научная статья по теме СВОЙСТВА АДСОРБЕНТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ЩЕЛОЧНОЙ АКТИВАЦИЕЙ АЛЕКСАНДРИЙСКОГО БУРОГО УГЛЯ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «СВОЙСТВА АДСОРБЕНТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ЩЕЛОЧНОЙ АКТИВАЦИЕЙ АЛЕКСАНДРИЙСКОГО БУРОГО УГЛЯ»

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2009, № 4, с. 44-48

УДК 553.96:66.094.7:661.183.2

СВОЙСТВА АДСОРБЕНТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ЩЕЛОЧНОЙ АКТИВАЦИЕЙ АЛЕКСАНДРИЙСКОГО БУРОГО УГЛЯ

© 2009 г. Ю. В. Тамаркина*, В. Г. Колобродов**, Т. Г. Шендрик*, В. А. Кучеренко*

* Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М. Литвиненко

НАН Украины, Донецк E-mail: y_tamarkina@rambler. ru ** Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт" E-mail: kolobrodov@kipt.kharkov.ua Поступила в редакцию 13.11.2008 г.

Высокомикропористые (доля микропор ~70%) адсорбенты получены методом щелочной активации — термолизом (800°С, 1ч) бурого угля (Cdaf = 70.4%) в присутствии гидроксида калия при массовом соотношения КОН/уголь ^кон - 2.0 г/г. Установлены зависимости удельной поверхности и адсорбционной активности по метиленовому голубому (АМГ, мг/г), иоду (АИ, мг/г) и водороду (AH , мас. %) адсорбентов от ^кон. Полученные при ^кон > 1.0 г/г адсорбенты обладают развитой удель -ной поверхностью и хорошими адсорбционными характеристиками (АИ = 1000—1200 мг/г, АМГ = = 200—250 мг/г, AH - 3.16 мас. % при 0.33 МПа). Высокая емкость по водороду позволяет считать буроугольные адсор бенты перспективными материалами для использования в качестве аккумуляторов водорода.

Щелочная активация представляет собой достаточно эффективный метод получения активированных углей (АУ) [1, 2]. Такие АУ, также определяемые как "нанопористые углеродные материалы" [3], могут быть использованы в качестве адсорбентов для очистки воды от токсичных веществ [4], материалов в ионисторах — высокоемких конденсаторах с двойным электрическим слоем [5], носителей (аккумуляторов) водорода, метана или природного газа [6].

Щелочную активацию применяют для получения адсорбентов из разных видов углей: бурых [7], каменных [8] (в том числе окисленных [9]) и антрацитов [10]. Как правило, используют смеси с большим массовым соотношением МОН/уголь: ^мон = 2—5 г/г [10—13]. Конечный твердый продукт нагревания представляет собой смесь АУ(5— 10%) и МОН + М2СО3(90-95 %), что существенно усложняет процедуру выделения АУ.

Бурый уголь можно предварительно пропитать щелочью, т.е. получить соединение включения БУ с МОН [14]. В обычных условиях щелочной активации такое соединение превращается в высокопористый материал при существенно меньшем соотношении МОН/уголь [15, 16]. Ранее установленные зависимости выходов и величины удельной поверхности АУ [17] показали, что из трех исследованных щелочей (ЫОН, №ОН,

КОН) максимальный эффект проявляет КОН: полученные из соединений включения БУ с КОН (при ^КОН > 0.5 г/г) адсорбенты обладают наиболее развитой поверхностью при выходе АУ 35— 40%.

Настоящая работа посвящена исследованию адсорбционной активности АУ, полученных термолизом соединений включения бурого угля с КОН.

Экспериментальная часть

В работе использовали бурый уголь Александрийского месторождения с размером частиц 0.5—1.0 мм и следующими характеристиками (%): Жа 12.4; Аа 11.7; Г^ 57.6; С^ 70.4; Н^ 6.0; 3.8; ^ 2.0; Оа/ 17.8.

