Зміст
Введення
1. Літературна частина
1.1 Адсорбція
1.2 Адсорбенти
1.3 Ізотерми адсорбції
1.3.1 Визначення ізотерм адсорбції з хроматографічних даних
1.4 Способи одержання адсорбентів
1.5 Застосування адсорбентів для адсорбції газів і парів
Висновок
Список літератури
Введення
Антропогенні зміни навколишнього середовища стають все більш значущими в міру посилення господарської діяльності людини. Науково - технічний прогрес веде до помітних, іноді непередбачуваним, змін в екологічних системах, змінами в біосферних процесах в цілому. Негативний вплив на навколишнє середовище пов'язане із забрудненням водного і повітряного басейнів викидами промислових підприємств, виведенням з культурного землекористування грунтового покриву та цінних природних ландшафтів в результаті складування і закачування відходів, викидів в результаті аварійних ситуацій.
Одним з джерел викидів в атмосферу летких аліфатичних і ароматичних вуглеводнів є підприємства нафтопереробної та нафтохімічної промисловості. Джерелом летючих вуглеводнів на НПЗ є самі процеси переробки нафти: процеси каталітичного крекінгу, в меншій кількості процеси каталітичного риформінгу, системи обігріву апаратів, установки обробки стічних вод, системи скидання тиску і смолоскипи, а так само процеси складування та змішування. Всі резервуари, в яких знаходяться рідини, що містять легкі вуглеводні, включаючи сиру нафту, є потенційним джерелом витоку вуглеводнів в атмосферу, при зміні погоди резервуар "дихає", викиди відбуваються при наповненні і спорожнюванні.
Пошук альтернативних, відносно дешевих вуглецевих поглиначів для очищення газоподібних викидів, забруднених низькомолекулярними аліфатичними і ароматичними вуглеводнями становлять безсумнівний науковий і практичний інтерес.
У роботі планується вивчення літературного матеріалу по ізотермам адсорбції парів на пористих вуглецевих матеріалів, отриманих з різного вуглець сировини. Як сировина для отримання пористих матеріалів розглядається наступне: деревне вугілля - сирець з відходів переробки деревини березової, кора модрини, кора ялиці, вугілля - сирець з осикової деревини, гідролізний лігнін, також великий інтерес представляє отримання адсорбентів з бурого вугілля. Завдяки розвиненій пористій структурі буре вугілля і особливо продукти їх нагріву є перспективним сировиною для отримання адсорбентів.
Глава 1. Літературна частина
1.1 Адсорбція
Адсорбція - процес концентрування речовини з обсягу фаз на кордоні їх розділу. Поглинається речовина, ще перебуває в обсязі фази, називають адсорбтів, поглинене - адсорбат. У більш вузькому сенсі під адсорбцією часто розуміють поглинання домішки з газу або рідини твердим речовиною - адсорбентом. При цьому, як і в загальному випадку адсорбції, відбувається концентрування домішки на межі розділу адсорбент - рідина або адсорбент-газ. Процес, зворотний адсорбції, тобто перенесення речовини з поверхні розділу фаз в об'єм фази, називається десорбція. Адсорбція супроводжується хімічними взаємодіями поглинається речовини з сорбентом в результаті чого утворюється нова хімічна сполука, називається хемосорбції [1].
Адсорбція, що не супроводжується утворенням хімічної сполуки звичайного типу, в свою чергу ділиться на адсорбцію фізичну і адсорбцію активовану.
