Использование гидролизного лигнина в качестве сырья для синтеза нанопористых углеродных материалов

пиролиз, активный уголь, планированный экспери-

Высокие адсорбционные свойства активного угля обеспечиваются в первую очередь структурой адсорбирующих пор. При этом для поглощения газов и паров, как правило, необходимы значительный объем микропор, высокая насыпная плотность, механическая прочность на истирание. Активные осветляющие угли должны иметь развитый предельный объем сорбционного пространства и в зависимости от условий применения иметь сравнительно высокую адсорбционную (осветляющую) способность по тем или иным модельным веществам.

Задачей данной работы являлось получение углеродных адсорбентов из гидролизного лигнина. В качестве метода активации гидролизного лигнина был выбран термохимический с использованием гидроксида натрия в качестве активирующего агента. В ходе эксперимента требовалось выяснить влияние технологических параметров на выход и свойства полученного активного угля.

На основании накопленных экспериментальных данных можно предположить, что расход NaOH на активацию древесных материалов можно существенно снизить за счет их предварительной карбонизации, что является действующим регулятором не только расхода реагента, но и адсорбционных свойств получаемых активных углей [4]. Поэтому синтез адсорбентов осуществлялся в 2 стадии: карбонизация гидролизного лигнина, и последующая активация угля-сырца. Таким образом, был реализован центральный композиционный ротатабельный уни-форм-план второго порядка для трех переменных, варьирующихся на 5 уровнях [5]. В качестве меняющихся параметров были температуры предпиролиза и пиролиза, а также дозировка активирующего агента. Полученный активный уголь в последующем подвергался выщелачиванию, и была исследована его сорбционная активность по трем основным сорбатам: метиленовый голубой, йод, гексан.

Таблица 1. Значения и интервалы варьирования факторов

Для всех образцов были получены изотермы адсорбции по метиленовому голубому и йоду, и обсчитаны по уравнениям Фрейндлиха и Лэнгмюра. На основании выходных параметров были рассчитаны коэффициенты уравнений регрессии и проведена оценка их значимости. По абсолютному значению и знаку при коэффициентах можно судить о силе влияния факторов, искривлении ими исследуемого пространства. Ниже представлены уравнения регрессии.

Таблица 2. Уравнения регрессии

Полученные модели оказались адекватными экспериментальными данными, поэтому их можно использовать для анализа поверхности отклика и прогнозирования значений выходного параметра в области варьирования переменных. Как видно из табл. 2, наиболее сильное влияние выход АУ и температура пиролиза находятся в линейной зависимости. Вместе с тем квадратичный коэффициент b 11 отрицателен, следовательно, относительно температуры предпиролиза поверхность будет выпуклой, что так же видно из рис.1. Вместе с тем, поверхность отклика показывает, что наибольший выход наблюдается при температуре предпиролиза, являющейся центром плана, то есть около 400^оС. Увеличение дозировки щелочи наоборот оказывает отрицательное влияние на выход адсорбента.

Из уравнения регрессии для адсорбционной активности по йоду видно, что из режимных параметров синтеза АУ наибольшее влияние оказывает температура предпиролиза. Для данного параметра характерно наличие как линейной зависимости, так и квадратичного эффекта. Также имеет место взаимное положительное влияние температуры предпиролиза и пиролиза на сорбцию йода АУ (рис. 2). Аналогичным образом на данный выходной параметр влияют температура пиролиза и дозировка гидроксида натрия. Следует отметить, что поверхность является вогнутой относительно температуры предпиролиза. Что касается осветляющей способности по МГ, то из уравнения регрессии видно, что дозировка активирующего агента в данном случае не оказывает влияния на данный выходной параметр. Для температуры пиролиза и предпиролиза характерна как линейная зависимость, так и их взаимное влияние на адсорбцию по МГ. Относительно температуры пиролиза поверхность выпуклая, то есть проходит через максимум при значении около 675оС.

Рис. 1. Влияние дозировки щелочи и температуры предпиролиза на выход АУ

Как видно из рис. 4, наибольшее влияние на насыпную плотность АУ оказывает температура предпиролиза. Согласно уравнению регрессии для данного выходного параметра и представленной поверхности отклика прослеживается линейная зависимость насыпной плотности от температуры предпиролиза, взаимное влияние ее с температурой пиролиза, а так же квадратичный эффект. Значение насыпной плотности проходит через экстремальные точки при повышении температуры предпиролиза, и увеличивается при повышении температуры пиролиза. Вместе с тем следует отметить, что поверхность отклика для насыпной плотности (рис. 5) будет вогнутой относительно дозировки гидрокисда натрия и выпуклой относительно температуры предпироли-за. Дозировка активирующего агента оказывает только квадратичный эффект на насыпную плотность синтезируемого адсорбента.

Рис. 2. Влияние температуры предпиролиза и пиролиза на сорбционную активность по йоду

Рис. 3. Зависимость осветляющей способности по МГ от температуры предпиролиза и пиролиза

По результатам экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:

• -    на выход активного угля влияет температура предпиролиза, оптимальное значение 400⁰С;

• -    при минимальной и максимальной температуре предпиролиза получаем максимально легкий уголь;

• -    при высокой температуре предпиролиза получается уголь с высокими сорбционными свойствами;

• -    повышение дозировки щелочи не приводит к значительному повышению сорбционных свойств;

• -    для получения угля с наибольшей осветляющей способностью по МГ температура пиролиза должна быть не ниже 675⁰С.

Рис. 4. Влияние температуры предпиролиза и пиролиза на насыпную плотность активного угля

Рис. 5. Влияние температуры предпиролиза и дозировки гидроксида натрия на насыпную плотность АУ