К вопросу анализа содержания калия в углеродном материале после щелочной активации

Показана актуальность исследований в области разработки и применения активированных углеродных материалов. Установлено, что наибольшее внимание уделяется исследованию конечных характеристик углеродного материала и гораздо меньшее отдельным свойствам и особенностям технологических параметров его производства. Проведены исследования активированного углеродного материала с помощью рентгенофлуоресцентного анализа по определению содержания в нем соединений калия в зависимости от продолжительности процесса активации. Установлено расхождение прогнозируемого (расчетного) и определенного опытным путем содержания калия в экспериментальных образцах. Рассмотрены возможные причины данного расхождения. Предложены аппаратурно-технологические решения по нейтрализации соединений калия в газообразных продуктах высокотемпературной щелочной активации углеродных материалов.
EDN: RHWJKK, https://elibrary/rhwjkk

Литература

[1] Фенелонов В.Б. Пористый углерод. Новосибирск, Ин-т катализа СО РАН, 1995. 518 с.

[2] Актуальные физико-химические проблемы адсорбции и синтеза нанопористых материалов. Всерос. симпозиум с межд. участием, посвященный памяти чл.-корр. РАН В.А. Авраменко. Москва, ИФХЭ РАН, 2022. 274 c.

[3] 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

[4] 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

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

[7] Hirscher M., Becher M., Haluska M. et al. Hydrogen storage in carbon nanostructures. J. Alloys Compd., 2002, no. 330–332, pp. 654–658, doi: https://doi.org/10.1016/S0925-8388(01)01643-7

[8] 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.

[9] Popova A.A., Aliev R.E., Shubin I.N. Features of nanoporous carbon material synthesis. Advanced Materials and Technologies, 2020, vol. 3, no. 19, pp. 28–32,

[10] Carvalho A.P., Cardoso B., Pires J., Carvalho M.B. 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

[11] Olivares-Marın M., Fernandez-Gonzalez C., Macıas-Garcıa A. et al. Preparation of activated carbons from cherry stones by activation with potassium hydroxide. Appl. Surf. Sci., 2006, vol. 252, no. 17, pp. 5980–5983, doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2005.11.018

[12] 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

[13] Попова А.А. Аппаратурно-технологическое оформление производства активированного углеродного материала. Вестник Тамбовского государственного технического университета, 2021, т. 27, № 2, с. 318–327, doi: https://doi.org/10.17277/vestnik.2021.02.pp.318-327

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

[15] 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

[16] 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

[17] 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

[18] 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, art. 012025, doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1942/1/012025

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

[20] 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, 2014, т. 7, № 1, с. 42–53. EDN: RZDEPP

[21] 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

[22] 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

[23] 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

[24] 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

[25] Liu Y., Shen Z., Yokogawa K. Investigation of preparation and structures of activated carbon nanotubes. Mater. Res. Bull., 2006, vol. 41, no. 8, pp. 1503–1512, doi: https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2006.01.017

[26] 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

[27] 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

[28] 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

[29] 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

[30] 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

[31] Шубин И.Н., Попова А.А. Структурно-иерархическая схема процесса высокотемпературной активации углеродного материала. Вестник ТГТУ, 2024, т. 30, № 2, с. 308–316.

[32] 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

[33] 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

[34] Delpeux S., Szostak K., Frackowiak E. et al. An efficient two-step process for producing opened multi-walled carbon nanotubes of high purity. Chem. Phys. Lett., 2005, vol. 404, no. 4-6, pp. 374–378, doi: https://doi.org/10.1016/j.cplett.2005.01.108

[35] 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

[36] 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

[37] 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

[38] Глинка Н.Л. Общая химия. Москва, Интеграл-Пресс, 2003. 727 с.

[39] Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Москва, Альянс, 2005. 750 с.

[40] Леонтьева А.И. Оборудование химических производств. Москва, Колосс, 2008. 479 с.

[41] Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Ч. 2. Массообменные процессы и аппараты. Москва, Химия, 2002. 368 с.

[42] Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. Москва, Химия, 1976. 512 с.

[43] Арутюнов В.С., Голубева И.А., Елисеев О.Л. и др. Технология переработки углеводородных газов. Москва, Изд-во Юрайт, 2023. 723 с.

[44] Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической технологии. Москва, Химия, 1968. 848 с.

[45] 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.

[46] Ткачев А.Г., Шубин И.Н., Попова А.А. Реактор-нейтрализатор для активации углеродного материала. Патент РФ 2794893. Заявл. 19.10.2022, опубл. 25.04.2023.

[47] Ткачев А.Г., Мележик А.В., Попова А.А. и др. Реактор для активации углеродного материала. Патент РФ 2768123. Заявл. 09.04.2021, опубл. 23.03.2022.