Фізична адсорбція обумовлюється силами взаємного притягання молекул. При фізичній адсорбції поглинене речовина не взаємодіє з поглиначем; процес протікає надзвичайно швидко, і дуже часто рівновагу між фазами, які беруть участь в процесі адсорбції, встановлюється практично миттєво. Так само фізична адсорбція є оборотним процесом, умова рівноваги визначається рівними швидкостями адсорбції молекул адсорбтіва P на вакантних місцях поверхні адсорбенту S * і десорбції - звільнення адсорбата із зв'язаного стану S - P:
(1)
рівняння рівноваги в такому разі:
(2)
де K - константа рівноваги, [S - P] і [S *] - частки поверхні адсорбенту, зайняті і незайняті адсорбатом, а [P] - концентрація адсорбтіва. Концентрація адсорбтіва для випадку адсорбції з рідини виражається, як правило, в мольних яких масових частках. Часто, особливо у випадку адсорбції з розчинів, користуються відносною величиною: С / С s, де С - концентрація, С s - гранична концентрація (концентрація насичення) адсорбтіва при даній температурі. У разі ж адсорбції з газової фази, концентрація виражена в одиницях абсолютного тиску, або, що особливо типово для адсорбції парів, у відносних одиницях: P / P s, де P - тиск пари, P s - тиск насичених парів цієї речовини. Саму величину адсорбції можна виразити також в одиницях концентрації (відношення числа молекул адсорбату до загальної кількості молекул на межі поділу фаз). Для адсорбції на твердих адсорбентах використовують відношення маси або кількості поглиненої речовини до маси адсорбенту, наприклад мг / г або ммоль / г [2].
Активована адсорбція обумовлюється взаємодією між молекулами поглиненої речовини і поглинача з утворенням поверхневого з'єднання. Це з'єднання характеризується тим, що поверхневі молекули поглинача, що вступили в з'єднання з адсорбованими молекулами, залишаються в кристалічній решітці поглинача. При активованої адсорбції молекули поглиненої речовини, вступаючи у взаємодії з поглиначем, утворює на його поверхні тільки один шар (мономолекулярна адсорбція).
У більшості випадків активована адсорбція протікає повільно, і для досягнення рівноваги між фазами потрібен тривалий час, тому необхідна активація процесу за допомогою підвищення температури, дії світла [3].
Активована адсорбція вибіркова або специфічна, оскільки для утворення поверхневого з'єднання поглиненої речовини з поглиначем, індивідуальні властивості останнього мають вирішальне значення. При утворенні поверхневих сполук зв'язок між молекулами поглиненої речовини і поглинача дуже міцна, тому зворотне виділення поглиненої речовини проходить з великими труднощами.
Адсорбція - процес екзотермічний. Вирізняється тепло при цьому називається теплотою адсорбції. Теплота активованої адсорбції значно більше теплоти фізичної адсорбції, наближаючись за величиною до теплоти звичайної хімічної реакції [2].
Окремі види адсорбції (хемосорбція, адсорбція фізична, активована адсорбція) на практиці часто протікають одночасно. Так дуже часто поєднуються фізична і активована адсорбції, причому при низьких температурах переважно протікає - перша, при високих друга. Незважаючи на своєрідність розглянутих явищ, не існує особливих сил, які обумовлюють адсорбцію. Тут діють лише звичайні сили взаємного притягання між атомами й молекулами, внаслідок чого й виникають зв'язки між поглинається речовиною і поглиначем. Якщо через таку зв'язку індивідуальні властивості поглинається речовини і поглинача зберігаються, то адсорбція буде називатися фізичної. Якщо ж в результаті зв'язку між поглинається речовиною і поглиначем утворюється поверхневе або звичайне хімічне з'єднання, то така адсорбція буде називатися активованої або хемосорбції.
Адсорбція - загальне і повсюдне явище, що має місце завжди і скрізь, де є поверхню розділу між фазами. Найбільше практичне значення має адсорбція поверхнево-активних речовин і адсорбція домішок з газу або рідини спеціальними високоефективними адсорбентами [2, 4].
1.2 Адсорбенти
Тверді тіла або рідини, що мають велику питому поверхню, що застосовуються для поглинання газів, парів або розчинених речовин. Активність адсорбентів характеризується кількістю речовини, що поглинається одиницею їх маси або об'єму. Максимальна активність досягається до моменту рівноваги за даних температурі і концентрації поглинається речовини у газовій фазі, є рівноважна статична активність.
