Рециклинг отходов гидролизной промышленности с получением высокоэффективных углеродных адсорбентов

В работе исследована возможность применения отходов гидролизной промышленности в качестве сырья для синтеза нанопористых углеродных материалов. Приведены результаты исследований по использованию гидроксида калия в качестве активирующего агента. Синтез адсорбентов осуществлялся по центральному композиционному ротатабельному униформ - плану второго порядка для трех факторов. Варьировались температуры предпиролиза и термохимической активации, а также дозировка активирующего агента. Была исследована адсорбционная активность, формирование пористой структуры.

Целью данной работы является изучить влияние условий синтеза углеродных адсорбентов из гидролизного лигнина с использованием в качестве активирующего агента гидроксида калия.
Задачи, которые решались для достижения цели:
- определялось влияние температур предпиролиза и пиролиза на формирование адсорбционных свойств и пористой структуры адсорбентов.
- определялось влияние расхода активирующего агента – гидроксида калия на формирование адсорбционных свойств и пористой структуры адсорбентов.

Приведены результаты исследований по использованию гидроксида калия в качестве активирующего агента. Влияние режимных параметров на сорбционные свойства угля и формирование пористой структуры было изучено посредством построения графических зависимостей – поверхностей отклика. В результате анализа полученных данных был сделан вывод об эффективности используемого метода для синтеза углеродных адсорбентов, так как полученный уголь имеет развитую пористую структуру.

Для анализа влияния  параметров синтеза активных углей из гидролизного лигнина использован один из методов планирования эксперимента, а именно центральный композиционный ротатабельный униформ – план второго порядка для трех факторов [8]. Наиболее значимыми переменными факторами синтеза активных углей являются температура предварительной карбонизации (T_П/П), расход активирующего агента (D) и температура пиролиза (ТХА). 

             В соответствии с  планированным экспериментом   наработано двадцать образцов АУ.

На первом этапе проводили предпиролиз гидролизного лигнина, в результате которого сформировалась первичная пористая структура угля-сырца. На следующем этапе провели пиролиз - активацию угля-сырца.             

Адсорбционные свойства активных углей оценивали по адсорбции йода (J₂) и метиленового голубого (МГ) из стандартных водных растворов.

    Важными характеристиками адсорбентов и других наноструктурированных пористых и высокодисперсных материалов являются  удельная  поверхность  (S уд.), размер и объём пор. Удельная поверхность является одной из мер силы взаимодействия твердого тела с окружающей средой, будь то газ, жидкость или другое твердое тело. Поэтому  определение удельной поверхности является одним из самых распространенных методов исследования показателей развитой пористой структуры наноматериалов.

В настоящей работе исследование пористой структуры полученных адсорбентов проводили на анализаторе удельной поверхности ASAP 2020МР. 

 

По результатам экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:

1. Доказано, что для синтеза активированного угля возможно использовать гидролизный лигнин  из отвалов.

2. Углерoдныe адcoрбeнты, получаeмые по нашeй тeхнологии, в 2-4 раза прeвосхoдят по свoим адсoрбциoнным свoйствaм прoмышленно выпускаемые активные угли на предприятиях России. Aналогичные лучшиe сoрбeнты импoртногo прoизвoдства уступaют синтeзируeмым по прeдлагаeмой тeхнологии в 1,5 – 2 раза. Высокие  показатели адсoрбциoнных свoйств пoзвoляют сoкрaтить нoрму примeнeния ПАУ в 2-4. 

3. На оснoвании данных низкoтемпературной адсoрбции азoта oпределено, что удельнaя пoверхность углерoдных адсoрбентов  дoстигает 2000 м²/г по БЭТ, а пoристая cтруктурa представлeна на 90% супeрмикрoпoрами. Слeдоватeльно, наши адсорбeнты наиболee пригoдны для нaкоплeния энeргии в супeрконденсатoрах, oчистки прирoднoго газа от сeрнистых соединений.

4.  Наибольший выход активного угля наблюдается при низкой температуре термохимической активации и температуре предпиролиза 380-400  .

5. При высокой температуре предпиролиза и температуре термохимической активации не ниже 675   получается уголь с высокими сорбционными свойствами.

6. Повышение дозировки щелочи положительно влияет на формирование удельной поверхности синтезируемых АУ.

1 Автореферат диссертации Белецкой М. Г. Синтез углеродных адсорбентов методом термохимической активации гидролизного лигнина с использованием гидроксида натрия //диссерт. на соиск. уч.степ. канд. техн. наук. – г.Архангельск: С(А)ФУ им. М.В. Ломоносова. – 2014. – 25 С.
2 Белецкая М.Г., Богданович Н.И., Романенко К.А. Синтез активных углей из гидролизного лигнина с использованием гидроксидов Na и К // ЕСУ. – 2014. – №7.– с.19-21.
3 Богданович Н.И. Планирование эксперимента в примерах и расчетах / Н.И. Богданович, Л.Н. Кузнецова, С.И. Третьяков, В.И. Жабин – Архангельск: изд. С(А)ФУ.– 2010. – 126 С.
4 Романенко К.А., Белецкая М.Г., Богданович Н.И., КанарскийА.В. Влияние термохимической активиции гидролизного лигнина с гидроксидом калия на свойства углеродных адсорбентов // Вестник технологического университета. – Казань: КНИТУ. –2015. – Т.18, №3. – с. 94 - 97.

Results of a research in using of potassium hydroxide as an activating agent are shown. An influence of conditions on adsorption properties of activated carbon and on formation its porous structure were investigated by plotting of response surfaces. Analyzing obtained data, we draw a conclusion, that used activation method is effective for a synthesis of carbon adsorbents, because obtained carbon possesses a developed porous structure.