Особенности аппаратурно-технологического оформления процесса получения компактированных углеродных материалов

Показана актуальность исследований, направленных на разработку современных сорбционных материалов на основе высокопористого углеродного материала. Рассмотрены основные стадии его производства, включающие в себя щелочную активацию при температуре 400…750 °С, постобработку и компактирование полученного материала с исследованием и определением наиболее рациональных технологических режимов его осуществления. В результате исследования получены активированный и компактированный углеродные материалы. У первого материала удельная поверхность и пористость составили соответственно более 2700 м2/г и 1,3 см3/г, у второго — более 2000 м2/г и 0,84 см3/г. Сорбционная способность по отношению к органическому красителю (метиленовому синему) активированного и компактированного углеродных материалов превысила 2000 и 1700 мг/г соответственно, что показывает способность материала быть высокоэффективным сорбентом органических загрязнителей из водных растворов. На основании результатов исследования предложена принципиальная схема аппаратурно-технологического оформления процесса получения компактированного высокопористого углеродного материала, отмечены особенности ее реализации.

Литература

[1] Фомкин А.А., Петухова Г.А., Алехина М.Б. и др., ред. Актуальные физико-химические проблемы адсорбции и синтеза нанопористых материалов. Москва ИФХЭ РАН, 2022. 274 c.

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

[3] Попова А.А., Шубин И.Н. и др. Особенности разработки перспективных сорбентов нового поколения на основе углеродного наноматериала. Новые материалы и перспективные технологии. Сб. мат. 6 Междисциплинарного науч. форума с межд. участием. Москва, Центр научно-технических решений, 2020, с. 733–735.

[4] Климов Е.С. Природные сорбенты и комплексоны в очистке сточных вод. Ульяновск, УлГТУ, 2011. 201 с.

[5] 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: https://doi.org/10.17277/jamt.2023.01.pp.041-048

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

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

[8] 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

[9] 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

[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] 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

[12] Falco C., Marco-Lozar J.P., Salinas-Torres D. et al. Tailoring the porosity of chemically activated hydrothermal carbons: influence of the precursor and hydrothermal carbonization temperature. Carbon, 2013, vol. 62, pp. 346 –355, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2013.06.017

[13] Marco-Lozar J.P., Kunowsky M., Carruthers J.D. et al. Gas storage scale-up at room temperature on high density carbon materials. Carbon, 2014, vol. 76, pp. 123–132, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.04.058

[14] Seema H., Kemp K.C., Le N.H. et al. Highly selective CO2 capture by S-doped microporous carbon materials. Carbon, 2014, vol. 66, pp. 320–326, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2013.09.006

[15] Sevillaa M., Fuertesa A.B., Mokayac R. Preparation and hydrogen storage capacity of highly porous activated carbon materials derived from polythiophene. Int. J. Hydrog. Energy, 2011, vol. 36, no. 24, pp. 15658–15663, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.09.032

[16] Kim H.S., Kang M.S., Yoo W.C. Highly enhanced gas sorption capacities of N-doped porous carbon spheres by hot NH3 and CO2 treatments. J. Phys. Chem., 2015, vol. 119, no. 51, pp. 28512–28522, doi: https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b10552

[17] Gadipelli S., Guo Z.X. Graphene-based materials: synthesis and gas sorption, storage and separation. Prog. Mater. Sci., 2015, vol. 69, pp. 1–60, doi: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2014.10.004

[18] Cychosz K.A., Thommes M. Progress in the physisorption characterization of nanoporous gas storage materials. Engineering, 2018, vol. 4, no. 4, pp. 559–566, doi: https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.06.001

[19] Melnichenko Y.B., Cristian I., Nidia C. et al. SANS investigations of CO2 adsorption in microporous carbon. Carbon, 2015, vol. 95, pp. 535–544, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2015.08.010

[20] Perez-Mendoza M., Schumacher C., Suarez-Garcıa F. et al. Analysis of the microporous texture of a glassy carbon by adsorption measurements and Monte Carlo simulation. Evolution with chemical and physical activation. Carbon, 2006, vol. 44, no. 4, pp. 638–645, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2005.09.037

[21] Panella B., Hirscher M., Roth S. Hydrogen adsorption in different carbon nanostructures. Carbon, 2005, vol. 43, no. 10, pp. 2209–2214, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2005.03.037

[22] Meisner G.P., Hu Q. High surface area microporous carbon materials for cryogenic hydrogen storage synthesized using new template-based and activation-based approaches. Nanotechnology, 2009, vol. 20, no. 20, art. 204023, doi: https://doi.org/10.1088/0957-4484/20/20/204023

[23] Wu X., Shaibani M., Smith S.J.D. et al. Microporous carbon from fullerene impregnated porous aromatic frameworks for improving the desalination performance of thin film composite forward osmosis membranes. J. Mater. Chem. A, 2018, vol. 6, no. 24, pp. 11327–11336, doi: https://doi.org/10.1039/C8TA01200H

[24] Zgrzebnicki M., Kałamaga A., Wrobel R. Sorption and textural properties of activated carbon derived from charred beech wood. Molecules, 2021, vol. 26, no. 24, art. 7604, https://doi.org/10.3390/molecules26247604

[25] Олонцев В.Ф., Фарберова Е.А., Минькова А.А. и др. Оптимизация пористой структуры активированных углей в процессе технологического производства. Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология, 2015, № 4, с. 9–23.

[26] 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.

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

[28] Vasiliev L.L., Kanonchik L.E., Kulakov A.G. et al. Activated carbon fiber composites for ammonia, methane and hydrogen adsorption. Int. J. Low Carbon Technol., 2006, vol. 1, no. 2, pp. 95–111, doi: https://doi.org/10.1093/ijlct/1.2.95

[29] Ouyang J., Zhou L., Liu Z. et al. Biomass-derived activated carbons for the removal of pharmaceutical mircopollutants from wastewater: a review. Sep. Purif. Technol., 2020, vol. 253, art. 117536, doi: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.117536

[30] Han X., Wang H., Zhang L. Efficient removal of methyl blue using nanoporous carbon from the waste biomass. Water Air Soil Pollut., 2018, vol. 229, no. 2, art. 26, doi: https://doi.org/10.1007/s11270-017-3682-0

[31] Shahkarami S., Azargohar R., Dalai A.K. et al. Breakthrough CO2 adsorption in bio-based activated carbons. J. Environ. Sci., 2015, vol. 34, pp. 68–76, doi: https://doi.org/10.1016/j.jes.2015.03.008

[32] Pérez-Mayoral E., Matos I., Bernardo M. et al. New and advanced porous carbon materials in fine chemical synthesis. Emerging precursors of porous carbons. Catalysts, 2019, vol. 9, no. 2, art. 133, doi: https://doi.org/10.3390/catal9020133

[33] Qian D., Lei C., Wang E.M. et al. A method for creating microporous carbon materials with excellent CO2-adsorption capacity and selectivity. ChemSusChem, 2014, vol. 7, no. 1, pp. 291–298, doi: https://doi.org/10.1002/cssc.201300585

[34] Алиев Р.Э., Попова А.А. Компактированный нанопористый углеродный материал для систем очистки воздуха. В: Проблемы техногенной безопасности и устойчивого развития. Вып. 12. Тамбов, ТГТУ, 2020, с. 28–31.

[35] Шубин И.Н., Попова А.А. Совершенствование аппаратурно-технологического оформления производства высокопористого углеродного материала. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2023, № 6, с. 58–65, doi: https://doi.org/10.18698/0536-1044-2023-6-58-65