Камара Салифу. Углеродные адсорбенты из растительного углеродсодержащего сырья Гвинейской Республики

Краткое описание

Камара Салифу. Углеродные адсорбенты из растительного углеродсодержащего сырья Гвинейской Республики : диссертация ... кандидата технических наук : 05.17.01. - Конакри, 2002. - 137 с. : ил. РГБ ОД, 61:03-5/851-2

На правах рукописи

КАМАРА САЛИФУ
УГЛЕРОДНЫЕ АДСОРБЕНТЫ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО
УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ ГВИНЕЙСКОЙ РЕСПУБЛИКИ
Специальность: 05.17.01. - Технология неорганических веществ
Диссертация
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель
д.т.н., профессор Ануров С.А.
Научный консультант
к.т.н., доцент Суаре М.А.
Конакри - 2002

ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 10
1.1. Состав и свойства углеродных адсорбентов 10
1.1.1 Кристаллографическая и электронная структуры 10
1.1.2 Пористая структура 13
1.1.3 Химическая природа поверхности активных углей 14
1.1.4. Состав золы 19
1.2. Формирование пористой структуры адсорбентов при карбонизации и активации
углеродсодержащего сырья 21
1.2.1. Сырье 21
1.2.2 Карбонизация 26
1.2.3 Активация 29
1.3. Углеродные молеку лярные сита 35
1.3.1 Особенности строения 35
1.3.2 Механизм разделения газов углеродными молекулярными ситами 37
1.4 Методы регулирования пористой структуры углеродных адсорбентов с целью придания им
молекулярно ситовых свойств 38
1.4.1 Получение углеродных молекустарных сит в ходе карбонизации и активации 38
1.4.2 Пиролиз газообразных углеводородов как средство получения углеродных
молекулярных сит 41
1.4.3 Модифицирование углеродных адсорбентов растворами высокомолекулярных
соединений : 45
1.5 Технология углеродных адсорбентов 47
1.6 Постановка задачи исследования 50
2. СВОЙСТВА СЫРЬЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 52
і '. Сі ірье и его подготовка 52
2.2. Экспериментальные установки и методики реализации экспериментов 55
2.2.1. Схема шгролитической установки 55
2.2.2. Методы изучения физико-химических свойств сырья и адсорбентов 57
2.2.2.1. Плотность 57
2.2.2.2. Определение содержания золы 58
2.2.2.3. Определение суммарной пористости 59
2.2.2.4. Анализ параметров пористой структуры 61
2.2.3. Исследование адсорбционных свойств адсорбентов 62
2.2.3.1. Определение обесцвечивающей способности по метиленовому1 голу бому 62
2.2.3.2. Адсорбция Ar, N2 и 02 63
3. КАРБОНИЗАЦИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ 66
2.1. Дифференциально-термический анализ сырья 66
3.2. Влияние температуры на производительность пиролиза растительного сырья и свойства
карбонизатов 69
3.3. Влияние температуры на параметры пористой структуры карбонизатов 78
3.4. Химизм карбонизации растительного углеродсодержащего сырья 84
4. НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИНТЕЗИРОВАННЫХ АДСОРБЕНТОВ 89
4.1. Синтез углеродных молекулярных сил для разделения воздуха 89
4.1.1. Физические свойства адсорбатов 90
4.1.2. Синтез и физико-химические свойства адсорбентов 91
4.1.3. Равновесная адсорбция Ar, N2 и 02 93
4.1.4. Кинетика адсорбции Аг, N2 и 02 94
4.2. Адсорбция красителей 100
4.2.1. Осветляющая способность карбонизатов по метиленовому голубому 100
4.2.2. Изотермы адсорбции 101
4.2.3. Регенерацій насыщенных адсорбентов 106
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 112
4.3. Разработка технологической схемы получения углеродных адсорбентов из растительного
углеродсодержащего сырья 112
4.4. Печь карбонизации 115
4.5. Технико-экономический анализ процесса получения углеродных адсорбентов из
растительного сырья 122
ВЫВОДЫ 125
ЛИТЕРАТУРА 129

