АДСОРБЦИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ НА АКТИВНЫХ УГЛЯХ

Николаев Иван Владимирович

студент 3 курса, кафедра физики ОмГТУ, г. Омск

E-mail: www.amicus@mail.ru

Даньшина Валентина Владимировна

научный руководитель, канд. хим. наук, доцент ОмГТУ, г. Омск

На заводах одной из актуальных проблем является испарение паров толуола в атмосферу, т. к. толуол — это токсичное вещество, и оно должно эксплуатироваться и храниться в условиях соблюдения правил безопасности, соответствующим ГОСТам 14710-78 и 5789-78.

Группа компаний «Титан» также столкнулась с данной проблемой, т. к. «Титан» обеспечивает производство и своевременную поставку синтетических каучуков, продуктов органического синтеза, высокооктановых компонентов к автомобильным бензинам и другого сырья для перерабатывающих предприятий нефтехимического комплекса.

Предприятие ОАО «Омский каучук», входящее в состав группы компаний «Титан», занимает одно из лидирующих мест среди российских производителей синтетического каучука, при изготовлении которого используются толуол и другие углеводороды, эксплуатация которых не всегда отвечает требованиям регламента Регистрации, Оценки, Разрешения и Ограничения Химических Веществ (REACH). Данный регламент и помогает установить цель работы: найти самый экологически чистый способ использования углеводородов для нефтехимических предприятий.

Известен способ очистки воздушных выбросов производства с использованием платиносодержащих, а также других металлосодержащих катализаторов при температуре 400^oC, создаваемой за счет сжигания природного газа.

Недостатками указанного термокаталитического способа очистки воздушных выбросов являются:

1.  Дороговизна катализатора;

2.  Энергоемкость процесса: сжигание больших количеств природного газа;

3.  Загрязнение окружающей среды горячим газом, содержащим большое количество диоксида углерода, что способствует возникновению парникового эффекта.

Использование других металлосодержащих катализаторов, заменяющих платиновые, не устраняет этих недостатков.

Другой же способ очистки воздушных выбросов от органических примесей — это способ очистки воздушных выбросов с использованием активного угля и водной дисперсии выгодно отличается от первого тем, что:

1.  Не используется дорогостоящий металлосодержащий катализатор;

2. Адсорбент имеет высокую емкость по толуолу при низком содержании последнего в воздушных выбросах;

3.  Достигается более высокая степень извлечения целевого компонента из парогазовой смеси;

4.  Более низкие эксплуатационные расходы, так как процесс идет без дорогостоящего катализатора при t 20^oC, вместо 400^oC при существующем способе [3].

К углеродным адсорбентам относятся активные (активированные) угли, состоящие из множества беспорядочно расположенных микрокристаллов графита, обычно используют для поглощения органических веществ в процессах очистки и разделения жидкостей и газов (паров). Эти адсорбенты получают сухой перегонкой ряда углеродсодержащих веществ (древесины, каменного угля, костей животных, косточек плодов и др.). После этого уголь активируют, например прокаливают его при температуре 850—900^оС, что приводит к освобождению пор от смолистых веществ и образованию новых микропор. Активацию проводят также экстрагированием смол из пор органическими растворителями, окислением кислородом воздуха и др. Более однородная структура углей получается при их активации химическими методами: путем их обработки горячими растворами солей (сульфатами, нитратами и др.) или минеральными кислотами (серной, азотной и др.)

Качество активированных углей зависит от свойств исходных углеродсодержащих материалов и от условий активации. Характеристи­кой степени активации активированного угля является обгар, т. е. сгоревшая часть угля, выраженная в процентах от количества исходного материала.

Активированный уголь применяется при адсорбции либо в виде зерен величиной от 1 до 7 мм, либо в виде порошка. Применяются активированные угли главным образом для по­глощения паров органических жидкостей, находящихся в газовых смесях, и для очистки различных растворов от примесей.

Серьезным недостатком этих углей является горючесть, и применять их можно при температурах не выше 200°C. Для уменьшения горючести к ним подмешивают силикагель, однако такая добавка приводит к пониже­нию активности адсорбента, поэтому активированные угли с добавкой к ним силикагеля практически применяют сравнительно редко. Силикагелем называют продукт обезвоживания геля крем­невой кислоты, получаемого действием серной или соляной кислот или растворов кислых солей на раствор силиката натрия. Выпавший гель крем­невой кислоты после промывки высушивается при температуре 115—130° до влажности 5—7 % [1].

