Исследование влияния технологических параметров на аппаратурное оформление процесса производства активированного углеродного материала

Показана актуальность разработки активированных углеродных материалов с высокой удельной поверхностью и большой пористостью. Установлены  особенности протекания химической активации и факторы, влияющие на характеристики получаемого материала. Определены основные стадии активации углеродного материала, включающие в себя предварительную карбонизацию углеродного сырья, его щелочную активацию и постобработку созданного материала. Экспериментально исследовано взаимное влияние температуры и расхода инертного газа на характеристики углеродного материала с удельной поверхностью по методу BET в диапазоне 2550…2700 м2/г. Проведен анализ полученных результатов. Даны рекомендации по снижению неоднозначности и неопределенности при переходе от лабораторных исследований к опытно-промышленному производству. Полученный активированный углеродный материал можно использовать как сорбент в системах очистки газовых сред, газовых аккумуляторах и для решений различных экологических задач.

Литература

[1] Цивадзе А.Ю., Аксютин О.Е., Ишков А.Г. и др. Адсорбционные системы аккумулирования метана на основе углеродных пористых структур. Успехи химии, 2018, т. 87, № 10, с. 950–983.

[2] Kopac T., Erdogan F.O. Temperature and alkaline hydroxide treatment effects on hydrogen sorption characteristics of multi-walled carbon nanotube–graphite mixture. J. Ind. Eng. Chem., 2009, vol. 15, no. 5, pp. 730–735, doi: https://doi.org/10.1016/j.jiec.2009.09.054

[3] Фомкин А.А., Цивадзе А.Ю., Аксютин О.Е. и др. Блочный нанопористый углеродный материал для аккумулирования природного газа, метана и способ его получения. Патент РФ 2625671. Заявл. 22.06.2016, опубл. 18.07.2017.

[4] Ткачев А.Г., Меметов Н.Р., Кучерова А.Е. и др. Формованный наноструктурированный микропористый углеродный сорбент и способ его получения. Патент РФ 2736586. Заявл. 09.07.2019, опубл. 18.11.2020.

[5] Попова А.А., Алиев Р.Э., Шубин И.Н. Синтез и исследование нанопористого углеродного материала. Современная техника и технологии: проблемы, состояние и перспективы. Мат. X Всерос. науч.-практ. конф. Рубцовск, Рубцовский индустриальный институт, 2020, с. 136–141.

[6] Jimenez V., Sanchez P., Valverde J.L., et al. Influence of the activating agent and the inert gas (type and flow) used in an activation process for the porosity development of carbon nanofibers. J. Colloid Interface Sci., 2009, vol. 336, no. 2, pp. 712–722, doi: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2009.04.017

[7] Lozano-Castello D., Calo J.M., Cazorla-Amoros D., et al. Carbon activation with KOH as explored by temperature programmed techniques, and the effects of hydrogen. Carbon, 2007, vol. 45, no. 13, pp. 2529–2536. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2007.08.021

[8] Fierro V., Torne-Fernandez V., Celzard A. Highly microporous carbons prepared by activation of kraft lignin with KOH. Stud. Surf. Sci. Catal., 2007, vol. 160, pp. 607–614, doi: https://doi.org/10.1016/S0167-2991(07)80078-4

[9] Hayashi J., Uchibayashi M., Horikawa T., et al. Synthesizing activated carbons from resins by chemical activation with K2CO3. Carbon, 2002, vol. 40, no. 15, pp. 2747–2752, doi: https://doi.org/10.1016/S0008-6223(02)00151-3

[10] Benaddi Н., Bandosz T.J., Jagiello J., et al. Surface functionality and porosity of activated carbons obtained from chemical activation of wood. Carbon, 2000, vol. 38, no. 5, pp. 669–674, doi: https://doi.org/10.1016/S0008-6223(99)00134-7

[11] Suarez-Garcia F., Vilaplana-Ortego Е., Kunowsky М., et al. Activation of polymer blend carbon nanofibres by alkaline hydroxides and their hydrogen storage performances. Int. J. Hydrog. Energy, 2009, vol. 34, no. 22, pp. 9141–9150, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.09.026

