Совершенствование аппаратурно-технологического оформления производства высокопористого углеродного материала

Рассмотрен процесс производства высокопористого углеродного материала. На основе результатов анализа химических особенностей такого производства и экспериментальных исследований выделены направления совершенствования технологического процесса и оборудования, повышающие производительность и безопасность рабочего процесса. Этого можно достигнуть интенсификацией химических реакций, протекающих в реакторе активации путем оптимизации режимных параметров; применением рациональных конструкций оборудования, оптимизирующих движение (подвод, отвод и смешивание) материальных потоков, а также использованием технических решений, повышающих безопасность производства, разделяя или выделяя часть продуктов, образующихся в результате активации. Указанные направления позволят упростить и интенсифицировать рабочий процесс и используемое оборудование, например, путем совмещения некоторых операций. По итогам проведенных исследований, а также анализа литературных источников, предложены конструктивные и технологические мероприятия, реализующие указанные направления совершенствования оборудования и технологии.

Литература

[1] Мищенко С.В., Ткачев А.Г. Углеродные наноматериалы. Производство, свойства, применение. Москва, Машиностроение, 2008. 320 с.

[2] Фенелонов В.Б. Пористый углерод. Новосибирск, Институт катализа СО РАН, 1995. 513 с.

[3] Popova A.A., Aliev R.E., Shubin I.N. Features of nanoporous carbon material synthesis. Advanced Materials and Technologies, 2020, no. 3, pp. 28–32.

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

[5] Дьячкова Т.П., Ткачев А.Г. Методы функционализации и модифицирования углеродных нанотрубок. Москва, Спектр, 2013. 152 с.

[6] 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.

[7] Shubin I.N., Popova A.A. Features of implementation options for the process of high-temperature activation of carbon material. Journal of Advanced Materials and Technologies, 2023, vol. 8, no. 1, pp. 41–48, doi:10.17277/jamt. 2023.01. pp. 041-048.

[8] Benaddi H., 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

[9] 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.

[10] 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

[11] 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

[12] Jiménez V., Sánchez 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

[13] 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

[14] Хейфец М.Л. Проектирование комплексов технологического оборудования для аддитивного и субтрактивного производства. Наукоемкие технологии в машиностроении, 2020, № 11, с. 40–48, doi: https://doi.org/10.30987/2223-4608-2020-11-40-48

[15] Русецкий А.М., ред. Теоретические основы проектирования технологических комплексов. Минск, Беларус. навука, 2012. 239 с.

[16] Чижик С.А., Хейфец М.Л., Филатов С.А. Перспективы развития технологических комплексов аддитивного синтеза композиционных материалов и формообразования изделий. Механика машин, механизмов и материалов, 2014, № 4, с. 68–74.

[17] 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.

[18] 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

[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] Kookos K., Perkins J.D. Regulatory control structure selection of linear systems. Comput. Chem. Eng., 2002, vol. 26, no. 6, pp. 875–887, https://doi.org/10.1016/S0098-1354(02)00013-3

[22] Borisenko A.B., Karpushkin S.V. Hierarchy of processing equipment configuration design problems for multiproduct chemical plants. J. Comput. Syst. Sci. Int., 2014, vol. 53, no. 3, pp. 410–419, doi: https://doi.org/10.1134/S1064230714030046

[23] Lopez-Arevalo I., Banares-Alcantara R., Aldea A. et al. A hierarchical approach for the redesign of chemical processes. Knowl. Inf. Syst., 2007, vol. 12, no. 2, pp. 169–201, doi: https://doi.org/10.1007/s10115-006-0060-4

[24] Zhou Y.M. Designing for complexity: using divisions and hierarchy to manage complex tasks. Organ. Sci., vol. 24, no. 2, pp. 339–355, doi: https://doi.org/10.1287/orsc.1120.0744

[25] Попова А.А., Шубин И.Н., Гусейнов М.К. Особенности получения высокопористого углеродного материала. Вестник ДГУ. Серия 1. Естественные науки, 2021, т. 36, № 4, с. 7–12, doi: https://doi.org/10.21779/2542-0321-2021-36-4-7-12

[26] Ткачев А.Г., Мележик А.В., Шубин И.Н. и др. Реактор для активации углеродного материала. Патент РФ 2768123. Заявл. 09.04.2021, опубл. 23.03.2022.

[27] Ткачев А.Г., Попова А.А., Шубин И.Н. Реактор для активации микро- и мезопористого углеродного материала. Патент РФ 2768879 Заявл. 09.04.2021, опубл. 25.03.2022.

[28] Попова А.А., Шубин И.Н. Анализ влияния режимных параметров процесса высокотемпературной химической активации на конструкционный материал оборудования. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2022, № 8, с. 24–32, doi: https://doi.org/10.18698/0536-1044-2022-8-24-32