Як твердих поглиначів газів і парів можуть виступати різноманітні матеріали з високою питомою поверхнею: пористий вуглець (найбільш поширена форма - активоване вугілля), і мінеральні адсорбенти: силікагель, алюмосілікагель, різні іонообмінні смоли, цеоліти, а також деякі інші групи природних матеріалів і синтетичних речовин [4, 5].
Активованими вугіллям називаються вугілля, спеціально оброблені для звільнення їх пір від смолистих речовин і збільшення адсорбуючою поверхні. Дуже часто вуглець матеріалів для отримання активного вугілля служать речовини рослинного походження. Тому назва активованого вугілля часто пов'язано з назвою вихідного матеріалу: деревне вугілля, цукровий, кров'яний, кістяний [3].
Внаслідок сухої перегонки перерахованих вуглецевмісних речовин виходить вугілля - сирець. Вугілля-сирець неактивний, так як не має великої питомої поверхні через те, що пори його закриті смолою та іншими продуктами сухої перегонки. Перетворення неактивного вугілля-сирцю в активне вугілля називається активуванням. Сутність, якого полягає у видаленні з пор з поверхні вугілля продуктів сухої перегонки і в збільшенні питомої поверхні за рахунок розширення наявних пір і утворення нових. Розрізняють мікропори (<2 нм), мезопор (розмір у діапазоні від 2 до 50 нм) і макропор з розміром> 50 нм. Серед мікропор виділяють супермікропори з розміром в діапазоні 0,7-2 нм і ультрамікропори з розміром <0,6-0,7 нм.
Макропор утворюються при виділенні летких речовин у процесі карбонізації і коксування вуглецевих матеріалів. При піролізі деревини виходить, як правило, макропористий вугілля, в якому перехідні і мікропори відсутні або блоковані продуктами розкладання летючих речовин. Тільки при подальшій активації отримують активні вугілля з високою сорбційною ємністю. Питома поверхня макропор невелика - 0,5-2,0 м 2 / г і в адсорбційному щодо рівноцінна поверхні не пористих вуглецевих структур з близькою хімічною природою поверхні. Роль макропор в сорбційного процесу зводиться до транспорту молекул поглинаються речовин в глиб зерен.
Мезопор формуються при виділенні летких речовин з вуглецевої матриці, а так само на стадії подальшої активації. Визначальним фактором для отримання вуглецевих сорбентів з розвиненою перехідною пористістю є природа вихідної сировини. Питома поверхня перехідних пір складає від 10 до 400м 2 / г. Перехідні пори можуть відігравати значну роль при поглинанні пароподібні речовин в області високих концентрацій і в процесах сорбції молекул великого розміру [6].
Мікропори формуються при активації коксового залишку окислюючими агентом або при термолизе в присутності хімічних активаторів. Слід враховувати, що вони можуть зароджуватися на стадії термічного розкладання і видалення вихідних органічних речовин. Можлива присутність мікропор у вихідній сировині, в процесі активації мікропори збільшуються в розмірах. Характерною особливістю мікропор є те, що за розмірами вони співмірні з адсорбованих молекул і енергії адсорбції в мікропорах значно підвищені в порівнянні з поверхнею макро-і мезопор. Володіючи значними обсягами сорбційного простору, ці пори грають основну роль в сорбційних процесах. Особливо при цьому слід відзначити значення супермікропор для адсорбції різних речовин з розчинів, у тому числі з біологічних рідин, і продуктів невеликий молекулярної маси [1].
Силікагель - являє собою висушений гель, утворений з пересичених розчинів кремнієвих кислот (nSiO 2 · mH 2 O) при pH> 5-6. Силікагель має велику площу поверхні, що складається з груп-SiOH, розташованих на відстані 0,5 нм один від одного. Ці групи є активними центрами, причому активність даної партії силікагелю залежить від числа й активності таких центрів. В активному адсорбенті, тобто такому, з якого вилучено адсорбована на його поверхні вода, багато центрів будуть активні. Така активація відбувається при нагріванні гелю до 150-200 ° C. При нагріванні до високої температури в інтервалі 200-400 ° С активність втрачається в результаті утворення зв'язків Si-O, що відбувається з відщеплення води. Ця стадія, однак, оборотна. При нагріванні вище 400 ° С розмір поверхні силікагелю необоротно зменшується. Активні центри взаємодіють з полярними розчиненими речовинами головним чином за рахунок утворення водневих зв'язків [4, 7].
