Статья поступила в редакцию 09.10.14. Ред. рег. № 2110
The article has entered in publishing office 09.10.14. Ed. reg. No. 2110
УДК 66.081.32
ОЧИСТКА ХЛАДОНА R-113 С ПРИМЕНЕНИЕМ АКТИВНЫХ УГЛЕЙ И ЦЕОЛИТОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ФУЛЛЕРЕНАМИ
В.В. Самонин, М.Л. Подвязников, Е.Д. Хрылова, Е.А. Спиридонова
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013 Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26 E-mail: samonin@lti-gti.ru
Заключение совета рецензентов: 15.10.14 Заключение совета экспертов: 20.10.14 Принято к публикации: 25.10.14
В работе иллюстрируется возможность сорбционной очистки хладона 113 от примесей с использованием сорбцион-ных методов. Показано, что использование активированного угля позволяет осуществить очистку хладона до требований, предъявляемых к товарному продукту. Модифицирование сорбирующих материалов фуллеренами способствует повышению эффективности процесса очистки.
Ключевые слова: хладон 113, сорбционная очистка, активные угли, цеолиты, модифицирование, фуллерены.
PURIFICATION OF FREON R-113 USING ACTIVE CARBONS AND ZEOLITES,
MODIFIED BY FULLERENES
V.V. Samonin, M.L. Podvyaznikov, E.D. Hrylova, E.A. Spiridonova
St. Petersburg State Technological Institute (technical university) 26 Moskow ave., Saint-Petersburg, 190013, Russia E-mail: samonin@lti-gti.ru
Referred: 15.10.14 Expertise: 20.10.14 Accepted: 25.10.14
The paper illustrates the possibility of sorption purification Freon 113 from impurities using sorption methods. It is shown that the use of activated carbon allows purification of the Freon to requirements of the commercial product. The effectiveness of the cleaning process is enhanced by the use of sorbents modified fullerenes.
Keywords: Freon 113, sorption purification, activated carbons, zeolites, modification, fullerenes.
Введение
В соответствии с Венской конвенцией об охране озонового слоя [1] и Монреальским протоколом по веществам, разрушающим озоновый слой [2], запрещен к производству ряд хладонов, и в том числе с 2000 года запрещен к производству хладон 113 (Я-113). Предполагалось, что после прекращения выпуска хладон Я-113 может быть заменен регенерированным продуктом. Универсальность хладона Я-113 делает его применение предпочтительным в стратегически важных сферах, где требуется высокая степень очистки поверхности. Основным потребителем хладона Я-113 в России и за рубежом остается ракетно-космическая отрасль. Существующие в настоящее время альтернативные обезжиривающие средства не могут заменить хладон-113 по всем эксплуатационным возможностям [3]. Если в процессе использования хладон собирается и регенерируется (то есть не попадает в атмосферу), риск для озонового слоя сокращается.
Регенерация Я-113 возможна с использованием перегонки и дистилляции [4]. Однако, как показывает практика, процессы сорбционной очистки различных жидких сред, таких как трансформаторные масла, теплоносители, а также хладоны холодильного цикла, до низких концентраций примесей характеризуются высокой экономичностью и технологичностью [5, 6], вследствие чего выгодны для прикладного использования. В соответствии с требованиями к продукту Я-113 [7] содержание в нем основного компонента не должно быть ниже 99,96%, что на практике может быть обеспечено сорбционными методами.
Одним из способов повышения активности сорбирующих материалов является их модифицирование фуллеренами, новой аллотропной формой углерода, придающей пористым материалам специфические адсорбционные свойства [8-11]. Использование модифицированных фуллеренами адсорбентов дает возможность повысить их активность при работе как в газовых, так и в жидких средах.
№ 18 (158) Международный научный журнал
В настоящей работе рассмотрена возможность применения сорбционно-активных материалов, в том числе модифицированных фуллеренами, для очистки трифтортрихлорэтана (R-113) от дифтортрихлорэта-на (R-122), трифтордихлорэтана (R-123) и 1,2-дифтортетрахлорэтана (R-112).
Экспериментальная часть
Для очистки хладона в работе использовались ультрамикропористые адсорбенты с малым размером пор и, как следствие, высокой характеристической энергией адсорбции. Процесс адсорбции проводился на синтетических гранулированных цеолитах марок NaA, NaX и активированном угле марки AR1. Характеристики использованных сорбирующих материалов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры пористой структуры сорбционно-активных материалов
Table 1
Parameters of the porous structure of sorption-active materials
Параметр NaX NaA АЯ 1
Удельная поверхность, м2/г 1030 800 1350
Предельный объем сорбционного пространства, см3/г 0,35 0,32 0,59
Объем микропор, см3/г 0,28 0,32 0,54
Размер пор, нм 0,9 0,4 1,1
Характеристическая энергия адсорбции, кДж/моль 29,1 35,7 23,6
Процесс адсорбционной очистки проводился в статических условиях, при температуре 20 °С и соотношении адсорбента и хладона Т:Ж = 1:5, при периодическом перемешивании, время контакта 3 часа. Содержание примесей определялось методом хрома-томасспектрометрии. Сорбционная емкость использованных для очистки сорбционных материалов представлена в табл. 2.
