УДК: 541.57; 541.51; 541.68
Изучение механизмов образования микропористой структуры в антраците при окислении
, ,
Кемеровский государственный университет
Кемеровский филиал института химии твердого тела и механохимии СО РАН, г. Кемерово, пр. Советский 18, 650099
E-mail *****@***ru
Углеродные молекулярные сита (УМС) – это новый класс материалов, обладающих во многом уникальными характеристиками, в частности, очень узким распределением микропор по размерам.
УМС используются для разделения газов (О2, N2 из воздуха; водорода, СО из синтез-газа, CO2, H2S из попутных газов) в экологии, химическом производстве, нефтегазохимии. Для устойчивого получения УМС с требуемыми свойствами необходимо знание закономерностей формирования их нанотекстуры, а также связи её характеристик с сорбционными, кинетическими свойствами.
Эффективность разделения газов в углеродных молекулярных ситах определяется шириной щелевых пор, размером молекул аренов, боковые поверхности которых являются стенками пор. Окислительная активация исходных углеродных материалов с получением УМС происходит за счёт выгорания средней молекулы аренов в ассоциатах из трёх молекул (для каменноугольного пека) и выгорание средней молекулы в ассоциатах из семи молекул (для антрацита) – элементарных наноструктурных фрагментов матрицы исходных углеродных материалов. Эффективность разделения газов в УМС определяется шириной щелевых пор, размером молекул аренов, боковые поверхности которых являются стенками пор в элементарных нанотекстурных фрагментах – ассоциатах молекул аренов [1].
Цель работы: изучить зависимость сорбционных свойств полученных углеродных ультрамикропористых материалов от температуры получения микро - и мезопористого углеродного материала и времени активации исходного антрацита, связь свойств пористого углеродного материала - УМС с изменением межплоскостного расстояния между молекулами в нанофрагментах при увеличении размеров молекул в зависимости от температуры их получения.
Объект исследования: микропористый материал из антрацита, активированного в окислительной атмосфере при разной температуре, с разной степенью обгара.
Методика работы: Состав функциональных групп изучался по ИК-спектрам. Структуру, текстуру, элементный состав полученного микропористого углеродного материала исследовали с помощью электронного сканирующего микроскопа. Для изучения пористости использовали сорбцию бензола, воды, метанола на УМС. Также проводили моделирование образования пор в углях. Распределение пор по размерам анализировали с помощью газовой порометрии.
В результате работы: Были изучены УМС из антрацита (зольность 2,5%), полученные при разных температурах активации, с разной степенью обгара. По ИК-спектрам наблюдали обгар углеродного материала и сопутствующее появление ОН-групп при активации и увеличения их количества.
Установлено, что сорбционная ёмкость полученных сорбентов увеличивается до обгара около 36,6%, затем остаётся постоянной – для метанола, незначительно уменьшается – для воды и бензола в образцах с обгаром около 41%, и далее с обгаром существенно уменьшается – это свидетельствует о схлопывании образующихся при этом пор.
Молекулярно-ситовые свойства присущи образцам с обгаром около 36%: метанол за сутки сорбируется в них почти до максимальной емкости – 15,2% (при максимальной 15,4%). Вода при этом сорбируется только до 13,7% (при максимальной емкости – 16,5%). Бензол – до 16,4% (при максимальной емкости 18,2%). Усадка в образцах с обгаром более 36,6% сопровождается разрушением частиц антрацита.
Рис. 1. Изотерма H2 на активном угле при 77 К в линейных и логарифмических координатах. Кружки – эксперимент, сплошные линии – расчет.
Рис. 2. Распределение пор по размерам, полученное из изотермы адсорбции водорода на активном угле.
Как видно из полученных данных, углеродный сорбент имеет поры двух видов - с размером около 0,65 нм и 0,85 нм. Объём больших пор приблизительно в два раза больше, чем узких. Суммарная площадь поверхности сорбента S = 408.4 м2/г,
поверхность мезопор - Sme = 52.3 м2/г, объем микропор - Vmi = 0.154 см3/г, среднеквадратичное отклонение - 2.4%. Это объясняется наличием двух видов нанотекстурных фрагментов в исходном углеродном материале.
Выводы:
1. Синтезированы образцы ультрамикропористых углеродных молекулярных сит. Исследованы сорбционные свойства полученных углеродных сорбентов, изучены структурные характеристики, установлен элементный состав полученных углеродных микро - и мезопористых материалов. Получены размеры и объём пор, присутствующих в конечных углеродных материалах и площадь поверхности сорбента.
2. Подобраны оптимальные условия синтеза УМС из каменноугольного сырья, в частности, из антрацита.
Литература
, // Ползуновский вестник. 2009. С.189-192.Научный руководитель – к. х.н., в. н.с.
