Новую технологию для улучшения качества гранулированного активированного угля предложили ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ). Вывести производство сорбента на новый уровень поможет применение связующего компонента на основе коксохимических смол со специальными добавками для снижения вязкости.
Гранулированный активированный уголь (ГАУ) широко используется для уничтожения запахов и очищения воды и воздуха. Особая структура пор позволяет сорбенту поглощать молекулы различных размеров и типов, удаляя из среды как жидкие, так и газообразные загрязнители.
В основе этого сорбирующего средства лежит углеродсодержащий материал, например, каменный уголь. В него добавляется связующее, позволяющее сформировать из полученной пасты высокопрочные гранулы. Качество ГАУ во многом определяют два фактора: вязкость связующего (она не должна быть чересчур высокой) и достаточное содержание коксового остатка — продукта, образующегося при пиролизе углеродсодержащих веществ. Однако методы, применяемые в изготовлении активированного угля в настоящее время, не позволяют оптимально «отрегулировать» эти свойства.
Пористая структура ГАУ в бóльшей степени зависит от особенностей углеродсодержащего материала в его основе. Но, чтобы гранулы были прочными и хорошо держали форму, требуется качественный связующий компонент. Ранее в роли связующего для ГАУ выступала лесохимическая смола — жидкий продукт переработки древесины, включающий множество разнообразных веществ. Но повышенная вязкость этой смолы осложняет ее производство и формование гранул из содержащего ее сорбента. Кроме того, в составе лесохимической смолы слишком мало коксового остатка, из-за чего ее приходится дополнять специальными добавками, восполняющими этот недостаток. Часто в качестве таких добавок используют коксохимические смолы — черные маслянистые жидкости, образующиеся при коксовании (высокотемпературной обработке) каменного угля. Они помогают увеличить долю коксового остатка в сорбенте, но тоже отличаются повышенной вязкостью. Таким образом, окончательно решить вопрос улучшения качества гранулированного активированного угля ранее не получалось.
Но что если использовать коксохимические смолы не в качестве добавки, а в виде основы связующего компонента? Именно на этой идее основан новый метод производства активированных углей, разработанный в Пермском Политехе.
Руководитель исследования, доцент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ Елена Абрамовна Фарберова.
Фото: личный архив Е.А. Фарберовой / предоставлено пресс-службой ПНИПУ
Руководитель исследования, кандидат химических наук, доцент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ Елена Абрамовна Фарберова подробнее рассказала корреспонденту «Научной России», где могут применяться сорбенты, на технологии производства которых сфокусировались ученые.
«Данные активированные угли — гранулированные угли, полученные на основе каменноугольного сырья и каменноугольного связующего. Эта марка углей может быть использована как носитель химических поглотителей, а также для очистки сточных вод и газовых выбросов. В медицинских целях данный тип угля использоваться не может», — объяснила Е.А. Фарберова.
Исследователи создали несколько образцов ГАУ из каменноугольной пыли и коксохимических смол с разной массовой долей коксового остатка (22,51% и 30,77%). Проведя испытания, ученые обнаружили, что при нагревании новых связующих компонентов до 60°С их вязкость снижалась примерно в пять раз.
«Связующее, используемое для получения гранулированных активированных углей, должно содержать от 10% и не более 25% коксового остатка. В ходе экспериментов лучшие результаты получены при использовании смолы с содержанием коксового остатка 22,51%, — поделилась с нами результатами опытов Елена Абрамовна Фарберова. — При использовании связующего с высокой долей коксового остатка возникают проблемы при формовании гранул, из-за чего требуется более высокое давление, при этом получаемые активированные угли обладают менее развитой пористой структурой: удельная площадь поверхности сорбентов по БЭТ (метод математического описания физической адсорбции — Прим. авт.) снижается на 18%».
Чтобы улучшить характеристики экспериментального связующего, химики попробовали добавить в него поверхностно-активные вещества (ПАВ) разных видов (неионогенные, анионогенные и катионогенные), а также дистиллированную воду. В каждом случае ученые проверяли, как изменяется вязкость связующего в зависимости от вида и количества добавок.
Лучшего результата позволило достичь применение неионогенного поверхностно-активного вещества синтанола. В случае его использования вязкость образцов при нагревании до 40°С снижалась на 23–55%, при повышении температуры до 60°С — на 11–59%.
«Введение ПАВ неионогенного типа снижает динамическую вязкость связующего, что облегчает процесс приготовления угольно-смоляной композиции и ее формования <…>, — сообщила Е.А. Фарберова. — Введение катионогенных и анионогенных ПАВ, а также дистиллированной воды приводит к повышению вязкости связующего».
Испытания также показали, что применение ПАВ в составе связующего позволяет на 23% увеличить площадь удельной поверхности активированного угля. Благодаря этому сорбент обретает способность поглощать больше загрязнителей, что делает продуктивнее его использование для очистки.
Проведенное в Пермском Политехе исследование показало, что добиться достаточно высокого качества гранулированных активированных углей позволяет применение связующих компонентов на основе коксохимических смол. В перспективе новая технология поможет повысить эффективность производства сорбентов из углеродсодержащих материалов.
Ознакомиться с деталями и результатами экспериментов можно в журнале «Вестник технологического университета» (№6, 2024). Проект реализован в рамках общего координационного плана Научного совета РАН по физической химии на 2024 г. (№ 24-03-460-09) и программы академического лидерства «Приоритет-2030».
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото на превью: paylessimages / фотобанк 123RF
Фото на странице: личный архив Е.А. Фарберовой / предоставлено пресс-службой ПНИПУ