Импрегнирование КОН осуществляли следующим образом. Навеску БУ (20 г) приводили в контакт с 50%-ным раствором КОН, выдерживали в течение 24 ч при комнатной температуре и сушили при 105—110°С до постоянной массы. Объем раствора выбирали таким образом, чтобы обеспечить заданное массовое соотношение КОН/уголь — ^КОН, г/г. В холостом опыте уголь смачивали водой в количестве, эквивалентном количеству воды в щелочном растворе, выдерживали в течение 24 ч и высушивали в тех же услови-

ях, что и образцы с КОН. Импрегнированный щелочью образец обозначили как соединение "БУ-КОН".

Термолиз проводили в вертикальном трубчатом реакторе в атмосфере аргона, осушаемого барботажом через И2804 (96%). Режим термолиза: нагревание со скоростью 4°С/мин до 800°С, изотермическая выдержка в течение 1 ч, быстрое охлаждение в токе аргона до t < 50°С. Твердый продукт термолиза отмывали от щелочи водой, затем 0.1М раствором НС1 и снова водой до отрицательной реакции на ионы С1— (по Л§М03). Полученный образец сушили при 105 ± ± 5°С до постоянной массы. Образец, полученный нагреванием бурого угля без щелочи, условно обозначен как АУ, а образец из соединения "БУ-КОН" обозначен как АУ-К.

Измерения величины удельной поверхности ¿БЭТ выполняли ускоренным методом [18] — предварительной дегазацией образца АУ при атмосферном давлении в течение 30 мин при 150°С с последующей низкотемпературной (77 К) адсорбцией аргона прир/р0 = 0.25 и расчетом по методу БЭТ.

Для оценки адсорбционных характеристик использованы тест-методики определения адсорбционной активности по красителю метиле-новому голубому (АМГ, мг/г) [19] и элементному иоду (АИ, мг/г) [20]. Также измеряли изотермы адсорбции-десорбции азота при 77 К (прибор Quantachrome Autosorb 6Е), по которым определяли параметры пористой структуры АУ. В этом случае условия предварительной дегазации АУ были более жесткими: 200°С, 20 ч, вакуум. Объем микропор рассчитывали с помощью уравнения Дубинина—Радушкевича [21].

Адсорбционную емкость по водороду измеряли при 77 К с использованием объемной методики [22]. Образец предварительно дегазировали (350°С, 1 Па, 2 ч) и взвешивали. Камеру с образцом вакуумировали, опускали в сосуд Дьюара с жидким азотом, и измеряли изотермы адсорбции водорода. Количество адсорбированного водорода (ЛИ ) выражали в нсм3 на грамм образца.

Результаты и обсуждение

Зависимость удельной поверхности АУ-К от содержания щелочи в соединении "БУ—КОН" изменяется сложным образом (рис. 1). С увеличением содержания щелочи величина ^БЭТ вна-

2

^бэт м /г

700 600 500 400 300 200 100

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

якон г/г

Рис. 1. Зависимость удельной поверхности от соотношения щелочь/уголь.

чале падает до минимума при ЯК0И = 0.10 г/г (1.9 моль/кг). Превышение величины ^БЭТ > > 220 м2/г (это поверхность АУ из исходного угля) наблюдается при ЯК0И > 0.25 г/г (4 моль/кг), что отвечает полному замещению протонов кислотных ОН-групп угля на ионы калия. Последующее увеличение ЯК0И вызывает рост поверхности АУ-К с выходом на плато (¿БЭТ = 620 ± ± 40 м2/г) при ЯК0И > 0.5 г/г.

Способность АУ поглощать органические вещества из водных растворов, оцениваемая адсорбционной активностью по МГ (АМГ), зависит от содержания щелочи в соединении "БУ—КОН" (рис. 2, линия 1). В отсутствие щелочи продукт нагревания БУ при 800°С обладает низкой активностью — АМГ = 50 ± 10 мг/г. Столь же низкой величиной АМГ характеризуются образцы АУ-К, полученные при ЯК0И < 0.5 г/г. Для образцов АУ-К, полученных в диапазоне ЯК0И = 0.5—2.0 г/г, наблюдается монотонный рост адсорбционной активности по МГ с увеличением RК0И, который аппроксимируется зависимостью АМГ = 1391п(ЯК0И) + + 213 (Я2 = 0.96). Этот рост АМГ приходится на ту область соотношения КОН/уголь, когда поверхность АУ-К не меняется (плато на зависимости рис. 1), т.е. значения ¿БЭТ не увеличиваются, а активность по МГ растет. При развитии поверхности примерно до 500 м2/г значения АМГ остаются постоянными: 50 мг/г. А в области величин по-

46

ТАМАРКИНА и др.

