Получение химически активированного углеродного материала на основе рисовой шелухи

Актуальность

Производство эффективного сорбирующего углеродного материала на основе рисовой шелухи в процессе утилизации может способствовать улучшению экологической обстановки и совершенствованию мероприятий по очистке воды и воздуха от вредных примесей в агропромышленном комплексе. Активированный углеродный материал из рисовой шелухи также может найти применение в химических источниках электрического тока и в других областях, где требуются высокопористые углеродные материалы.

Цель

Получение углеродного материала из рисовой шелухи путём её термической переработки и химической активации.

Задачи

1. Провести обзор научной и патентной литературы.
2. Выбрать процессы термической переработки и химической активации рисовой шелухи.

3. Подобрать условия проведения химической активации и предложить аппаратурное оформление процессов.

4. Получить сорбирующий продукт и сравнить его с активированным углём по сорбирующей способности в эксперименте очистки воды.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

• Аналитические весы

• Термометр до 200 ºС

• Круглодонная колба

• Электроплитка

• Ловушка с водой

• Кварцевый реактор со встроенным задатчиком температуры

• Термопара

• Реакционный стакан с перфорированным дном

• Блок питания

• ФЭК

Описание

Исходное сырьё (рисовая шелуха) было подвергнуто предварительной сушке для удаления гигроскопической, внешней влаги. Для этого рисовая шелуха была взвешена и помещена в круглодонную колбу, затем в течение 2-х часов нагревалась до 190 ºС. Выход сухой рисовой шелухи составил 75 %.

Процесс карбонизации осуществлялся на экспериментальной лабораторной установке. Навеску рисовой шелухи после сушки помещали в реакционный стакан с перфорированным дном, который размещался в кварцевом реакторе. Включали электрический нагреватель реактора и устанавливали температуру процесса с помощью встроенного задатчика. Для сбора смолы и контроля начала и окончания процесса посредством наблюдения за выходом газообразных продуктов пиролиза были использованы две ловушки, одна из которых – с водой. Температура контролировалась с помощью термопары. Полученный карбонизированный продукт имел чёрный цвет и сохранял свою исходную морфологическую форму.

В качестве активаторов были выбраны карбонаты калия и натрия, поскольку их сухие добавки имеют наибольшую эффективность. Эти соединения почти не разлагаются до температуры 1000 °С, а плавятся. При разложении выделяется углекислый газ, который в условиях процесса является окислителем и при высокой температуре частично сжигает уголь карбонизата. На месте сожжённого угля образуются поры. Можно предположить, чем больше карбоната вступает в реакцию, тем больше образуется углекислого газа и тем больше будет объём пор. При разложении карбоната также остаётся оксид щелочного металла, который дополнительно химически модифицирует поверхность, придавая ей щелочные свойства.

Навеску полученного карбонизата в смеси с расчётной массой карбоната калия или натрия (10 % масс.) поместили в реакционный стакан и разместили в кварцевом реакторе. Затем установили необходимую конечную температуру на блоке питания, подсоединённом к кварцевому реактору, и регулировали скорость нагрева. Температура поддерживалась автоматически и контролировалась с помощью термопары. Для выходящих газов была установлена ловушка.

Время активации составило один час. Эксперимент проводился при следующих значениях температуры: 700 °С, 800 °С и 900 °С. Выход составил примерно 80–85 % от начальной смеси карбонизата и карбоната.

Для испытания полученного активированного углеродного материала в качестве сорбента был проведен эксперимент по очистке подкрашенного для большей наглядности раствора с примесью водорастворимого красителя (штемпельной краски).

Эксперимент показал большую сорбционную способность продукта по сравнению с активированным углем марки АГ-4.

Результаты

Разработана аппаратурно-технологическая схема получения углеродного материала-сорбента, включающая в себя сушку при 200 ºС, карбонизацию при 500 ºС и химическую активацию карбонатами калия и натрия с содержанием в смеси с карбонизатом в количестве 10 % масс. с подбором температуры на основе анализа литературы и экспериментов.

Рассчитан выход сорбирующего углеродного материала из рисовой шелухи в расчёте на сырьё от 15 % до 16,5 % в зависимости от температуры химической активации.

Экспериментально доказана более высокая сорбционная способность полученного продукта по сравнению с активированным углём марки АГ-4, используемой в промышленности, что говорит о более развитой площади удельной поверхности углеродного материала и его применимости в качестве сорбента.

Было показано, что смешение сухих карбонатов калия и натрия с карбонизатом может уменьшить время получения сорбирующего углеродного материала в связи с отсутствием необходимости пропитки исходного сырья и заключительной промывки продукта.

Выводы

1. Чем меньше концентрация раствора, прошедшего через сорбент, тем больше его сорбционная ёмкость и тем более он эффективен.

2. Наиболее эффективный сорбент на основе карбоната калия был получен при температуре химической активации 900 ºС, а натрия – 800 ºС, при этом карбонат калия показал лучшие результаты при 700 ºС и 900 ºС по сравнению с карбонатом натрия.

3. Полученный углеродный материал не требует последующей промывки в отличие от традиционного процесса получения химически активированного сорбента.

Перспективы использования результатов работы

Сорбирующий продукт может быть использован для очистки воды разной степени загрязнения. Предполагается, что благодаря предложенной методике химической активации в продукте остаётся оксид (или карбонат) щелочного металла, который дополнительно химически модифицирует поверхность, придавая ей щелочные свойства. Соответственно, такой активированный материал должен не только сорбировать органические примеси, но и должен быть способен нейтрализовать и сорбировать до какой-то степени и некоторые кислые примеси, которые могут быть, например, в сточной воде. Область применения полученного продукта сопоставима с областью применения активированного угля: медицина, химическая, фармацевтическая и пищевая промышленности.

Награды и достижения

1. Московский городской конкурс исследовательских и проектных работ (2020) – победитель.

2. Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» – победитель.

Мнение автора

«Я доволен полученным результатом, готов к сотрудничеству и дальнейшей кропотливой и плодотворной работе. Мне очень нравится проект «Медицинский класс в московской школе». Считаю его чрезвычайно полезным для учащихся, решивших связать свою жизнь с медициной, к которым отношусь и я. Конференция «Старт в медицину» позволила мне проявить свои способности, применить знания и навыки на практике, дала надежду на поступление в медицинский вуз, что для меня сейчас особенно важно»