Исследование отходов хлопчатника (gossypium) с целью получения активных углей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кыргызско-Турецкий университет «Манас»;

Кафедра химической инженерии

Институт химии и химической технологии НАН КР;

Исследование отходов хлопчатника (gossypium) с целью получения активных углей

¹Сартова Кулумкан Абдыкеримовна - кандидат химических наук, доцент

²Камбарова Гульнара Бексултановна - кандидат химических наук, старший научный сотрудник

³Сарымсаков Шайдылда - кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник, лаборатория биофизической химии

⁴Боркоев Бакыт Маметисакович - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой

⁵Салиева Калипа Талипбаевна - кандидат химических наук, доцент

Аннотация

активный уголь пиролиз карбонизат

В статье рассматривается вопрос получения активных углей (АУ) из отходов хлопчатника (Gossypium) путем пиролиза биомассы хлопчатника при 500-800^оС. Исследованы химико-технологические свойства продуктов, образующихся в процессе пиролиза. Изучены сорбционные свойства полученных карбонизатов.

Ключевые слова: отходы хлопчатника, карбонизация, адсорбционная способность.

Abstract

The issue of receiving of activated carbons (AC) from the cotton wastes (Gossypium) by the cotton biomass carbonization at 500-800^оС was considered in this article. The chemical and technological properties of the products obtained in the carbonization process were studied. The sorption properties of the carbonizates.

Keywords: cotton wastes, carbonization, adsorptivity.

Активные угли (АУ) играют немаловажную роль в различных отраслях промышленности. Они находят широкое применение, особенно в пищевой промышленности, в очистке питьевой воды и отработанных сточных вод.

Для достижения определенной степени чистоты почти все органические продукты можно очищать с помощью АУ. Так, например, в пищевой промышленности АУ используются в производстве сахара, в процессе рафинирования, а также в процессе дезодорирования пищевых жиров и масел. АУ используется для улучшения вкуса и удаления неприятных запахов в ликероводочном производстве, для извлечения дубильных веществ в виноделии и пивоварении, а также во многих других отраслях пищевой и фармацевтической промышленности [1, 2].

Исследования последних лет [3-8] показали, что углеродные сорбенты для очистки сточных вод от различного вида токсикантов можно получать на основе природных полимеров. Сырьем для них могут служить отходы деревообрабатывающей промышленности - щепа, лигнин, кора [4], целлюлоза [5], отходы пищевой промышленности, полученные при комплексной переработке сырья биогенного происхождения [6], плодовые косточки, шелуха, скорлупа, пустые стручки сельскохозяйственных культур [7, 8]. Ранее нами были [9, 10] изучены химический состав биомассы (общая масса, стебли, коробочки и корни) хлопчатника для установления их пригодности в получении углеродных адсорбентов и химических продуктов. Установлено, что по своему химическому составу биомасса хлопчатника вполне удовлетворяет требованиям производства, предъявляемым для получения углеродных адсорбентов, так как она является низкозольным, малосернистым сырьем с высоким выходом летучих веществ.

При выборе адсорбционных материалов исследователи руководствуются такими параметрами, как величина сорбции, стоимость, доступность, нетоксичность, эффективность, возможность применения вторичных материальных ресурсов, экологическая безопасность утилизации насыщенных адсорбентов.

В соответствии с выше перечисленными критериями наиболее привлекательными являются адсорбенты из отходов растительного сырья. Неограниченные запасы этих материалов, их дешевизна, простая технология получения, довольно высокие адсорбционные, ионообменные и фильтрационные свойства адсорбентов стимулируют исследования, направленные на получение новых адсорбционноактивных материалов из растительного сырья.

В Кыргызстане имеются богатейшие ресурсы ежегодно возобновляемого растительного сырья - кукурузные початки, шелуха подсолнечника и риса, стебли табака, биомасса хлопчатника и другие дикорастущие растения и т. д.

В связи с этим представляет интерес изучение отходов хлопчатника для получения на их основе активных углей.

Первым этапом процесса получения углеродных адсорбентов является пиролиз сырья с получением карбонизатов. Целью данной работы было проведение карбонизации отходов хлопчатника (Gossypium) при температуре 500-800^оС, исследование химико-технологических свойств продуктов, полученных в процессе карбонизации и изучение их сорбционных свойств.

Исследуемую биомассу хлопчатника сушили при комнатной температуре до постоянного веса. Биомассу разделили на части - общая масса, стебли, коробочки. Из каждой части отбирали пробу. Эти пробы после измельчения до 0,25-1,5 мм подвергались анализу в соответствии с существующими методиками [11].

Карбонизацию биомассы хлопчатника проводили при различных температурных режимах (500- 800⁰С). Пиролиз вели в реакторе, изготовленном из жаростойкой нержавеющей трубки. Объем реактора 400 см³. Нагрев велся электрообогревательной печью. Температура регулировалась термопарой. Разовая загрузка до 100 г исходного сырья.

Выход продуктов разложения при карбонизации приведен в табл. 1.

Как видно из данных табл. 1, выход твердых остатков (карбонизатов) с увеличением температуры пиролиза уменьшается. Выход пирогенетической воды во всех пробах, кроме коробочки, колеблется в пределах 30-33 %. Выход смолы в различных частях хлопчатника увеличивается с ростом температуры нагрева и достигает 22 %. Это относительно высокий показатель, что дает возможность применять полученные смолы в качестве химического сырья. Объем образующегося газа достигает 20 %, а из коробочки - 33 %. Такой высокий выход позволит применять газ в качестве бытового топлива или при производстве синтез-газа.