500 450 400 350 <300 ^ 250

I—I

^ 200 150 100 50

0

Якон, мг/г

100 200

300 400

¿бэт

500 600 700

350 300 250 200| 150| 100 50 0

¿бэт,

м2/г

Рис. 2. Адсорбционная активность по метиленовому голубому активированных углей как функции соотношения Лкон (1) и величины удельной поверхности ¿бэт (2).

1400 1200 1000

г/г800 мг

600 400 200

2

¿бэт м /г

0 100 200 300 400 500 600 700

1111 1 •• 1 1 • •

• • -

- /1

' Я 2 у

т *

14 • ^^^ | 1 |

0

0.5

1.0

1.5

2.0

1800 1600 1400 1200

г

1000^ 800 к 600 400 200 0

Я

кон

, г/г

Рис. 3. Адсорбционная активность по иоду активированных углей как функции соотношения Якон (1) и величины удельной поверхности ¿бэт (2).

верхности 580—660 м2/г зависимость АМГ от ¿БЭТ практически отсутствует (рис. 2, линия 2). Поскольку молекулы МГ достаточно велики (1.97 нм2 [23]) и их адсорбция на поверхности микропор (диаметром до 2 нм) затруднительна, величина АМГ мало чувствительна к изменению микропористости, но чувствительна к изменению поверхности мезопор (2—50 нм). На основании этого можно заключить, что рост АМГ в диапазоне ЯКОН = 0.5—2.0 г/г обусловлен ростом по-

верхности мезопор за счет эквивалентного снижения поверхности микропор из-за их "разработки" вследствие реакций углеродного каркаса АУ-К с гидроксидом калия. Только в таком случае величина ¿БЭТ не будет меняться, что и наблюдается экспериментально для диапазона Якон = 0.5-2.0 г/г (рис. 1).

Адсорбция по иоду изменяется с ЯКОН как показано на рис. 3 (линия 1) и по своему характеру близка к зависимости ¿БЭТ от ЯКОН (рис. 1). С ростом удельной поверхности адсорбционная активность по иоду монотонно возрастает (рис. 3, линия 2), достигая достаточно большой величины АИ ~1200 мг/г (или 120% по ГОСТ 6217-74). Зависимость АИ от ¿БЭТ может быть аппроксимирована уравнением АИ = 203ехр(0.0027^БЭТ) (Я2 = = 0.93). Используя метод [11], в котором приняты монослойная адсорбция иода и площадь проекции молекулы J2 (0.32 нм2), оценили величину удельной поверхности адсорбентов и получили значения, которые находятся в интервале 8001000 м2/г. В частности, для полученного из соединения "БУ-КОН" (ЯКОН = 1 г/г) адсорбента АУ-К удельная поверхность составляет 960 м2/г, что близко к значению ¿БЭТ = 1122 м2/г, определенному многоточечным методом БЭТ по изотермам адсорбции-десорбции азота при 77 К.

Совпадение величин удельной поверхности, определенной по адсорбции J2 и говорит в пользу того, что адсорбция этих веществ является физической. Незначимым можно считать вклад хемосорбции иода, обусловленный образованием поверхностных комплексов с переносом заряда и проявляющийся при взаимодействии J2 с ископаемыми углями разной степени метаморфизма [24].

На рис. 4 приведены изотермы адсорбции-десорбции азота для АУ из исходного угля и АУ-К, полученного из соединения "БУ-КОН" при ЯКОН = 1 г/г. Согласно [25], изотермы относятся к типу II, описывающему полимолекулярную адсорбцию азота. Изотерма десорбции АУ не совпадает с изотермой адсорбции (рис. 4), т.е. наблюдается гистерезис низкого давлен

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.

Показать целиком