VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

С необходимостью применения сорбентов в своей жизни сталкивался каждый. Сорбентами называются химические вещества, способные избирательно поглощать из окружающего пространства газы, пары или другие вещества. На сегодняшний день существует огромное количество сорбентов, которые предназначены для связывания определенных химических структур, в том числе биологического происхождения.

Россия, как ни одна другая страна, обладает богатейшей сырьевой базой для производства сорбционных материалов, что делает возможным получение широкого ассортимента углеродных адсорбентов различного назначения с оптимальным сочетанием цены и качества. Куглеродным адсорбентам, прежде всего, следует отнести активные угли, состоящие из множества мелких кристалликов углерода с решеткой графита.

Основное назначение активных углей, как адсорбентов, состоит в концентрировании примесей, находящихся в обрабатываемой среде, в объеме сорбирующих пор. Определяющий показатель качества активных углей - равновесные величины адсорбции в заданных условиях.

На сегодняшний день адсорбция составляет основу многих промышленных операций и научных исследований. Количественно характеризовать происходящие при адсорбции межмолекулярные взаимодействия адсорбат - адсорбент и адсорбат - адсорбат, определить термодинамические характеристики адсорбционного равновесия (теплота и энтропия адсорбции) и исследовать геометрические параметры адсорбента (величину удельной поверхности, объем пор и распределение пор по размерам) позволяют адсорбционные методы исследования свойств поверхности. Такие исследования необходимы для понимания факторов, управляющих адсорбционными процессами и обеспечивающих возможность выбора и разработки эффективных адсорбентов с необходимыми для решения конкретных задач свойствами.

Для анализа влияния режимных параметров синтеза активных углей (АУ) на формирование их пористой структуры был реализован планированный эксперимент, а именно, центральный композиционный ротатабельный униформ - план для трех факторов[1].

В качестве исходного сырья использовали гидролизный лигнин, отобранный на одном из лесоперерабатывающих предприятий г. Архангельска. Нами было наработано двадцать образцов активных углей, которые подвергались адсорбционным испытаниям[2].

Адсорбцией называется изменение концентрации вещества на границе раздела фаз по сравнению с его концентрацией в объеме фазы. Причиной адсорбции является ненасыщенность силового поля частиц вблизи границы раздела фаз. Измерение адсорбции одного опытного вещества из раствора является недостаточным для характеристики распределения пор активного угля. Поэтому оценку активных углей проводят, сравнивая результаты измерений с помощью различных адсорбатов.

По экспериментальным данным были получены уравнения регрессии.

Все уравнения оказались адекватными экспериментальными данными, так как критерий Фишера оказался меньше табличного. По полученным уравнениям были построены поверхности отклика, показывающие влияние режимных параметров на выходные данные.

Адсорбционная активность по йоду (А_J2, рис.1а) характеризует развитие микропористой структуры угля[3]. В зависимости от полученных результатов делается вывод о пригодности угля для извлечения йода из водных растворов, а также о возможности использования его для очистки сточных и природных вод от многих классов органических и неорганических загрязнений. С повышением как температуры предпиролиза, так и активации адсорбционная активность по йоду возрастает. Аналогичное влияние оказывает так же увеличение дозировки щелочи при синтезе адсорбентов.

а б

Рисунок 1 . Адсорбционная активность: а - по йоду, б – по МГ.

Осветляющая способность по метиленовому голубому (А_МГ,рис.1б) характеризует способность активных углей сорбировать из водных растворов крупные молекулы органических веществ[3]. Принято считать, что подобные молекулы сорбируются на поверхности супермикро и мезопор, а значит, по результатам анализа мы получаем информацию об их содержании в исследуемых углях. Для определения осветляющей способности по метиленовому голубому используется методика, основанная на фотоколориметрическом определении светопропускания раствора метиленового голубого до и после обработки активным углем. Как видно, температуры предварительной карбонизации и термохимической активации закоррелированны между собой, и наилучшие адсорбционные свойства в отношении данного адсорбата формируются при максимальных значениях температурных факторов в данных интервалах варьирования. Дозировка KOH оказывает положительное влияние на данный выходной параметр.

Адсорбционные свойства по воде позволяют судить о гидрофильности углей. Повышение температуры активации и предпиролиза положительно сказывается на адсорбционной активности по парам воды. Вместе с тем, наблюдается двойное взаимодействие температуры (Ав,рис. 2а) активации и дозировки активирующего агента: наибольшая адсорбционная активность проявляется при более низкой дозировке щелочи и низкой температуре активации, а также высокой дозировке щелочи и высокой температуре пиролиза.

а б

Рисунок 2. Адсорбционная активность: а - по воде, б – по гексану.

Для определения возможности использования синтезированных адсорбентов для адсорбции из газовой фазы была исследована адсорбционная активность эксикаторным методом на примере гексана (Аг,рис.2 б). Положительное влияние оказывают повышение температурных факторов процесса и дозировки KOH. Повышение температуры ТХА наилучшим образом сказывается при максимально высоких дозировках активирующего агента.

Проанализировав полученные данные можно сделать выводы:

• С повышением температур предпиролиза и термохимической активации адсорбционные свойства улучшаются

• Увеличение дозировки положительно сказывается на формировании свойств.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛЕТИРАТУРЫ

1 Н.И. Богданович Планирование эксперимента в примерах и расчетах [Текст] / Н.И. Богданович, Л.Н. Кузнецова, С.И. Третьяков. В.И. Жабин – Архангельск 2010г., 127с.

2 М.Г. Белецкая, Н.И. Богданович The Formation of Adsorption Properties of Nanoporous Materials by Thermochemical Activation / Russian Journal of Bioorganic Chemistry,2014, Vol.40,No.7,pp.717-721.

3 Парфит Г. Адсорбция из растворов на поверхностях твердых тел [Текст] / Г.Парфит, К. Рочестер – Москва «Мир», 1986г,488 с.