Авг 18 2001

Буроугольные сорбенты

Буроугольные сорбенты

длЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

В.Н. Шевкопляс

Институт физико-органической химии и углехимии

им. Л.М. Литвиненко НАН Украины, г. Донецк

В настоящее время актуальной является проблема очистки сточных вод различных технологических циклов от органических веществ и минеральных примесей, содержащих катионы тяжелых металлов. Проведение природоохранных мероприятий также направлено на усиление контроля за качеством потребляемой питьевой воды. Современные водозаборные станции и очистные сооружения не обеспечивают достаточную очистку воды от различных загрязнителей до предельно-допустимых концентраций. Поэтому, необходимость получения активных углей из углеродсодержащего сырья, способных обеспечить высокую очистку воды, является актуальной. В настоящее время основным сырьем для получения активных углей являются углеродсодержащие материалы различной природы [1]. По данным [2] доля получения активных углей из всего потребляемого углеродсодержащего сырья составляет (%): каменные угли – около 30; бурые угли – 14; торф – 10; древесина – 35; скорлупа кокосовых орехов – около 10. На сегодня основной задачей остается разработка новых методов производства активных углей с заданной системой пор, требуемой химией углеродной поверхности и специфическими адсорбционными свойствами. Авторами показано, что из отходов древесины (гидролитический лигнин) можно получать сорбенты с удельной поверхностью до 460 м2/г [3]. Украина располагает большими запасами низкосортных (бурых) углей, которые можно использовать в качестве источника углеродсодержащего сырья для получения активных углей. Авторами получены хорошие результаты по очистке воды от органических загрязнителей при использовании адсорбентов на основе бурого угля и летучей золы [4]. Для улучшения качества активных углей, их адсорбционных свойств, широко используются методы предварительной

модификации исходных углеродных материалов химическими веществами различной природы [5].

Целью данной работы было определить физико-химические характеристики активных бурых углей и оценить перспективность их дальнейшего использования для повышения качества питьевой воды.

В качестве объекта исследования был взят бурый уголь Александрийского месторождения (Константиновский разрез), с содержанием углерода (Сdaf) – 62,8 %.

Процесс получения активных бурых углей включал две стадии. На первом этапе бурый уголь карбонизовали до температуры 450 и 800° С. На втором этапе карбонизат, полученный при 450° С, активировали в потоке водяного пара до температуры 800° С.

Измерения удельной поверхности методом низкотемпературной десорбции аргона (БЭТ) [6] заключается в способности адсорбировать аргон при пропускании газовой смеси через адсорбер с навеской активного угля при температуре жидкого азота. Было обнаружено, что для карбонизатов (450 и 800° С) десорбционная кривая аргона расщепляется на два сигнала [7]: первый, узкий сигнал, обусловлен десорбцией аргона с внешней поверхности угольных частиц, а также из пор, геометрические размеры которых намного превосходят эффективный диаметр молекул аргона, т. е. более 0,5 нм (таблица 1, F1).

Таблица 1. Результаты измерений удельной поверхности активных углей

Температура, °С

Процесс

Удельная поверхность

F1

F2

Fобщ.

м2/г

%

м2/г

%

м2/г

6,0

100,0

6,0

450

карбонизация

11,0

42,5

15,0

57,5

26,0

800

карбонизация

105,0

27,0

285,0

73,0

390,0

800

активация

500,0

100,0

100,0

Широкий сигнал обусловлен десорбцией аргона из пор с различной геометрической формой, десорбция из которых осложняется диффузией. Диаметр таких пор составляет менее 0,5 нм (таблица 1, F2). Причем, с увеличением температуры карбонизации до 800° С существенно меняется соотношение (F1:F2) в пористой структуре активного угля. Поверхность активного угля с системой пор менее 0,5 нм может составлять 73,0%, а общая поверхность активного угля достигает 390 м2/г. Подсчитано, что активация карбонизата (450° С) до температуры 800° С в потоке водяного пара позволяет получать активные угли с удельной поверхностью (Fобщ ) – 500 м2/г. Отсутствие пор (F2) после активации (800° С) предполагает структурную перестройку карбонизата с последующим формированием вторичной пористой структуры активного угля [8]. В такой микропористой структуре активного угля преобладают поры диаметром 1,5 нм и с отверстиями и сужениями, ограничивающими доступ к ним, размером около 0,5 нм [9].

