ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2008, № 3, с. 42-46
УДК 662.732.661.183
ПОЛУЧЕНИЕ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ ИЗ СКОРЛУПЫ ГРЕЦКОГО ОРЕХА
© 2008 г. Г. Б. Камбарова, Ш. Сарымсаков
Институт химии и химической технологии HAH КР, Бишкек E-mail:ali@bank.bakai.kg Поступила в редакцию 25.09.2007 г.
Изучен технический, групповой и элементный состав скорлупы грецкого ореха (ОС) с позиций его пригодности в качестве сырья для получения активированного угля (АУ). Установлено, что по составу ОС близка к составу древесины березы (ДБ), из которой получают АУ марки БАУ и ОУ. Скорлупу грецкого ореха можно использовать в качестве сырья для получения АУ путем карбонизации предварительно высушенной и измельченной ОС с последующей парогазовой активацией карбонизата. Показано, что адсорбционная активность АУ увеличивается с ростом степени обгара карбонизата.
Активные (активированные) угли - углеродные адсорбенты - широко применяются в промышленности для сорбции различных веществ из газовой и жидкой сред, поэтому использование АУ представляет большой интерес при создании безотходных технологических процессов и улучшении экологического состояния окружающей среды.
В качестве сырья для производства АУ используют ископаемые угли, торф, древесину различных деревьев, отходы бумажного и кожевенного производства и др. [1]. Из древесины березы получают дробленные АУ марки БАУ и порошкообразные - марки ОУ [2]. Древесные АУ широко применяются в пищевой промышленности и медицине для очистки фруктовых сиропов, лекарственных препаратов, питьевой воды и др. [3, 4]. Высококачественные АУ получают из скорлупы кокосового ореха, а также из фруктовых косточек [5, 6].
Леса грецкого ореха в Кыргызской Республике по занимаемой площади самые крупные в мире [7], поэтому исследование скорлупы грецкого ореха как сырья для получения АУ имеет большое теоретичекое и практические значение. Дан-
ная статья посвящена этому актуальному вопросу и содержит результаты экспериментальных исследований ОС.
Скорлупу грецкого ореха высушивали при комнатной температуре, измельчали до размера менее 5 мм, отбирали среднюю пробу, которую измельчали до фракции <0.25 мм и определяли технический и элементный состав (табл. 1). Как видно из приведенных данных (табл. 1) ОС характеризуется низким содержанием серы, азота и золы, содержание углерода на 1.5 мас. % выше, чем в древесине березы (ДБ), которая характеризуется более высоким содержанием кислорода и азота. В целом можно считать, что ОС удовлетворяет требованиям, предъявляемым к качеству исходного сырья для получения АУ.
В работе изучен групповой химический состав ОС и определены выходы экстрагируемых веществ в различных растворителях (табл. 2). Из приведенных данных (табл. 2) следует, что по групповому химическому составу ОС и ДБ имеют отличия. Так процентное содержание лигнина в ОС более высокое (48.28%), чем в ДБ (19.40%), а количество целлюлозы выше ДБ (50.0%). Известно, что лигнин - органическое полимерное
Таблица 1. Химический состав ОС и ДБ
Содержание, мас. % Элементный состав, % на daf
Материал Wa Ad ydaf C H N S O (по разности)
Ореховая скорлупа (ОС) Древесина березы (ДБ) 7.95 1.30 1.26 77.58 51.17 49.61 6.37 6.32 0.47 1.12 0.08 0.09 41.91 42.76
Таблица 2. Групповой химический состав ОС и ДБ
Материал Групповой состав, % Количество экстрагируемых веществ, %
целлюлоза лигнин гемицел-люлоза эфире этиловом спирте бензоле воде
ОС ДБ 30.47 50.00 48.28 19.40 21.25 30.00 0.34 1.60 0.53 2.00 0.17 2.27 0.30
Таблица 3. Характеристика твердого остатка из ОС
Температура Технический анализ, % Элементный состав, % на ёа/
карбонизации, °С А уёа/ С Н N Б 0 (по разности)
Исходный 7.93 1.30 77.58 51.17 6.37 0.47 0.08 41.91
200 3.93 1.45 82.89 65.56 5.79 0.45 0.05 28.15
300 4.28 1.35 36.33 71.72 5.60 0.46 0.05 22.17
400 4.59 2.07 28.91 79.89 5.51 0.43 0.04 14.13
500 5.00 2.10 16.29 87.50 5.09 0.42 0.03 6.96
600 3.90 2.20 6.19 89.68 4.06 0.30 0.02 5.94
700 5.20 2.28 2.41 94.96 2.16 0.32 0.02 2.54
800 4.19 2.50 1.74 95.80 2.06 0.30 0.02 1.82
соединение, содержащееся в клеточных оболочках сосудистых растений. Возможно более высокое содержание лигнина способствует большему обугливанию растительного материала, как это видно из табл. 1.
Первой стадией термической обработки при получении АУ из древесины является пиролиз исходного сырья с получением карбонизата (так называемого древесного угля-сырца). По этой же схеме перерабатывали в АУ скорлупу грецкого ореха. Пиролиз ОС проводили в лабораторной установке со скоростью нагрева 10°С/мин в интервале температур от 200 до 800°С с интервалом 100°С без доступа воздуха. Загрузка сырья составляла 100 г; в процессе пиролиза улавливали и анализировали продукты разложения. Состав продуктов разложения ОС и выход каждого из продуктов в зависимости от температуры пиролиза приведен на рисунке. Из приведённых данных (рисунок) видно, что с ростом температуры пиролиза до 500°С наблюдается снижение выхода твердого остатка и увеличение остальных продуктов разложения; дальнейший рост температуры обработки не оказывает существенного влияния на выход продуктов.