[12] Zheng Z., Gao Q. Hierarchical porous carbons prepared by an easy one-step carbonization and activation of phenol-formaldehyde resins with high performance for supercapacitors. J. Power Sources, 2011, vol. 196, no. 3, pp. 1615–1619, doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.09.010

[13] Чесноков Н.В., Микова Н.М., Иванов И.П. и др. Получение углеродных сорбентов химической модификацией ископаемых углей и растительной биомассы. Журнал Сибирского федерального университета. Сер. Химия, 2014, т. 7, № 1, с. 42–53.

[14] Zhu Y., Murali S., Stoller M.D., et al. Carbon-based supercapacitors produced by activation of graphene. Science, 2011, vol. 332, no. 6037, pp. 1537–1541, doi: https://doi.org/10.1126/science.1200770

[15] Gun’ko V., Kozynchenko O., Tennison S., et al. Comparative study of nanopores in activated carbons by HRTEM and adsorption methods. Carbon, 2012, vol. 50, no. 9, pp. 3146–3153, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2011.10.009

[16] Teng H., Wang S.C. Preparation of porous carbons from phenol-formaldehyde resins with chemical and physical activation. Carbon, 2000, vol. 38, no. 6, pp. 817–824, doi: https://doi.org/10.1016/S0008-6223(99)00160-8

[17] Jimenez V., Diaz J.A., Sanchez P., et al. Influence of the activation conditions on the porosity development of herringbone carbon nanofibers. Chem. Eng. J., 2009, vol. 155, no. 3, pp. 931–940, doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2009.09.035

[18] Jiang Q., Zhao Y. Effects of activation conditions on BET specific surface area of activated carbon nanotubes. Microporous Mesoporous Mater., 2004, vol. 76, no. 1–3, pp. 215–219, doi: https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2004.08.020

[19] Niu J.J., Nong J. Effect of temperature on chemical activation of carbon nanotubes. Solid State Sci., 2008, vol. 10, no. 9, pp. 1189–1193, doi: https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2007.12.016

[20] Frackowiak E., Delpeux S., Jurewicz K., et al. Enhanced capacitance of carbon nanotubes through chemical activation. Chem. Phys. Lett., 2002, vol. 361, no. 1–2, pp. 35–41, doi: https://doi.org/10.1016/S0009-2614(02)00684-X

[21] Chen C.H., Huang C.C. Enhancement of hydrogen spillover onto carbon nanotubes with defect feature. Microporous Mesoporous Mater., 2008, vol. 109, no. 1-3, pp. 549–559, doi: https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2007.06.003

[22] Рухов А.В., Таров Д.В., Дьячкова Т.П. и др. Методика проектирования аппаратурного оформления производств углеродных нанотрубок и полупродуктов на их основе. Известия высших учебных заведений. Сер. Химия и химическая технология, 2019, т. 62, № 3, с. 94–101, doi: https://doi.org/10.6060/ivkkt.20196203.5959

[23] Ткачев А.Г., Мележик А.В., Соломахо Г.В. Способ получения мезопористого углерода. Патент РФ 2620404. Заявл. 26.01.2016, опубл. 25.05.2017.

[24] Попова А.А., Зеленин А.Д., Алиев Р.Э. и др. Особенности разработки перспективных сорбентов нового поколения на основе углеродного наноматериала. 6-й Междисципл. науч. форум. Новые материалы и перспективные технологии. Т. 1. Москва, Центр научно-технических решений, 2020, с. 733–735.

[25] Попова А.А., Мишуков Е.Д., Скрипкин Ю.В. и др. Комплексный подход в разработке аппаратурно-технологического оформления производства перспективных материалов. Заметки ученого, 2021, № 3-1, с. 60–66.

[26] Popova A.A., Aliev R.E., Shubin I.N. Features of nanoporous carbon material synthesis. AM & T, 2020, no. 3, pp. 28–32, doi: https://doi.org/10.17277/amt.2020.03.pp.028-032