книги / Углеродные адсорбенты и их применение в промышленности

В результате проведенных исследований установлено,что динамическая активность (время защитного действия) увели­ чивается с ростом толщины слоя, уменьшается с ростом температуры, скорости и концентрации аммиака в потоке. Статическая емкость модифицированных солями углеродных материалов при поглощении аммиака в динамических усло­ виях составляет около 100 м г/г. Эффективность использова­ ния сорбентов значительно увеличивается (в 2-6 раз) при поглощении аммиака из влажных смесей. Например,при погло­ щении из влажной аммиачной смеси время защитного действия слоя волокна в 0,43 г составляет около 3 ч . , а статическая

локнистого углеродного хемосорбента оказывает незначитель­ ное аэродинамическое сопротивление потоку. Это весьма важно для использования подобных материалов в различных сорбционных устройствах,нацример, для индивидуальной защиты органов дыхания.

Еще одним вариантом увеличения сорбционной активности по отношению к газам основного характера является форми­ рование на поверхности волокнистых углеродных сорбентов катионообменных функциональных групп, нацример,в резуль­ тате поверхностного окисления. Использование в качестве окислителя растворов, содержащих з своем составе азотную кислоту, позволяет получать волокнистые угольные иониты с достаточно высокой обменной емкостью лишь на основе углеродных волокон с небольшой температурой карбонизации (500-600°С), характеризующихся низкими механическими по­ казателями. Увеличение механической прочности угольных ионитов может быть обеспечено при использовании углерод­ ных волокон с более высокой температурой карбонизации. Однако для таких образцов достаточная величина обменной емкости достигается в результате продолжительного (более 3 ч) окисления либо благодаря повышению температу­ ры окисляющего раствора. Увеличение продолжительности

окисления не только нетехнологично, но и влечет за собой

271

ухудшение механических параметров окисленного материала вследствие протекания во внутренних микрообластях угле­ родных волокон глубоких структурных изменений. Повышение температуры окисляющего раствора не может быть выше тем­ пературы его кипения (для азотнокислых растворов не выше 122°С).

Указанные недостатки гораздо менее выражены,если окис­ ление углеродных волокон проводить по разработанному нами способу, основанному на использовании в качестве окислите­ ля расплавов кристаллогидратов некоторых нитратов. Возрас­ тание эффективности окисления достигается как за счет по­ вышения температуры окисляющей системы, так и благодаря тому,что процесс окисления реализуется при участии реак­ ционноспособных продуктов разложения нитратов.

Исследовано влияние различных факторов на процесс окис­ ления углеродных материалов: вида окислителя, температуры карбонизации окисляемого углеродного волокна, продолжитель­ ности окисления. Установлено,что окисляющая способность расплавов кристаллогидратов нитратов изменяется в ряду:

Fe<jtOs)$-m O ,CH M j),m O > Си(И0& -ЗНгОг

MWs)z -ЬНгО > Мд(Щ)г -6Нг0

Таблица 3 Влияние температуры карбонизации углеродных волокон на полную обменную емкость (ПОЕ)

получаемых ва их основе ионитов

Конечная температура карбонизации углеродного волокна также влияет на свойства угольных ионитов. Приведенные в табл.З данные характеризуют свойства ионитов, получен­

ных в результате окисления углеродного жгута с различной конечной температурой термообработки расплавом

9Иг0 в течение I ч. Из них видно,что с увеличе­ нием конечной температуры термообработки полная обменная

272

емкость получаемых угольных ионитов уменьшается. Это обусловлено тем,что с повышением температуры карбониза­ ции уменьшается количество сг особных к окислению функцио­ нальных групп (альдегидных, кетонных,ненасыщенных угле- род-углеродных) и возрастает степень упорядоченности структуры углеродного волокна. Благодаря последнему фак­ тору с повышением температуры карбонизации возрастает прочность получаемых ионитов.

