ПОЛУЧЕНИЕ АДСОРБЕНТОВ ИЗ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ

В настоящее время в России остро стоит проблема комплексного использования природного сырья, главным образом, древесины. При этом известно, что отходы механической и химической переработки древесины – опилки, кора и т.д. могут быть использованы для получения ценного продукта – активированного угля [1]. При этом для его получения применяют химические активирующие агенты, такие как ZnCl₂ и гидроксиды щелочных металлов [2]. Химический метод активации углеродсодержащего сырья благодаря своим преимуществам постепенно вытесняет физический метод, основанный на активации водяным паром и/или углекислым газом. При химической активации получаются сорбенты с лучшими адсорбционными характеристиками. Однако распространение метода ограничено агрессивностью используемых реагентов. Поэтому было принято решение использовать неагрессивный химический агент – карбонат натрия (стиральная сода).

Нами было получено 2 серии активированного угля (АУ). Для получения адсорбентов серии АУ-Б в качестве сырья использовали берёзовые опилки, для серии АУ-О - осиновые.

АУ получали обработкой древесного сырья 30%-м раствором карбоната натрия с последующей пропиткой, сушкой, пиролизом полученной смеси и промывкой угля водой до нейтральной реакции среды.

Синтез и исследование свойств активированного угля проводили методом планированного эксперимента. В качестве входных параметров были выбраны дозировка Na₂CO₃, продолжительность и температура пиролиза. Значения и диапазон варьирования входных параметров представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Уровни и диапазон варьирования входных параметров

Выходными параметрами синтеза АУ являются выход, адсорбционная активность по йоду, по метиленовому голубому, по парам воды и гептана. Полученные экспериментальные данные использовали для расчета коэффициентов уравнений регрессии и разработки статистических моделей, связывающих значения выходных параметров с условиями их получения. Уравнения регрессии для серии АУ-Б:

А_МГ = 126 + 28 W – 44 T – 41 W∙L – 18 L² + 38 T²                                                        (1);

A_I2 = 995 + 141 L – 223 T – 136 L² – 191 T²                                                                          (2);

A_Г = 202 + 7,1 L + 7,7 T – 15,0 L² – 7,4 T²                                                                          (3);

A_В = 175 – 11 W + 6 L – 8 W∙L – 6 W² + 3 T²                                                                       (4);

η = 22,9 + 0,9 T - 1,4 W∙L + 0,8 W∙T + 2,8 W² + 2,8 L² - 0,7 T²                                               (5),

где: А_МГ, A_I2, A_Г, A_В - адсорбционная активность по метиленовому голубому, по йоду, по парам гептана и водяному пару соответственно, мг/г;

η – выход адсорбента, % от абсолютно сухого сырья.

Из уравнений 2 и 3 видно, что на адсорбционную активность по йоду и по парам гептана у адсорбентов серии АУ-Б не влияет дозировка карбоната натрия, а зависимость активности по данным адсорбтивам от продолжительности и от температуры пиролиза проходит через максимум. Влияние температуры пиролиза на адсорбцию МГ отрицательное. Продолжительность и дозировка Na₂CO₃ имеют взаимное влияние друг на друга, и максимальное значение А_МГ достигается либо при малой продолжительности и высоком содержании Na₂CO₃, либо при низком содержании Na₂CO₃ и большой выдержке. Влияние продолжительности на адсорбцию водяного пара – положительное, а температура не оказывает влияния на адсорбцию. Повышение дозировки Na₂CO₃ при низкой продолжительности способствует увеличению адсорбции водяного пара, а при высоких значениях L – снижению. Зависимости выхода от продолжительности и дозировки Na₂CO₃ проходят через минимум. Температура практически не влияет на значение η.

Уравнения зависимости для серии АУ-О выглядят следующим образом:

 А_МГ = 131 + 41 W + 18 L+ 20 T + 13 W∙T + 26 L∙T – 7 W² – 9 L²                                                      (6);

 A_I2 = 824 + 184 W + 163 T + 65 W∙T                                                                                 (7);

 A_Г = 210 – 70 T + 14 W∙T – 7 W² + 23 L² + 12 T²                                                          (8);

 A_В = 204 + 19 L – 20 L² – 26 T²                                                                       (9);

 η = 40 – 2 T + 0,5 W² – 0,5 L² – 0,8 T²                                                               (10).

В ходе работы выявлены определенные зависимости. Адсорбция МГ при увеличении продолжительности и дозировки Na₂CO₃ возрастает. Температура синтеза также оказывает положительное влияние на адсорбцию МГ, однако при повышенных дозировках Na₂CO₃ и низкой продолжительности влияние температуры становится крайне мало.

Адсорбционная ёмкость по йоду линейно увеличивается с повышением температуры синтеза и увеличением содержания Na₂CO₃ в смеси. Продолжительность синтеза не влияет на адсорбцию йода.

Адсорбция паров гептана возрастает при увеличении температуры. При высоких температурах снижение дозировки способствует повышению адсорбции гептана, а при низких - наоборот. Зависимость адсорбции гептана от продолжительности проходит через минимум. Адсорбция паров воды не зависит от дозировки Na₂CO₃. Зависимости от продолжительности и температуры синтеза проходят через максимум.

Для угля на основе берёзовых опилок температура синтеза негативно сказывается на выходе. Отмечается также меньший выход АУ при умеренных дозировках Na₂CO₃ и при высокой продолжительности.

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о хороших адсорбционных свойствах активированного угля, получаемого по предложенному способу. При этом использование берёзовых опилок даёт лучший эффект.

Список литературы:

1. Головков, C.И. Энергетическое использование древесных отходов / С.И. Головков, И.Ф. Коперин, В.И. Найдёнов / М.: Лесная промышленность – 1987. -  – 224 с.
2. Viswanathan, B. Methods of activation and specific applications of carbon materials / B. Viswanathan, P. Indra Neel, T.K. Varadarajan // NCCR Internal Bulletin. – P. 160 [Электронный ресурc] – Режим доступа. – URL: http://www.nccr.iitm.ac.in/e%20book-Carbon%20Materials%20final.pdf (дата обращения 31.07.2019)