Технология ученых Пермского Политеха позволила повысить эффективность активированного угля в 2,3 раза

Статья опубликована в журнале «Южно-Сибирский научный вестник».

В процессах очистки воды и воздуха в основном находят применение гранулированные активированные угли (ГАУ). Это частицы черного цвета размером 1-4 мм, имеющие развитую пористую структуру. Удельная площадь поверхности таких углеродных сорбентов может достигать тысячи квадратных метров, что и обеспечивает их высокую поглотительную способность токсичных примесей из сточных вод, загрязненного воздуха и отходящих промышленных газов.

Гранулы активированного угля получают формованием пасты, представляющей собой композицию порошкообразного каменного угля и связующего. Десятилетиями в качестве такого компонента служила лесохимическая смола — побочный продукт переработки древесины. Однако в последние годы это сырье практически исчезло: его производство резко сократилось, и промышленности потребовалась замена.

В настоящее время в качестве перспективного и доступного для получения гранулированных активированных углей связующего начали использовать каменноугольные смолы, получаемые в процессе коксования каменных углей. Однако такое связующее имеет серьезный недостаток: слишком высокую вязкость, что не позволяет получать однородную пластичную пасту, необходимую для формования гранул. Они получаются неоднородными, с трещинами, что при термической обработке на последующих стадиях приводит к резкому снижению прочности получаемых гранул.

Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха разработали новую композицию связующего на основе каменноугольной смолы с более низкой вязкостью. Использование разработанного связующего для получения гранулированных активированных углей позволило повысить сорбционную способность готового угля в 2,3 раза.

Все дело в специальной добавке к каменноугольной смоле — поверхностно-активном веществе (ПАВ). Введение ПАВ в состав смолы приводит к снижению вязкости связующего. В результате такое композиционное вещество равномерно пропитывает угольную пыль и способствует формированию однородной пластичной пасты.

Чтобы получить гранулированный активированный уголь, пыль со связующим сначала формуют в гранулы, а затем подвергают двухступенчатой высокотемпературной обработке. При первой стадии термообработки сырые гранулы подвергаются пиролизу в бескислородной атмосфере, при этом удаляются летучие компоненты, закладывается основа пористой структуры, увеличивается прочность гранул. На второй стадии происходит их активация при высокой температуре в окислительной среде. В результате образуется пористая структура гранул.

— Проблема в том, что при использовании обычной каменноугольной смолы возможно получить ГАУ с низкими показателями прочности и площадью поверхности не более 600 м2/г, что является недостаточным для глубокой очистки загрязненных сред. Но потенциал у материала гораздо выше: поры просто не успевают раскрыться, смола блокирует и препятствует их формированию. Наша добавка позволила поднять площадь до 1038 м2/г, то есть в 2,3 раза больше, чем была раньше, — рассказал Егор Першин, ассистент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ.

— Кроме того, мы научились управлять процессом активации. На лабораторной установке мы меняли два параметра: температуру от 800 до 900°C и время обработки от получаса до полутора часов. На обычной смоле без добавки эти настройки почти не влияли на результат — уголь получался примерно одинакового качества. С использованием композиционного связующего все иначе: более высокая температура и продолжительность процесса активации позволили получать ГАУ с более развитой пористой структурой, — добавила Елена Фарберова, кандидат химических наук, доцент кафедры «Химия и биотехнология».

Разработанная технология позволяет не только заменить дефицитные лесохимические смолы на доступное сырье, но и получить активированный уголь с большей площадью поверхности, чем при использовании обычной смолы без добавки. При этом меняя температуру и время активации, можно управлять формированием пористой структуры материала.