На тему адсорбции углеводородов на активных углях была проведена лабораторная работа с помощью «ХРОМОСа ГХ-1000» (Рис. 1).

Рисунок 1. Хроматограф «Хромос ГХ-1000»

Газовый хроматограф «Хромос ГХ-1000» представляет собой компактный моноблок, в котором реализована возможность легкого изменения конфигурации и комплектности. Хроматограф оснащён стандартным набором детекторов, устройств ввода пробы (краны-дозаторы и испарители) и дополнительными устройствами (термодесорбер, дозатор равновесного пара, дозатор сжиженных газов, пробоотборники и др.), что позволяет решать большинство аналитических задач.

В лабораторной работе бралось 5 мкл толуола и 50 мг угля АГ-2. Способ получения угля: гранулирование каменноугольной пыли со связующим с последующей карбонизацией и активацией. Уголь АГ-2 предназначен для адсорбции газов и паров, а также в качестве основы при изготовлении катализаторов и поглотителей [2]. Осуществлялся нагрев от 40^оС до 300^оС. Проводилось два эксперимента. В первом случае ставили скорость нагрева 10^оС/мин. 4 минуты задержка, после чего за 26 минут нагревалось до 300^оС — происходила адсорбция, уголь был мелкопористым, поэтому толуол прикреплялся крепко. Затем происходила десорбция толуола. Во втором случае проделывали тоже, что и в первом, только изменили скорость нагрева на 3^оС/мин. Время проведения второго эксперимента составило 120 минут. Графики можно увидеть на Рис. 2, 3.

Рисунок 2. Температурно-программированная десорбция со скоростью 10^оС/мин

Рисунок 3. Температурно-программированная десорбция со скоростью 3^оС/мин.

Проведённые эксперименты показали, что с изменением температуры нагрева смещается пик графика. Это связано с тем, что чем меньше скорость температура нагрева, тем более точную картину мы получаем. Наличие нескольких пиков на графике означает содержание примесей. На рисунках виден один характерный пик, что неудивительно, т. к. толуол — это прозрачная жидкость, не содержащая посторонних примесей и воды.

В промышленности толуол применяется в качестве растворителя для тощих алкидов, кремнийорганической смолы и полистиролов. Используется также при создании смесевых растворителей для эпоксидных, виниловых и акрилатных полимеров. Толуол имеет широкое распространение в качестве сырья для органического синтеза. С его помощью изготавливается тринитротолуол — взрывчатое вещество. Существует два типа этого вещества: толуол нефтяной и толуол каменноугольный. Толуол нефтяной получил широкое распространение при создании высокооктановых добавок к моторным топливам, применяется также для создания смесевых растворителей [1].

Одной из стадий получения синтетического каучука является полимеризация бутадиена в среде толуола. Полученный полимеризат дегазируют, в результате чего образуется водная суспензия каучука и после конденсации паров, воды и растворителя образуется водно-толуольный слой. Отработанная смесь воздуха, водяных паров и органических примесей — растворителя (толуола) и олигомеров бутадиена перед выбросом в атмосферу очищается в печах дожига с использованием, в данном случае, активного (активированного) угля в сочетании с тонкой дисперсией воды. После чего поглощенные органические соединения десорбируют острым водяным паром, конденсируют и возвращают в производство [3].

Этот способ позволяет: во-первых, использовать один и тот же углеводород (толуол) несколько раз; во-вторых, уменьшить количество выбросов в атмосферу от органических примесей.

Список литературы:

1.Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. В 2-х кн. Изд. 2-е. — М.: Химия, 1995. — 368 с.

2.Карнаухов А.П. Адсорбция, текстура дисперсных и пористых материалов. — Новосибирск: «Наука», 1999. — 470 с.

3.Пат. 2096071 Российская Федерация, МПК B 01 D 53/04. Способ очистки воздушных выбросов производства синтетического каучука от органических соединений [Текст] / Забористов В.Н., Гольберг И.П., Васышак Г.А., Хлустиков В.И., Ермакова Н.П.; заявитель и патентообладатель акционерное общество открытого типа «Ефремовский завод СК». — № 95110752/25; заявл. 28.06.95; опубл. 20.11.97.