Таблица 1. Выход продуктов пиролиза биомассы хлопчатника в зависимости от температуры, %

В процессе пиролиза улавливали продукты разложения и анализировали их химический состав.

Для определения химических и адсорбционных свойств карбонизатов использовали известные методики [12, 13].

Наибольший интерес представляет карбонизат - как исходное сырье для получения, активированного угля. Характеристика карбонизатов, полученных при различных температурах из биомассы хлопчатника, приведена в табл. 2.

Таблица 2. Химико-технологическая характеристика карбонизатов, %

По сравнению с исходным сырьем, в карбонизатах увеличивается зольность с повышением температуры пиролиза, что объясняется выгоранием органической массы. В процессе карбонизации происходит основная потеря массы из-за выделения во время пиролиза углеродсодержащих низкомолекулярных летучих веществ и смолистых продуктов, что приводит к снижению содержания летучих веществ в карбонизатах с увеличением температуры пиролиза.

По результатам элементного анализа видно, что в процессе пиролиза изменяется химический состав образующихся карбонизатов: увеличивается содержание углерода с повышением температуры с 50-54 % до 90-93 %, а количество водорода снижается с 6 % до 1,9-2,3 %.

Карбонизаты исследовали по параметрам, характеризующим пригодность их в качестве материала для получения углеродного сорбента. Например, промышленные АУ марки БАУ-А и БАУ-ОА имеют суммарный объем пор по воде не менее 1,4-1,6 г/см³, насыпную плотность не более 0,540 г/см³, а адсорбционную активность по йоду не менее 50-60 %. Характеристика карбонизатов, полученных из биомассы хлопчатника, приведена в табл. 3.

Таблица 3. Характеристика карбонизатов

Суммарный объем пор в карбонизатах увеличивается с повышением температуры, насыпная плотность увеличивается до 700^оС, а при 800^оС вновь понижается (табл. 3).

Важной характеристикой адсорбентов является адсорбционная активность, которая представлена в табл. 4.

Таблица 4. Адсорбционная активность карбонизатов

Из приведенных данных табл. 4 видно, что с увеличением температуры карбонизации увеличивается адсорбционная активность по йоду и составляет у общей массы 34,95 %, но еще не достигает тех показателей, которые должны быть у промышленных активных углей. За исключением коробочки, у которой активность равна 32-37 %. Адсорбционная способность по метиленовому голубому у всех образцов - 150 мг•г^-1. Это дает возможность использовать карбонизаты из коробочки в качестве сорбента для очистки [14] сточных вод без дополнительной активации.

Выводы

1. Проведена термическая карбонизация биомассы хлопчатника при температуре 500-800^оС и изучена характеристика полученных карбонизатов, показана возможность получения высокообуглероженных углеродных адсорбентов.

2. Исследована адсорбционная активность карбонизатов, которая с ростом температуры карбонизации увеличивается до 35-37 %, что характерно для промышленных образцов АУ марки ДАК, а значит карбонизаты, полученные из коробочки, можно использовать в качестве адсорбентов без их дополнительной активации.

Литература

1. Тарковская И. А. Сто профессий угля. Киев: Наукова Думка, 1990. 147 с. 2. Кинле Х., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение. Л.: 1984. 215 с.

3. Gregorio Grini. // Prog. Polym. Ski.2005. V. 30. P. 38-70.

4. Далимова Г. Н., Штырлов П. Ю., Якубова М. Р. // Химия природ. соединений. 1998. № 3. С. 362363.

5. Непенин Н. Н., Непенин Ю. Н. Технология целлюлозы. М., 1994. Т. 3. 466 с.

6. Беляев Е. Ю., Беляева Л. Е. // Химия в интересах устойчивого развития. 2000. № 8. С. 763-772.

7. Никифорова Т. Е., Козлов В. А. // ЖПХ. 2008. Т. 81. № 2. С. 428-433.

8. Ставицкая С. С., Миронюк Т. И., Картель Н. К. и др. // ЖПХ. 2001. Т. 74. № 4. С. 531-536.

9. Камбарова Г. Б., Сартова К. А., Сарымсаков Ш. С. Получение углеродных адсорбентов из отходов хлопчатника // Вестник КГУ им. И. Арабаева. Бишкек. 2011. С. 72-77.

10. Сартова К. А., Камбарова Г. Б., Сарымсаков Ш. С. Исследование отходов хлопчатника Gossypium в качестве сырья для получения химических продуктов // Тезисы докладов международной научной конференции. Санкт-Петербург. 2010. С. 94.

11. Авгушевич И. В., Броновец Т. М. и др. Стандартные методы испытания углей. М. 2008. 370 с.

12. Пономарев В. Г., Иоакимис Э. Г., Монгайт И. Л. Очистка сточных вод нефтеперерабатывающих заводов. М.: Химия, 1985. 256 с.

13. Колышкин Д. А. Активные угли: Справочник. Л.: Химия, 1985. 56 с.

14. Смирнов А. Д. Сорбционная очистка воды. Л.: Химия,1982. 168 с.

15. Патент на изобретение № 2359903.

Размещено на Allbest.ru