Представленные в таблице 2 данные рентгеноструктурного анализа (РСА) активных углей позволяют проследить за структурными изменениями в угле при нагревании.

Таблица 2. Данные РСА активных углей

Температура,°С

Процесс

Lc

La

Lc/La

h/l002

n

1,84

3,58

0,51

0,70

6,3

450

карбонизация

1,61

3,26

0,49

0,76

4,8

800

карбонизация

1,76

5,78

0,30

0,46

5,3

800

активация

1,62

6,92

0,23

0,32

4,9

При повышении температуры карбонизации снижается степень межслоевой упорядоченности (h/l002) кристаллита и значение параметра Lc толщина пакета) и количество слоев (n)в пакете, что предполагает структурную перестройку в угле. Увеличение параметра La (средний диаметр слоя) при одновременном снижении соотношения Lc/La до значений 0,3-0,23 предполагает реорганизацию пакета (Lc) в горизонтальном направлении и формирование пористой углеродной поверхности активного угля.

Адсорбционные характеристики активных углей представлены в таблице 3.

Таблица 3. Характеристика активных углей

Температура,

°С

Процесс

Адсорбция

йода, %

Адсорбция фенола

мг/г

%

4,0

0,56

5,0

450

карбонизация

50,0

1,63

25,0

800

карбонизация

56,9

6,21

96,0

800

активация

88,9

6,67

100,0

Из таблицы 3 видно, что активный уголь, полученный при 450° С, способен адсорбировать из водного раствора 50,0 % йода (0,1 М раствор) и 29,0 % фенола (0,01 М раствор). Увеличение температуры процесса (до 800° С) повышает адсорбционную способность активных углей по фенолу до 96,0 %. Активация процесса в потоке водяного пара позволяет получать активные угли, которые полностью адсорбируют фенол (100 %), а извлечение йода составляет 88,9 %.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что предложенный способ получения активных углей из низкосортных углей Днепровского бассейна может быть перспективным направлением их дальнейшего использования в качестве адсорбентов для повышения качества питьевой воды.

Литература

1. Кинле Х., Бадер Э. Активированные угли и их промышленное применение. - Л.: Химия, 1984. - 216 с.

2. Кузнецов Б. Н. Химия твердого топлива. - 1997. - № 2. - С. 94-96.

3. Kuznetsov B.N., Shpirko M.L., Golovin Yu. G., Golovina V. V., Eremina A.O., Rudkovsky A. V. "Eurocarbon" 2000, Berlin, Germany, 2000. - C. 517-518.

4. Богатырева Г. М., Волкова М. В., Зубкова Ю. Н. Сб. науч. ст. Межд. науч.-практ. конф. Экологическая и технологическая безопасность, Харьков, Украина, 2000. - С. 20-24.

5. Carrol S. C., Allen S.J., Spedding P. L. Carbon\’97, PennState, PN, 1997. - v.I.- P. 74-75.

6. Cаранчук В. И., Русчев Д., Семененко В. К., Галушко Л. Я., Макарова К., Пащенко Л. В., Темерова Г. П. Окисление и самовозгорание твердого топлива. - Киев: Нукова думка, 1994. - 264 с.

7. Галушко Л. Я., Хазинов В. А., Паценко Л. В., Саранчук В. И.// Химия твердого топлива. - 1995. - № 6. - С. 45-52.

8. Шевкопляс В. Н. III Intern. Conf. on Catalysis and Adsorption in Fuel Processing and Environmental Protection, Kudowa Zdsoj, Poland, 1999. - P. 319-324.

9. Лазаров Л., Ангелова Г. Структура и реакции углей. - София: Изд-во БАН, 1990.- 232 с.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.