Таблица 4 Влияние продолжительности окисления углеродного волокна на свойства получаемых ионитов

Увеличение продолжительности окисления углеродных во­ локон приводит к возрастанию полной обменной емкости про­ дуктов. Из приведенных в табл.4 данных видно,что измене­ ние продолжительности обработки углеродного жгута с тем­ пературой .карбонизации 8Ю°С расплавом fit (ЫОз)з ' 9

с 15 до 120 мин приводит к увеличению обменной емкости получаемого ионита в 3 раза. При этом прочность волокна изменяется незначительно. Из данных табл.4 следует также, что окисление расплавом нитрата гораздо эффективнее по сравнению с известным способом окисления углеродных воло­ кон азотнокислыми растворами / I I / . Так, при окислении

расплавом Al(M0j)3-9Hi0 в течение 120 мин получается ио­ нит с ПОЕ = 3,8 ммоль/г и прочностью 287 МПа, при исполь­ зовании же концентрированного раствора НЫОз достигае­ мая емкость ионита в 3 р аза i еныпе, при этом одновременно ухудшается и прочность. Кроме того, использование распла­ вов !фисталлогидратов нитратов в качестве окислителя бо­ лее технологично, поскольку с солями легче и безопаснее оперировать по сравнению с HMDs • Следует отметить,что получаемые ионообменные угольные материалы довольно устой­ чивы: кипячение в щелочном и солянокислом растворах в те­ чение I ч, а также прогрев на воздухе при 200°С практиче­ ски не сказывается на ПОЕ и прочности ионитов.

Кинетика поглощения аммиака синтезированными нами во локнистыми углеродными ионитами с ПОЕ 1 ,2 6 ; 2,15;

3,78 ммоль/г при 20°С и давлении 66,5 гПа представлена на ри с .4а. Как показывает ход кинетических кривых 1,2 и 3 , для образцов в Н-форме характерна высокая скорость сорбции. Основная доля аммиака поглощается за первые

274

5 мин. Значение сорбционной емкости по аммиаку превышает величину ПОЕ используемых сорбентов, что обусловлено вкла­ дом физической сорбции (наряду с хемосорбцией) благода­ ря развитой поверхности синтезированных угольных ионитов.

скорость поглощения уменьшается с ростом ПОЕ. Вместе с тем,как видно из ри с.46, замена Н+-ионов ионами позволяет увеличить конечную емкость сорбента почти в 2 р аза . Из характера изотерм следует,что насыщение аммиа­

ком образцов в Н-форме происходит в области меньших давле­

-фильтрующих материалов лучшими показателями будут характе­ ризоваться иониты в Н-форме, См- форму ионитов выгодно применять при поглощении в статических условиях.

Наряду с обсужденными выше вопросами, нами была оцене­ на возможность использования в качестве сорбентов амммиака и аминов углеродных волокон, полученных на основе отходов вискозного производства, которые перед пиролизом с целью увеличения выхода карбонизата и снижения температуры после­ дующего активирования пропитывали водными суспензиями от­ ходов плавов титано-магниевого производства. Данный вопрос представляет интерес в плане снижения стоимости сорбентов, от чего во многом зависят перспективы их массового практи­ ческого использования.

Было установлено,что модификация углеродных волокон на основе таких отходов рассмотренными выше способами позво­ ляет производить эффективные поглотители аммиака и аминов, не уступающие по своим свойствам сорбентам на базе карбонизованного товарного гидратцеллюлозного волокна.

Разработанные волокнистые угольные сорбенты могут быть многократно использованы благодаря возможности легкой регенерации.

УДК 661.183.2:628.1

В.Л.Драгинский, В.К.Новиков, Л.Н.Паскуцкая

ПРИМЕНЕНИЕ ГРАНУЛИРОВАННЫХ АКТИВНЫХ УГЛЕЙ

ВТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

Впоследние годы в связи с загрязнением поверхност­ ных источников различными химическими веществами (в том числе фенолами, нефтепродуктами,пестицидами, поверхност­ но активными веществами и д р .), а также повышением

требований к качеству питьевой воды широкое применение в СССР и за рубежом находят сорбционные методы очистки. Активные угли позволяют улучшить органолептические по­ казатели качества воды (устранить неприятные привкусы, запахи,окраску) , а также значительно понизить концентра­ цию вредных химических веществ.

Активные угли используются в виде порошка,дозируемо­ го в воду (метод углевания), либо в гранулированном >виде в качестве загрузки фильтров. Однако углевание воды имеет ряд существенных недостатков:

а) порошкообразный уголь требует постоянного подбора его дозы в соответствии с характером загрязнений водо­ источника, что усложняет эксплуатацию очистных сооруже­ ний и снижает надежность их работы;

б) порошкообразный уголь пылит, что вызывает большие затруднения при его применении;

в) порошкообразный уголь используется однократно, а учитывая его высокую стоимость и дефицитность, это при­ водит к повышению технико-экономических показателей

его црименения.