Поглинена силікагелем волога зменшує його здатність адсорбувати пари інших речовин. Тому в ряді випадків гідрофільність силікагелю може стати перешкодою для його застосування. Часто поглинені органічні речовини знову витісняються з силікагелю вологою повітря.
Залежно від величини пір силікагель ділитися на дрібнопористий, великопористий і смешанопорістий. Залежно від розміру зерен силікагель ділиться на крупнозернистий і дрібнозернистий.
1.3 Ізотерми адсорбції
Для практичного застосування адсорбційного процесу здатність адсорбенту поглинати певний адсорбтів, так звана адсорбційна здатність, має вирішальне значення. Тому експериментально визначається рівноважна адсорбційна ємність при постійній температурі як функція рівноважної концентрації і відповідно парціального тиску. Графічне зображення цієї залежності називається ізотермою адсорбції. Тобто температурна залежність парціального тиску адсорбтіва при постійній адсорбції. Вид ізотерми адсорбції залежить від природи поглинається речовини і поглинача і від температури процесу. Наприклад, один і той же активний вугілля можна віднести до типу I по адсорбції чотирихлористого вуглецю і до типу V по адсорбції парів води.
У літературі наводиться безліч ізотерм адсорбції. Проте всі ці численні ізотерми, що описують фізичну адсорбцію, можна умовно розбити на п'ять груп, що відповідають п'яти груп класифікації, спочатку запропонованої Брунауером, Демінгом, Демінгом і Теллером (БДДТ). Зараз частіше посилаються на класифікацію Брунауера, Еммета і Теллера (БЕТ).
Рисунок 1 - П'ять типів ізотерм адсорбції за класифікацією (БДДТ)
Адсорбція викликається дією силового поля біля поверхні твердого тіла (адсорбенту), яке притягує молекули газу (адсорбату). Створювані твердим тілом сили тяжіння можуть бути двох типів: фізичні та хімічні. Вони обумовлюють або фізичну адсорбцію, або відповідно Хемосорбція. Кількість адсорбованого речовини, що припадає на 1г твердого тіла, залежить від рівноважного тиску p, температури T, а так само від природи газу і твердого тіла. Отже,
x = ƒ (p, T, газ, тв. тіло). (3)
Для газу, адсорбованого при фіксованій температурі на твердому тілі, рівняння (3) набуває вигляду
x = ƒ (p), T, газ тв. тіло. (4)
Якщо температура газу нижче його критичної температури, тобто він є парою, більш зручна інша форма рівняння
x = ƒ (p | p 0), T, газ тв. тіло, (5)
де p 0 - тиск насиченої пари адсорбата. Рівняння (4) і (5) представляють рівняння ізотерми адсорбції, що зв'язує кількість адсорбованого при фіксованій температурі на даному твердому тілі даного газу з його тиском [8].
Відповідно до емпіричної класифікацією, вперше запропонованої Брунауером, розрізняють кілька основних типів ізотерм адсорбції в залежності від їх виду. Тип I відповідає мономолекулярної адсорбції, решта полімолекулярних. Ізотерму I часто називають ленгмюровской, так як рівняння Ленгмюра описує саме такі ізотерми. Ізотерми II типу називають S-образними. Решта ізотерми спеціальних назв не мають. Для практичного використання в адсорбційної техніці представляють інтерес переважно типи I, II і IV, оскільки при подібних видах ізотерм досягаються високі сорбційні ємності при низьких концентраціях.
Ленгмюра вивів рівняння ізотерми адсорбції при допущенні, що на будь-якій ділянці поверхні взаємодія між адсорбатом і адсорбентом має однаковий характер
(6)
де V - обсяг-адсорбованого газу; V моно - обсяг газу, необхідний для утворення мономолекулярного покриття на поверхні адсорбенту; р - парціальний тиск; k - константа.
