научная статья по теме ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ КАРБОНИЗАЦИИ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ ИЗ ХЛОПКОВОГО ЛИГНИНА Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ КАРБОНИЗАЦИИ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ ИЗ ХЛОПКОВОГО ЛИГНИНА»

ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2009, том 45, № 2, с. 228-231

НОВЫЕ ВЕЩЕСТВА, МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ

УДК 616.183.2:66.095.5

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ КАРБОНИЗАЦИИ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ ИЗ ХЛОПКОВОГО ЛИГНИНА

© 2009 г. М. Г. Исмаилова

Узбекский научно-исследовательский химико-фармацевтический институт им. А. Султанова

E-mail: mokhisha@rambler.ru Поступила в редакцию 05.06.2008 г.

Карбонизация (термический пиролиз) является наиболее ответственной стадией формирования пористой структуры и других физико-химических свойств активированных углей из хлопкового лигнина, при этом наиболее оптимальные образцы углеродных сорбентов получены при активации карбониза-та, полученного при 800°С.

PACS: 68.43.-h

ВВЕДЕНИЕ

Нанопористые углеродные сорбенты, благодаря их сорбционным свойствам, а также биологической безвредности, широко используются в медицинской практике [1, 2, 3]. Успехи в области получения углеродных медицинских сорбентов связаны, как правило, с использованием новых видов исходного сырья и подбором оптимальных технологических режимов его переработки.

Одним из важнейших показателей горючих материалов, как источников сырья для получения активного угля являются содержание углерода, кислорода и водорода, а также их оптимальные соотношения. Значения этих величин зависят от химического состава исходных веществ. При выборе метода и определении оптимальных технологических условий получения углей это имеет немаловажное значение, поскольку способность к активированию и достижение заданной степени активации существенно зависят от этих показателей [4].

Наиболее широко распространенным, легко реализуемым и экономически выгодным методом получения активированных углей является карбонизация с последующей активацией. Карбонизация угле-родсодержащего материала, будучи первичной стадией получения активированных углей, играет важную роль в процессе их получения [5]. В зависимости от глубины удаления легколетучих компонентов на стадии карбонизации меняется скорость парогазовой активации, пористость, удельная поверхность, прочность и насыпная плотность активных углей. Ввиду этого представлялось целесообразным изучение влияния температуры карбонизации на физико-химические свойства как карбонизата, так и конечного продукта - активированного угля из хлопкового лигнина.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Сырьем для получения нового нанопористого активированного угля медицинского назначения является гидролизный хлопковый лигнин, который представляет собой рыхлую массу темно-коричневого цвета, похожую на торф. Молекулярная масса лигнина составляет 8000-11000 [6]. Он имеет зольность 1-3%, содержание влаги - до 65%, а наличие остатка серной кислоты придает ему повышенную кислотность - рН среды доходит до 2.5-3. Общее содержание углерода составляет 55-57%, водорода - 5.2%, кислорода -38%, метоксильных групп - 7-8%, ОН-групп - 4.5%. Гранулирование лигниновой массы проводилось на шнековом гра-нуляторе типа "НеМег" (Германия) при усилии прессования не ниже 18 кг/см2 и влажности массы 45-55%.

Процесс карбонизации высушенных гранул лигнина с остаточной влажностью 45% проводился во вращающейся печи карбонизации с газовым обогревом. Угол наклона печи 0 + 1.5°. Скорость вращения шнека 6-12 об/мин. Скорость перемещения гранул лигнина по длине трубчатой печи и время карбонизации можно регулировать путем изменения угла наклона и частоты вращения печи карбонизации. Активация карбонизата велась в той же печи, которая к моменту загрузки выводилась на режим активации (температура Гакт в камере активации поднимается до 900°С). В качестве активирующего агента использовался водяной пар, соотношение которого к карбонизату составляло 5 : 1.

Определение предельной величины адсорбции и параметров микропористой структуры проводили на основе изотерм адсорбции стандартного пара бензола, снятых при температуре 20°С на адсорбционной высоковакуумной установке весовым мето-

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИИ КАРБОНИЗАЦИИ НА ФОРМИРОВАНИЕ 229

Таблица 1. Влияние температуры карбонизации на пористость и физико-механические свойства карбонизата

Наименование показателей Высушенные гранулы Температура карбонизации, °С

400 500 600 700 800

Насыпная плотность, г/дм3 687 583.0 553.0 562.0 596.0 623.0

Прочность на истирание, % 94.0 87.8 85.7 89.0 95.7 96.3

Суммарный объем пор, см3/г - 0.249 0.282 0.291 0.370 0.414

Удаление легколетучих компонентов, % - 50.5 61.2 62.3 64.5 65.8

Усадка по объему гранул, % - 45.4 52.0 51.8 60.5 61.1

Удельная поверхность, м2/г 44 56 225 237 475 553

дом. Определение мезо- и макропор, их распределение по эффективным радиусам - методом ртутной порометрии на порозиметре CARLO-ERBA Ser 200 (Италия).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Хлопковый лигнин, ввиду высокого содержания в нем углерода, является хорошим материалом для получения активированного угля. Однако наличие в нем значительных количеств кислородсодержащих и других функциональных групп, а также легколетучих компонентов требует более детального изучения влияния условий карбонизации (термический пиролиз) гранулированного лигнина на пористость и физико-химические свойства углеродного сорбента. Процесс карбонизации высушенных гранул лигнина осуществлялся при температуре 400-800°С во вращающейся печи с внешним обогревом без доступа воздуха. В таблице 1 приведены результаты изучения влияния температуры карбонизации на пористость и физико-химические свойства карбонизата.