В связи с этим наибольшее распространение в техноло­ гии ошстки вода находят гранулированные активные угли, т .к . г данном случае обеспечивается более надежная,по сравнен» с углевакием, очистка вода. При использовании

|илы ров из гранулированного угля одним из важнейших воп­ росов является их расположение в технологической схеме очистки вода.

Известны водоочистные станции, где гранулированный уголь выполняет функции как осветления вода, так и сорб­

либо уголь является верхним слоем в двухслойных угольно- -песчаных загрузках.

Такие схож очистки наиболее приемлемы при реконструк- цюл очистжх сооружений. В нашей стране гранулированные ахтивше угля в настоящее время используются только в двухслойных угольно-песчаных фильтрах.

Но в этих случаях активный уголь находится в неблаго­ приятных условиях, поскольку на него поступает большое количество взвеси, и его сорбционные свойства значительно ухудшаются.

Поэтому белее предпочтительным является применение угольные фильтров, являющихся только сорбционными и распо­ лагаемые! в схеме очистки вода после осветлительнык (песчаных) фильтров. Такие решения использования угольной

ство очистжх сооружений, но условия сорбции загрязнений улучшаются и удлиняется срок службы угля,что имеет важное значение в связи с его высокой стоимостью.

В зависимости от условий использования угольной шихты срок службы угля, определяемый его сорбционной емкостью, изменяется от нескольких месяцев до нескольких лет.

278

pec представляет совместное использование окислителей и активного угля. Этот метод огютки получил наименование окислительно-сорбционного и заключается он в том,что с целью повышения санитарной надежности очистки воды про­ водят окисление загрязнений перед сорбцией на активном угле.

Исследования подтвердили,что цри такой обработке воду происходит не простое суммирование эффектов окисления и сорбции, а протекают более сложные процессы.

Рис Л . Очистка воды от фенола (исход­ ная концентрация фенола 0,5 м г/л).

1 - совместная обработка веды хлором

ным углем (доза 35 м г/л).

На рис. I в качестве примера представлены кинетические кривые, построенные по результатам очистки воды от фено­ ла в условиях раздельного и совместного применения

хлора и порошкообразного активного угля. В рассматривае­ мом примере продукты взаимодействия фенола с хлором луч­ ше самого фенола сорбируютс. активным углем, с другой стороны, уголь, выполняя роль катализатора, ускоряет процесс образования этих продуктов и их окисление.

Проведенные исследования подтвердили также,что пред­ варительная обработка воды окислителями позволяет значи­ тельно уменьшить нагрузку на дорогостоящий уголь, а сле­ довательно, снизить дозу угля (цри углевании воды) или увеличить время работы угольной загрузки фильтра до реге­ нерации. Это наглядно видно из опыта при фильтровании во­ ды с содержанием фенола в количестве 4 мг/л через слой активного угля высотой 40 см. Время защитного действия одной угольной загрузки составило 20 ч, а при хлорирова­ нии воды дозой б мг/л в тех же условиях фильтрования да­ же после 220 ч работы фенол или хлорфенол в фильтрате не обнаруживались. Аналогичные результаты были получены при очистке в производственных условиях речной воды от гуминовых веществ и при удалении из нее запахов.

Следует отметить,что при окислительно-сорбционном методе очистки воды необходимо уделять серьезное внимание выбору окислителя. В случаях наличия в воде трудноокисляемых загрязнений целесообразно применять более сильные окислители,например, озон.

В СССР гранулированный активный уголь марки АГ-3 ис­ пользуется в сочетании с предварительной обработкой воды хлором на водоочистных станциях городов Тюмени, Горького, Ижевска,Куйбышева и других.

Источником водоснабжения г.Тюмени является р.Тура.

В период ледостава содержание кислорода в воде снижается практически до нуля, прекращаются процессы самоочищения в реке.

Очистку воды в этот период осуществляли по следующей технологии: предварительное хлорирование дозой 2-3 м г/л, введение перманганата калия до 3 мг/л и порошкообразного активного угля до 100 м г/л, коагулирование примесей сернокислым алюминием дозой до 24 мг/л по Мг.^3 о до­

280