Таблица 2
Сорбционная емкость цеолитов и активированного угля по примесям хладона R-113
Table 2
The sorption capacity of zeolite and activated carbon for the removal of impurities of refrigerant R-113
Примесь Сорбционная емкость, мг/г
NaX NaA АЯ 1
R-122 10,6 24,2 31,8
R-112 0,4 0,8 0,9
R-123 4,3 7,5 8,5
Из приведенных данных видно, что сорбционная емкость высококачественного активированного угля AR1 по поглощаемым примесям значительно превышает емкость цеолитов. При этом молекулярно-ситовые свойства цеолитов не сказались на степени очистки хладона R-113. Как показали полученные результаты, степень очистки существенно зависит от объема микропор (табл. 1) исследованных сорбентов и не связана в данном случае с характеристической энергией адсорбции. По всей вероятности, как показывает опыт работы, данная характеристика будет иметь определяющее значение в процессах сорбци-онной очистки до более низких уровней остаточного содержания примесей.
В ходе проведенных исследований выявлено, что для очистки хладона R-113 (содержание R-113 в исходном продукте составляло 99,47%) может быть применен метод сорбционной очистки (табл. 3).
Таблица 3
Степень очистки хладона R-113 сорбционно- активными материалами
Table 3
The degree of purification of Freon R-113 with using sorption-active materials
Марка сорбента Конечное содержание R-113, % Степень очистки, %
NaX 99,67 37,7
NaA 99,86 73,5
AR1 99,96 92,5
При этом достижение высокого содержания Я-113 в соответствии с требованиями к товарному продукту [7] при приемлемых экономических показателях, соответствующих выбранным значениям Т:Ж, возможно при использовании активного угля, например, АЯ1, характеризующегося высокоразвитым объемом микропор (до 0,54 см3/г). Его использование дает возможность обеспечить высокую степень очистки, достигающую 92,5% (табл. 3) и получить хладон Я-133, удовлетворяющий требованиям, предъявляющимся к товарному продукту.
Следующим шагом работы явилось определение возможности повышения эффективности адсорбентов их модифицированием фуллеренами. Модифицирование адсорбентов проводилось из водных растворов фуллеренов по методике, описанной в [12]. Количество вводимой в адсорбенты добавки составляло 0,002-0,006% масс., что определялось технологической и экономической целесообразностью. Полученные материалы были испытаны в процессах очистки хладона по методике, приведенной выше. Исходное содержание Я-113 в исходном продукте составляло 99,59% масс. Полученные результаты приведены в табл. 4.
№ 18 (158) Международный научный журнал
В.В. Самонин, М.Л. Подвязников и др. Очистка хладона R-113 с применением активных углей и цеолитов.
Таблица 4
Степень очистки хладона R-113 сорбционно- активными материалами, модифицированными фуллеренами
Table 4
The degree of purification of Freon R-113 with using sorption-active materials modified by fullerenes
Адсорбент, % масс. фуллеренов Конечное содержание R-113, % Степень очистки, %
AR1, 0,002 99,97 92,7
AR1, 0,004 99,97 92,7
AR1, 0,006 99,96 90,2
NaA, 0,004 99,92 87,8
NaX, 0,004 99,92 87,8
Из приведенной табл. 4 видно, что модифицирование адсорбентов фуллеренами приводит к повышению их сорбционной активности. Данный эффект наблюдается как для активных углей, так и для цеолитов, для которых характерно значительное повы-
шение сорбционной активности. Для активных углей увеличение сорбционной способности не столь значительно. Однако следует отметить, что при этом остаточное содержание примесей в хладоне снижается с 0,04% при использовании исходного активного угля до 0,03% для угля, модифицированного фул-леренами.
Результаты получены в рамках задания № 2014/191 на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки России (Код проекта НИР № 678).
Выводы
Иллюстрируется возможность и перспективность сорбционной очистки хладона 113 от примесей сорбционным методом с использованием активированного угля до требований, предъявляемых к товарному продукту.
Показано, что модифицирование адсорбентов фуллеренами позволяет повысить их сорбционную активность и снизить в ряде случаев содержание примесей в основном продукте с 0,04 до 0,03%.
Список литературы
1. Handbook for the Vienna Convention for the Protection of the Ozone Layer / Ninth Edition. // Ozone Secretariat United Nations Environment Programme (UNEP). 2012.
2. http://docs.cntd.ru/document/901864919. Handbook for the Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer / Ninth edition. Ozone Secretariat United Nations Environment Programme (UNEP). 2012.
3. Бунчук Ю.П., Мельник Ю.И., Потапович Л.П., Хрипков А.В. Аналитический обзор альтернативных средств-заменителей хладона-113 на операциях обезжиривания деталей и узлов РКТ, контактирующих с жидким кислородом // Наука и инновации. 2012. Т. 8, № 4. С. 10-17.
4. Климов Е.С., Варламова С.И. Регенерация отработанных масел и ра
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.