Как видно из табл. 1, изменение указанных характеристик в процессе карбонизации имеет различный характер. С увеличением температуры карбонизации гранулированного лигнина от 400 до 800°С, количество удаляемых легколетучих компонентов увеличивается с 50.5% до 65.8%, что сопровождается резким увеличением прочности, насыпной плотности и удельной поверхности карбонизата. При температуре карбонизации до 500°С насыпная плотность уменьшается с 687 до 553 г/дм3, а при дальнейшем увеличении температуры вновь возрастает до 623 г/дм3. Аналогичная зависимость от температуры наблюдается и для прочности гранул. Так, с увеличением температуры до 500°С, прочность гранул на истирание уменьшается до 85.7%, а при дальнейшем увеличении температуры карбонизации до 800°С увеличивается до 96.3%.

Для объяснения наблюдаемых эффектов, в инертной среде был проведен термогравиметрический анализ образцов гранулированного лигнина. Как видно из представленных данных (рисунок 1), на кривых ДТА наблюдаются три термоэффекта:

первый - эндоэффект с максимумом при 180°С, связан с удалением остаточной влаги и дегидрокси-лированием лигнина, два других экзоэффекта - в области 335°-385°С обусловлены пиролизом лигнина и выделением газообразных продуктов, сопровождающихся уменьшением веса карбонизата. Это приводит к разрыхлению углеродсодержаще-го материала за счет интенсивного порообразования и сопровождается падением насыпной плотности и прочности карбонизованного лигнина. При последующем увеличении температуры скорость и количество выделяемых легколетучих компонентов резко падает и пиролиз лигнина при температуре от 500 до 800°С сопровождается уплотнением карбонизованного материала, в связи с чем, происходит возрастание насыпной плотности и прочности образцов.

Зависимость удельной поверхности от температуры карбонизации имеет несколько иной характер. До 500°С удельная поверхность карбонизата меняется незначительно (табл. 1), однако дальнейшее повышение температуры сопровождается ее резким возрастанием. При этом, наиболее развитая удельная поверхность наблюдается у образцов, кар-бонизованных при 800°С. Если принять во внимание, что величина удельной поверхности определяется, главным образом, наличием микро- и супер-микропор, то можно заключить, что карбонизация

t, C

Рис. 1. Термогравиметрический анализ лигнина.

230

ИСМАИЛОВА

Таблица 2. Влияние температуры карбонизации на физико-химические и сорбционные свойства активированного угля с различными степенями обгара, Такт = 900°С, Н2О/С = 5

Температура карбонизации гранулированного лигнина, °С

Показатели активированного угля

500

600

Степень обгара, %

0 13.5 30.6 45.0 61.3 0 14.0 30.0 43.5 60.5

Насыпная плотность, г/дм3 553 547 559 446 410 562 553 534 451 403

Зольность, % 5.0 5.9 9.1 9.9 10.4 5.1 5.8 9.7 9.9 10.4

Суммарный объем пор, см3/г 0.282 0.391 0.482 0.678 0.706 0.291 0.410 0.501 0.689 0.715

Прочность на истирание, % 85.7 82.8 80.2 72.0 70.1 89.0 97.5 86.3 76.4 71.5

Удельная поверхность, м2/г 225.0 398.0 661.4 900.0 910.0 237.0 418.3 680.0 908.0 925.8

Таблица 3. Влияние температуры карбонизации на физико-химические и сорбционные свойства активированного угля с различными степенями обгара, Такт = 900°С, Н2О/С = 5

Показатели активированного угля

Температура карбонизации гранулированного лигнина, °С

700

800

Степень обгара, %

0 13.6 30.5 45 61.5 0 13.8 31.0 45.0 62

Насыпная плотность, г/дм3 596 585 571 468 431 623 601 574 475 320

Зольность, % 5.2 6.3 9.4 9.6 10.5 5.4 6.5 10.4 11.7 12.5

Суммарный объем пор, см3/г 0.37 0.525 0.66 0.701 0.908 0.414 0.555 0.668 0.736 1.05

Прочность на истирание, % 95.7 91.2 87.4 80.1 72.1 96.3 91.8 89.4 85 75

Удельная поверхность, м2/г 475 565.8 715.7 1001.5 1104 553.0 614.6 758.4 1110 1270

в области температур до 500°С сопровождается в основном образованием макропористой структуры из-за интенсивного газовыделения продуктов пиролиза. Развитие микропористой структуры при карбонизации лигнина начинает происходить только при температуре выше 500°С. При этом образцы, карбонизованные при температуре 800°С, обладали наиболее развитой удельной поверхностью, пористостью, прочностью и оптимальным значением насыпной плотности.

Выбор оптимальных температур карбонизации оказывает заметное влияние на развитие микропористой структуры активированного угля на стадии активации. При низких температурах термообработки лигнина карбонизат сохраняет углеводородные фрагменты с высоким содержанием кислорода и водорода и обладает высокой реакционной способностью, что приводит к образованию макропористой структуры сорбента на стадии его активации. При тем

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