Гранулированный активированный уголь широко применяется в качестве сорбента для борьбы с запахами и удаления загрязнителей из воды и воздуха. Изготавливают его путем смешивания углеродсодержащего материала, например, каменного угля, и связующего, которое позволяет сформировать из пасты гранулы необходимой формы с высокой прочностью. Качество продукта во многом зависит от вязкости связующего и содержания в нем коксового остатка, который накапливается при пиролизе углеродсодержащего материала. Но применяемые сегодня компоненты не гарантируют требуемый уровень этих свойств. Для улучшения характеристик связующего ученые ПНИПУ предложили в его основе использовать коксохимические смолы с различными добавками, снижающими вязкость до нужной степени. Исследование открывает новые возможности в изготовлении гранулированных активированных углей и позволяет получать сорбенты высокого качества.
Активированный уголь в гранулах / © Kolidzei, Unsplash
Гранулированный активированный уголь (ГАУ) благодаря уникальной структуре пор, может сорбировать молекулы различных размеров и типов. Он способен улавливать и жидкие, и газообразные вещества, тем самым очищая окружающую среду или обрабатывая конкретные объекты, содержащие различные загрязнения.
Характеристики пористой структуры активированного угля в большей степени зависят от углеродной основы. Но связующий компонент влияет на прочность и способность придавать получаемой пасте форму гранул. С этой целью ранее применяли лесохимическую смолу – это жидкий продукт переработки древесины, состоящий из целого спектра разных соединений. Однако ее высокая вязкость затрудняет процессы ее получения и последующего формования. Также из-за низкого содержания коксового остатка в этом виде связующего приходится вводить различные добавки с его более высокой долей.
Часто такой добавкой выступают коксохимические смолы, образующиеся при коксовании (высокотемпературной обработки) каменного угля и представляющие собой черную маслянистую жидкость. Доля коксового остатка при их использовании в ГАУ повышается, но они также имеют значительную вязкость. Поэтому задача улучшения характеристик связующего в производстве гранулированных активированных углей остается нерешенной.
Ученые Пермского Политеха изучили возможность использования коксохимических смол в качестве основного компонента связующего и исследовали, как введение дополнительных добавок в состав влияет на его вязкость и пористую структуру получаемого продукта.
Политехники в лабораторных условиях создали серию образцов ГАУ из пыли каменного угля и коксохимических смол с разной массой коксового остатка (22,51 и 30,77 процента). Анализ вязкости использованных смол показал, что нагрев связующего до 60°С снижает ее примерно в пять раз.
«Улучшить характеристики связующего возможно путем введения в его состав добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ). В исследовании мы использовали ПАВ разных видов (неионогенные, анионогенные, катионогенные). А еще, как добавку, пробовали применять дистиллированную воду. И во всех случаях определяли зависимость вязкости связующих от количества введенных добавок», – рассказывает кандидат химических наук, доцент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ Елена Фарберова.
Результаты показали, что добавление дистиллированной воды в состав связующего приводит к значительному увеличению его вязкости. При исследовании влияния введения ПАВ в каменноугольную смолу оказалось, что наилучший эффект достигается при использовании неионогенного вида. В этом случае вязкость образцов ГАУ при температуре 40°С снижается на 23-55 процентов, при температуре 60°С – на 11-59 процентов.
Политехники отмечают, что использование ПАВ в составе связующего также приводит к увеличению площади удельной поверхности ГАУ на 23 процента. За счет этого улучшается сорбционная способность продукта, а значит, возрастает эффективность его использования в процессах очистки.
Ученые ПНИПУ доказали, что использование композиционных связующих на основе коксохимических смол для получения гранулированных активированных углей позволит получать сорбенты достаточно высокого качества. Эта перспективная технология дает возможность выйти на новый уровень производства углеродных сорбентов.
Статья опубликована в журнале «Вестник технологического университета». Исследования проведены в рамках общего координационного плана Научного совета РАН по физической химии на 2024 год и программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