Список литературы

ВЫВОДЫ
1. Изучены физико-химические свойства ряда растительных углеродсодержащих отходов Гвинейской республике: скорлупы арахисового ореха, скорлупы кокосового ореха, древесных отходов деревообрабатывающей промышленности (древесины манго). Показано, что содержание углерода в древесных отходах (50 %) несколько ниже по сравнению со скорлупой орехов (55-58 %). Древесина практически не содержит серы, а ее зольность не превышает 0,9 %. Минеральная часть скорлупы орехов представлена соединениями серы и азота, суммарная концентрация которых менее 0,5 %.
Все материалы характеризуются значительным выделением летучих соединений (63,4-82,3 %) при их термической обработке. Их общая пористость составляет 0,37- 0,54 %, плотность варьируется в диапазоне 0,60-1,43 г/см3.
Основными химическими соединениями, входящими в состав сырья, являются лигнин (28-32 %), целлюлоза (49-56 %) и гемицеллюлоза (12-23 %).
2. Детально изучено влияние температуры на производительность пиролиза в токе азота и в вакууме растительного углеродсодержащего сырья и свойства образующихся карбонизатов. Показано, что глубина физико¬химических превращений в сырье определяется как его природой, так и рядом технологических параметров процесса: конечной температурой пиролиза, скоростью поднятия температуры, продолжительностью термической выдержки и методом эвакуации газовой фазы.
3. Установлено, что усадка растительного сырья при его термической обработке является одним из наиболее важных параметров, способных характеризовать механизм процесса. Зависимость усадки от температуры представляет собой ломаную линию с разными углами наклона по отношению к оси абсцисс в диапазоне температур < 350 °С, 350-650 °С и > 650 °С. Это свидетельствует о том, что степень упаковки кристаллитов в материале различна в разных температурных интервалах процесса. При нагреве сырья в интервале от 100 до 350 °С усадка не превышает 8-10 % и сопровождается его размягчением. В интервале 350-650 °С динамика усадки резко возрастает и одновременно наблюдается образование полукокса с неупорядоченной полужесткой структурой. При температура свыше 650 °С в результате топохимических превращений образуется жесткий углеродный каркас (кокс).
4. ' Показано, что динамики изменения объема твердой массы (усадка) и количества остаточных летучих в карбонизатах в ходе пиролиза сырья имеют прямопротивоположный характер. Этот факт свидетельствует о том, что усадка материала определяется не только количеством выделяющейся газовой фазы, но и характером межмолекулярных превращений в органической массе материала в ходе его нагрева и во время изотермической выдержки.
5. Установлено, что выход карбонизата в ходе пиролиза растительного сырья при конечной температуре 900 °С составляет 23-30 % для процесса реализуемого в вакууме и 33-35 % при эвакуации летучих в токе азота.
6. Предложен химизм карбонизации растительного углеродсодержащего сырья. Учитывая, что основными его составляющими являются лигнин, целлюлоза и гемицеллюлоза основными процессами, протекающими в первом температурном интервале (150-350 °С) являются выделение кислорода и водорода, деметилизация, дегидратация и окисление, сопровождаемые выделением в газовую фазу Н20, С02, СО, СН4, СН3ОН, С2Н402 и т.п.
При повышение температуры до 650 °С вышеперечисленные процессы замедляются. Одновременно начинаются сложные пиролитические процессы, в ходе которых происходит разрыв связей С-С в макромолекулах полиароматических соединений с образованием свободных радикалов и отдельных фрагментов с более низкой молекулярной массой, выделяющихся в газовую фазу. Одновременно протекают вторичные реакции полимеризации и поликонденсации с образованием полукокса.
В интервале температур 650-900 °С процессы поликонденсации продолжаются с потерей атомов кислорода, азота, водорода и серы, приводящие к переходу полукокса в кокс (активный уголь).
і
7. Изучено влияние условий пиролиза растительного сырья на параметры пористой структуры карбонизатов. Показано, что на базе этого сырья в результате одностадийного процесса могут быть синтезированы микропористые адсорбенты, имеющие следующие структурные характеристики:
S суммарный объем пор: 0,59-0,77 см3/г
/ объем микропор: 0,30-0,41 см3/г
S характеристический размер микропор: 0,45-0,48 нм •/ удельная поверхность: 426-720 см2/г
Определены оптимальные условия карбонизации растительного углеродсодержащего сырья: температура 750-800 °С; продолжительность изотермической выдержки 1 ч.
8. Изучен низкотемпературный процесс получения углеродных адсорбентов с узким распределением микропор по их радиусам в результате импрегнирования карбонизата скорлупы косового ореха полиэтиленгликолем. Установлены основные закономерности формирования молекулярно-ситовых свойств в зависимости от условий модифицирования и определены оптимальные условия процесса импрегнирования углеродной матрицы, позволяющие синтезировать молекулярные сита с кинетическим размером микропор х0=0,27-0,40 нм.
9. Исследование адсорбционных свойств синтезированных молекулярных сит по отношению к 02, N2 И АГ свидетельствует о возможности использования адсорбентов для эффективного разделения систем 02/N2 и 02/АГ, основанном на различиях в скоростях диффузии газов в микропорах адсорбентов.
10. Изучены адсорбционные свойства карбонизатов растительного сырья по отношению к метиленовому голубому. Показано, что обесцвечивающая способность адсорбентов определяется природой исходного сырья и технологией его получения.
Исследование влияния температуры процесса адсорбции в интервале 30-90 °С и концентрации растворов C16HI8N3CIS от 0,03 до 0,21 % масс, на эффективность процесса очистки свидетельствует о высокой адсорбционной
t
емкости карбонизатов по отношению к метиленовому голубому в этих условиях. Изотермы адсорбции удовлетворительно аппроксимируются уравнением Фрейндлиха
11. Показано, что безостаточная десорбция C16H18N3CIS из
насыщенных адсорбентов возможна в результате паровой регенерации при 175-200 °С в течение 40-60 мин. Термическая регенерация в вакууме реализуется в более жестких условиях: температура 200-220 °С,
продолжительность процесса 60-80 мин.
12. Изучена стабильность работы углеродных адсорбентов в циклическом режиме «адсорбция Ci6H1sN3CIS - паровая регенерация». Отмечено, что активность адсорбентов уменьшается на 15-17 % за первые 20 циклов, после чего она остается постоянной на протяжении 60 циклов.
13. Предложена и проверена в пилотном масштабе безотходная одностадийная энерго- и ресурсосберегающая технология получения порошкообразных и дробленых углеродных адсорбентов из растительных сельскохозяйственных отходов Гвинейской республики. Разработаны исходные данные для выполнения проекта строительства установки по производству 2.000 тонн углеродных адсорбентов различного назначения в год.
Проведен технико-экономический анализ разработанной технологии и определены затраты на производство средневзвешенной единицы продукции. Показано, что себестоимость производства 1 тонны адсорбента составляет 350 €, а разработанная технология получения углеродных адсорбентов из растительного сырья является экономически эффективной, что указывает на целесообразность ее реализации в промышленном масштабе.