Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка микроволновой технологии переработки растительного и природного органического сырья с целью получения углеродных адсорбентов

Докладчик: Китаева Наталья Константиновна

Должность: Генеральный директор, кандидат химических наук

Цель проекта:
Целью проекта является разработка научных и практических основ энергоэффективной технологии получения углеродных адсорбентов с использованием отечественной ресурсной базы растительного и природного органического сырья. Задачей проекта является установка корреляционных зависимостей между параметрами микроволновой карбонизации природного углеродсодержащего сырья и свойствами получаемых углеродных адсорбентов, высокоэффективных по отношению к широкому ряду загрязнителей, в том числе к радионуклидам.

Основные планируемые результаты проекта:
Будет разработана микроволновая технология карбонизации растительного и природного органического сырья
на примере торфа, древесных опилок и фруктовых косточек, позволяющая в широких пределах
направленно регулировать физико-химические, структурные, порометрические и адсорбционные
характеристики получаемых углеродных адсорбентов.
Будет разработан и изготовлен экспериментальный образец установки по получению углеродных адсорбентов
методом микроволновой карбонизации растительного и природного органического сырья. Установка будет
предназначена для отработки технологических режимов обработки сырья и для получения адсорбентов
широкого назначения, в том числе для решения экологических проблем на АЭС.
Будут разработаны углеродные адсорбенты, которые будут характеризоваться высокими адсорбционными
характеристиками, в первую очередь по отношению к радиоактивному йоду.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Известно, что функционирование всех ядерных объектов сопровождается образованием радиоактивных аэрозолей, которые относятся к классу особо опасных веществ. В связи с чем повышению безопасности АЭС и других объектов ядерной энергетики всегда уделялось особое внимание.
Одним из направлений решения этой проблемы является обеспечение надежной защиты атмосферы и окружающей среды от радиоактивных загрязнений, в первую очередь от наиболее опасного радионуклида йода и его органических соединений, особенно в случае возникновения аварий.
Для очистки воздушных выбросов от радиоактивного йода используется в основном насыпные адсорберы на основе углеродных адсорбентов (активных углей). В силу своих физико-химических свойств углеродные адсорбенты являются уникальными и идеальными сорбционными материалами, которые позволяют решать большой круг вопросов обеспечения химической и биологической безопасности человека, окружающей среды и инфраструктуры.
Разработанные высокоэффективные отечественные углеродные адсорбенты могут быть востребованы в первую очередь разработчиками фильтровальных сорбционных материалов, предприятиями изготовителями сорбентов, в том числе для нужд ядерной энергетики
Разработанная энергоэффективная микроволновая технология карбонизации углеродсодержащих материалов может быть востребована предприятиями, занимающимися переработкой растительного и природного органического сырья.