Процесс образования карбонизата из ОС при разных температурах обработки протекает аналогично этому процессу для ДБ, с той разницей,
что при всех значениях температуры при пиролизе ОС наблюдаются более высокие выходы карбонизата. Например, при 500°С выход карбонизата из ОС составляет 32.0%, а из ДБ 24.93%.
Из продуктов разложения ОС наибольший интерес представляет карбонизат - как исходное сырье для получения АУ и смола - как источник
Выход, мас. %
Выход твердого остатка при нагревании ОС (1) и ДБ (2) с образованием смол (5), подсмольной воды (3) и газа (4) из ОС.
Таблица 4. Адсорбционная активность карбонизатов, полученных при различной температуре пиролиза ОС
Температура карбонизации, °С Адсорбционная активность по: Суммарный объем пор по влагоемкости, см3/г Насыпная плотность, г/дм3
йоду, % метиленовому голубому, мг/г
400 19.10 50 0.72 306
500 25.30 50 0.76 295
600 25.50 50 - -
700 33.80 50 0.53 335
Таблица 5. Изменение характеристик АУ от степени обгара карбонизатов ОС
Степень обгара, %
Выход АУ, %
Адсорбционная активность, по:
йоду, % метиленовому голубому, мг/г мелассе, мг/г
Насыпная плотность, г/дм3
Суммарный объем пор по влагоем-кости, см3/г
Предельный объем сорб-ционного пространства, см3/г
Карбонизат при 400°С
Исходный 100 19.1 50 - 306 0.72 -
20 73.2 30.5 95 50 - 1.20 0 .372
40 53.5 54.3 126 65 301 1.40 0.424
55 41.3 60.3 192 75 280 1.55 0.440
70 27.4 64.8 210 90 240 1.77 0.468
Карбонизат при 500°С
Исходный 100 25.4 50 - 295.1 0.76 -
55 39.2 64.5 120 70 286.0 1.44 0.430
65 31.4 80.2 210 100 240.5 1.68 0.476
71 24.0 82.8 230 105 239.5 1.78 0.482
Карбонизат при 700°С
Исходный 100 33.0 50 - 335.2 0.53 -
40 54.2 59.1 130 65 309 1.50 0.428
50 46.4 74.6 170 73 291 1.62 0.434
60 35.2 79.8 190 85 250 1.74 0.478
химического сырья, поэтому их химический состав и свойства были изучены более детально. Характеристика карбонизатов ОС представлена в табл. 3, откуда видно, что в процессе пиролиза с ростом температуры изменяется химический состав образующегося карбонизата: содержание углерода и золы растет, а количество всех остальных компонентов снижается по сравнению с исходной ОС.
При температуре 700°С и выше образуется карбонизат высокообуглероженный с низким содержанием летучих веществ, кислорода, серы и зольных компонентов. Карбонизат такого состава помимо сырья для получения АУ может найти применение во многих отраслях промышленно-
сти, например, в качестве восстановителя при производстве технического кремния, различных металлических сплавов и др.
Для определения возможности применения карбонизатов из ОС, полученных при различных температурах пиролиза (без проведения их активации), в качестве адсорбентов проведено исследование насыпной плотности, суммарной пористости и адсорбционной активности карбонизатов и их сравнение с промышленным АУ марки БАУ-А (табл. 4).
Из приведенных данных (табл. 4) видно, что карбонизаты ОС по многим показателям не достигают уровня промышленного АУ. Для улучшения адсорбционных свойств карбонизаты, по-
Таблица 6. Сравнительная характеристика АУ
Показатель Норма по каталогу [1] для марок АУ из ОС при степени обгара 70% из карбонизата при температуре, °С
БАУ-А БАУ-Б 500 400
Влага, мас. %, не более 10 10 5.2 4.06
Зола, мас. %, не более 7 8 2.3 2.01
Водорастворимая зола, мас. % - - 1.2 1.1
Адсорбционная активность по:
йоду,%, не менее* 60 50 82.8 64.8
мелассе, мг/г - - 105 90.0
метиленовому голубому, мг/г - - 230 210
Суммарный объем пор по влагоемко-сти, см/г, не менее 1.6 1.5 1.78 1.77
Насыпная плотность, г/дм3, не более 240 - 239.5 240
* При указании нормы по каталогу [1].
лученные при температурах 400, 500 и 700°С, подвергали активации при 800°С до различных степеней обгара.
Активация карбонизатов показала, что с увеличением степени обгара происходит увеличение адсорбционной способности полученного АУ (табл. 5). Так, активация до степени обгара 70% карбонизата, полученного при 400°С, приводит к изменению адсорбционной способности: по йоду -от 19.1% до 64.8%, по метиленовому голубому -от 50 до 210 мг/г (табл. 5). Суммарная пористость при этом повышается от 0.72 до 1.78 см3/г, предельный объем сорбционного пространства от 0.372 до 0.482 см3/г, а насыпная плотность снижается с 306 до 240 г/дм3.
Данные по адсорбционной способности и пористой структуре показывают возможность получения из скорлупы грецкого ореха АУ высокого качества. Из приведенных данных также видно, что полученные активные угли по свойствам соответствуют промышленному АУ марки БАУ, при этом образуются при более низкой степени обгара (50%), что позволяет увеличить выход конечного продукта.
В табл. 6 приведены нормативные технические показатели АУ марки БАУ-А [2] и показа-
тели качества АУ, полученные активацией при 800°С карбонизатов разной температуры пиролиза ОС. Как видно из данных АУ на основе скорлупы грецкого ореха превосходят по всем показа
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.