Анализ особенностей аппаратурно-технологического оформления процесса высокотемпературной активации углеродного материала

Показана актуальность исследований в области разработки активированных углеродных материалов с высокой удельной поверхностью и пористостью, которые можно использовать в качестве материалов для разделения или хранения различных жидких и газообразных сред. Отмечена множественность подходов к осуществлению процесса активации, характеризуемая преимущественно накоплением опытных данных и лабораторными исследованиями. Проведены исследования процесса высокотемпературной активации углеродного материала при синергетическом воздействии двух активаторов на активируемый материал. Установлены особенности протекания этого процесса и зависимость между режимными параметрами и конструктивным исполнением оборудования. Проанализированы характеристики полученного активированного углеродного материала — параметры удельной поверхности и пористости. Предложены решения, направленные на снижение неоднозначности в вопросах проектирования аппаратурно-технологического оформления процесса высокотемпературной активации.

Литература

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

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

[3] Мухин В.М., Клушин В.Н. Производство и применение углеродных адсорбентов. Москва, РХТУ, 2012. 305 с.

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

[5] Jorda-Beneyto M., Suarez-Garcia F., Lozano-Castell D. et al. Hydrogen storage on chemically activated carbons and carbon nanomaterials at high pressure. Carbon, 2007, vol. 45, no. 2, pp. 293–303, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2006.09.022

[6] Carvalho A.P., Cardoso B., Pires J. et al. Preparation of activated carbons from cork waste by chemical activation with KOH. Carbon, 2003, vol. 41, no. 14, pp. 2873–2876, doi: https://doi.org/10.1016/S0008-6223(03)00323-3

[7] Yoon S.H., Lim S., Song Y. et al. KOH activation of carbon nanofibers. Carbon, 2004, vol. 42, no. 8–9, pp. 1723–1729, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2004.03.006

[8] Lee S.M., Lee S.C., Jung J.H. et al. Pore characterization of multi-walled carbon nanotubes modified by KOH. Chem. Phys. Lett., 2005, vol. 416, no. 4–6, pp. 251–255, doi: https://doi.org/10.1016/j.cplett.2005.09.107

[9] 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

[10] 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

[11] Popova A.A., Shubin I.N. Apparatus and technological design of the production process of activated highly porous carbon material. J. Phys.: Conf. Ser., 2021, vol. 1942, art. 012025, doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1942/1/012025

[12] Попова А.А., Шубин И.Н. Исследование влияния технологических параметров на аппаратурное оформление процесса производства активированного углеродного материала. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2022, № 1, с. 20–30, doi: http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2022-1-20-30

[13] 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.

[14] 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

[15] 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

[16] 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.

[17] 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

[18] Raymundo-Pinero E., Azaıs P., Cacciaguerra T. et al. KOH and NaOH activation mechanisms of multiwalled carbon nanotubes with different structural organization. Carbon, 2005, vol. 43, no. 4, pp. 786–795, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2004.11.005

[19] Raymundo-Pinero E., Cazorla-Amoros D., Linares-Solano A. et al. High surface area carbon nanotubes prepared by chemical activation. Carbon, 2002, vol. 40, no. 9, pp. 1614–1617, doi: https://doi.org/10.1016/S0008-6223(02)00134-3

[20] Попова А.А., Шубин И.Н. Исследование технологических параметров активации, влияющих на характеристики нанопористого углеродного материала. Материаловедение, 2022, № 11, с. 3–8.

[21] 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

[22] Volfkovich Y., Sosenkin V., Rychagov A. et al. Carbon material with high specific surface area and high pseudocapacitance: possible application in supercapacitors. Microporous Mesoporous Mater., 2021, vol. 319, art. 111063, doi: https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2021.111063

[23] 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

[24] Wepasnick K.A., Smith B.A., Schrote K.E. et al. Surface and structural characterization of multi-walled carbon nanotubes following different oxidative treatments. Carbon, 2011, vol. 49, no. 1, pp. 24–36, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.08.034

[25] Xiao Z., Yang Z., Nie H. et al. Porous carbon nanotubes etched by water steam for high-rate large-capacity lithiumesulfur batteries. J. Mater. Chem. A, 2014, vol. 2, no. 23, pp. 8683–8689, doi: https://doi.org/10.1039/C4TA00630E

[26] Dong W., Xia W., Xie K. et al. Synergistic effect of potassium hydroxide and steam co-treatment on the functionalization of carbon nanotubes applied as basic support in the Pd-catalyzed liquid-phase oxidation of ethanol. Carbon, 2017, vol. 121, pp. 452–462, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.06.019

[27] Попова А.А., Шубин И.Н. Исследование процесса высокотемпературной щелочной активации углеродного материала с дополнительным воздействием водяным паром. Вестник ТГТУ, 2022, т. 28, № 3, с. 476–486, doi: https://doi.org/10.17277/vestnik.2022.03, pp. 476–486

[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

[29] Кольман-Иванов Э.Э., ред. Машины химических производств. Атлас конструкций. Москва, Машиностроение, 1981. 118 с.

[30] Першин В.Ф. Машины барабанного типа. Основы теории, расчета и конструирования. Воронеж, Изд-во ВГУ, 1990. 168 с.

[31] Тимонин А.С. и др. Машины и аппараты химических производств. Калуга, Ноосфера, 2016. 856 с.

[32] Штербачек З., Тауск П. Перемешивание в химической промышленности. Ленинград, ГХИ, 1963. 416 с.

[33] Тодес О.М., Цитович О.Б. Аппараты с кипящим зернистым слоем. Ленинград, Химия, 1981. 296 с.

[34] 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

[35] 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

[36] 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.

[37] Ткачев А.Г., Попова А.А., Шубин И.Н. Реактор для синтеза активированного углеродного материала. Патент РФ 2780200. Заявл. 27.09.2021, опубл. 20.09.2022.