Текущие результаты проекта:
Выполненный аналитический обзор современной научно-технической литературы показал, что разработка эффективных и экологичных способов получения активированных (активных) углеродных адсорбентов вызывает широкий интерес многих исследователей. В качестве углеродистых предшественников широко используется растительное и природное органическое сырье, которое подвергается термообработке с целью карбонизации в результате пиролиза органических компонентов и активируется. Природа исходного сырья, способ карбонизации и активации определяют физико-химические, структурные и адсорбционные свойства получаемых углеродных адсорбентов.
Проведенные патентные исследования в области технологии получения углеродных сорбентов из органического сырья позволили сделать вывод о том, что патентно-лицензионная ситуация является благоприятной для реализации проекта по созданию энергоэффективной и ресурсосберегающей технологии переработки растительного и природного органического сырья с целью получения доступных отечественных углеродных адсорбентов для ядерной энергетики.
К перспективному техническому направлению, как показал анализ научно-технической литературы и патентов, относится создание углеродных адсорбентов с использованием электромагнитного излучения СВЧ диапазона (микроволнового излучения).
Изучена карбонизация растительного и природного растительного сырья, древесных опилок и фруктовых косточек под действием микроволнового излучения.
На примере торфа проведена оптимизация условий и параметров воздействия микроволнового излучения с целью получения углеродного адсорбента.
Изучено влияние карбонизации на физико-химические, структурные и адсорбционные свойства получаемых углеродных адсорбентов.
Изменение функционального состава торфа в процессе карбонизации изучено методом ИК-спектроскопии. При анализе ИК-спектров установлено, что под действием микроволнового излучения происходит уменьшение содержания функциональных групп, в первую очередь кислородсодержащих, в результате деструкции органической составляющей и ароматизация структур, что подтверждается ростом атомного отношения С/Н.
Результаты элементного анализа подтверждают это предположение. Получено, что под действием микроволнового излучения происходит удаление водорода и кислорода, вследствие чего содержание углерода и азота возрастает.
Анализ на зольность и примесный состав показал, что в процессе карбонизации с увеличением мощности микроволнового излучения увеличивается зольность и растет содержание серы и примесных элементов (содержание Al, Fe, Si увеличивается на порядок). Это также свидетельствует о деструкции органической составляющей в процессе карбонизации.
Образцы торфа исследовали методом комплексного термического анализа на дериватографе. На термогравиметрической и дифференциальной термогравиметрической кривых исследованных образцов были выделены две основные температурные области, сопровождающиеся поэтапной потерей массы вещества: I – в низкотемпературной области до 170 С, обусловленной потерей физически связанной и адсорбированной воды; II – в высокотемпературной области до 650 С, характерной для термической деструкции торфа.
Для всех исследованных образцов на кривой дифференциального термического анализа наблюдали эндотермический эффект, соответствующий процессу удаления влаги. Термическая деструкция для всех образцов протекала в эндотермической области.
Все исследуемые образцы показали основное снижение своей массы на второй стадии, причем для исходного образца интервал значительной потери массы несколько шире, чем у карбонизованного образца, и связан с интенсивно протекающими процессами термораспада макромолекул большинства органических соединений и удаление большинства органических функциональных групп, в том числе содержащих O, N, S-гетероатомы, а также преобразования С-С связей в термически более стабильные углеродные структуры (ароматические и конденсированные полиароматические системы и т.п.), что хорошо согласуется с результатами ИК-исследований. Общая потеря массы для исходного образца на второй стадии составила 50 %, в то время как снижение массы для карбонизованного образца не превысило 29 %. Наличие второго температурного интервала для карбонизованного образца, с одной стороны, указывает на сохранение части исходных компонентов в составе карбонизованного материала, а с другой − на значительную степень завершенности карбонизационного процесса.
Наиболее важным свойством активных углей является их адсорбционная способность, которая связана с изменением физико-химической и пористой структуры в процессе карбонизации.
При карбонизации под действием микроволнового излучения, благодаря высокой температуре (до 650 С) и высвобождению летучих органических компонент за счет комплекса термохимических реакций, в растительных и природных органических материалах образуются новые поры, что находит свое отражение в увеличении удельной поверхности. Для оценки изменения пористой структуры в процессе карбонизации были измерены адсорбционные свойства углеродных адсорбентов по поглощению паров воды, бензола и гексана.
Анализ результатов показал, что в процессе карбонизации развивается пористость и увеличиваются адсорбционные свойства углеродных адсорбентов в отношении паров гидрофобных молекул. Установлено, что карбонизованный образец способен аккумулировать до 0,6 г бензола и 0,45 г гексана на 1 г адсорбента, по сравнению с исходным образцом (0,08 г и 0,11 г соответственно). Видимо, пористая структура карбонизованного образца имеет размер и форму пор, близкую к адсорбируемым молекулам.
Исследования пористой структуры карбонизованного образца методом сорбции-десорбции азота показали, что в процессе карбонизации образуются микропоры и поры переходного размера щелевидной формы и наблюдается тенденция к увеличению удельной поверхности с увеличение мощности микроволнового излучения и времени карбонизации.
Измерена в статических условиях адсорбция модельных индикаторов (йод, метиленовый голубой и метаниловый желтый). Получено, что при карбонизации адсорбционная активность углеродных адсорбентов по йоду постепенно увеличивается, а по метиленовому голубому и метаниловому желтому уменьшается с увеличением мощности микроволнового излучения. Зависимость адсорбционной активности по йоду, метиленовому голубому и метаниловому желтому от времени карбонизации имеет аналогичный характер.
Разработан и изготовлен экспериментальный образец установки для микроволнового пиролиза растительных и природных органических материалов.
Результаты проведенных экспериментальных исследований микроволнового пиролиза растительных и природных материалов подтверждают перспективность использования микроволнового излучения для получения углеродных адсорбентов с заданными в ТЗ требованиями.