы исследования

В главе рассматриваются объекты, аппаратура и экспериментальные методы исследования.

Сырьём для получения активных углей являлись кора и опилки – отходы деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности Архангельской области.