Це рівняння не враховує взаємодії молекул адсорбату один з одним. При дуже низьких значеннях р твір kp в знаменнику мало але порівнянні з одиницею, при цьому адсорбція буде пропорційна kp:
(7)
При високих парціальних тисках одиницею у виразі (6) можна знехтувати, тоді
(8)
Це рівність є кордоном застосовності рівняння Ленгмюра, яке в основному застосовується для опису адсорбції газу на мікропористих сорбентах, в яких за просторовим причин можлива лише низька ступінь покриття.
Перетворена форма рівняння (6)
(9)
використовується для опису процесів адсорбції по ізотермі I типу в координатах p / V як функція р. У межах застосовності рівняння Ленгмюра отримують пряму з нахилом 1 / V моно і відрізком 1 / V моно k по осі p / V. Експериментальне визначення величин V моно дозволяє при відомих значеннях посадкового майданчика молекул адсорбтіва визначити площу поверхні адсорбенту.
На практиці широке застосування знаходять розрахункові методи потенційної теорії адсорбції. Це обумовлено тим, що за допомогою рівняння Дубініна - Радушкевіча за стандартною ізотермі при відомому коефіцієнті афінності можна розрахувати ізотерму адсорбції і розподіл розмірів пор для будь-якого пари або газу [9].
1.3.1 Визначення ізотерм адсорбції з хроматографічних даних
Основне рівняння теорії рівноважної хроматографії пов'язує лінійну швидкість u c переміщення вздовж колонки концентрації c речовини у газовій фазі з об'ємною швидкістю газового потоку w і c нахилом ізотерми розподілу dc a / dc:
, (10)
де v і v a - обсяги газової фази і адсорбційного шару відповідно на одиницю довжини колонки; c a - концентрація речовини в адсорбційному шарі.
а - лінійна ізотерма адсорбції, симетричний пік; б - ізотерма адсорбції, опукла до осі адсорбції, пік з гострою передній кордоном і розтягнутій задньої кордоном; в - ізотерма адсорбції опукла до осі концентрації, пік розтягнутій передньої кордоном і гострої задньої кордоном.
Рисунок 2 - Схематичне зображення ізотерм адсорбції (ліворуч) і відповідних їм хроматографічних піків та їх графічне інтегрування (праворуч)
Як видно з рівняння (10), швидкість переміщення газу вздовж колонки залежить від форми ізотерми розподілу. Якщо ізотерма лінійна (підпорядковується закону Генрі), то похідна dc a / dc постійна і все концентрації в газовій фазі пересуваються вздовж колонки з однією і тією ж швидкість. Хроматографічна полоса запишеться детектором у вигляді симетричного піку (рис 2а). При відхиленні ізотерми від закону Генрі величина похідної dc a / dc змінюється зі зміною концентрації c. Якщо ізотерма адсорбції звернена опуклістю до осі адсорбції (рис 2б) похідна dc a / dc зменшується при збільшенні концентрації c. Тоді, як випливає з рівняння (10), великі концентрації переміщуються з більшою швидкістю, ніж малі концентрації, що призводить до загострення передньої межі піку і до розтягування задньої кордону. Навпаки, якщо ізотерма адсорбції опукла до осі концентрацій (рис 2в), похідна dc a / dc із зростанням c збільшується. У цьому випадку малі концентрації будуть переміщатися з більшою швидкістю, що призведе до розтягування передньої межі піку і загострення задньої кордону.
У теорії рівноважної хроматографії передбачається дотримання умов, практично усуває дифузійне і кінетичне розмивання хроматографічної смуги. Тому форма хроматографічного піку визначається тільки рівноважної ізотермою адсорбції.
З рівняння (10) випливає наступна зв'язок між виправленим дзвінком об'ємом V R і ізотермою адсорбції:
(11)
де V a - об'єм адсорбційного шару в колонці. Звідси випливає що
. (12)
Переходячи від концентрації c a в обсязі поверхневого шару до величини адсорбції a, віднесеної до одиниці маси адсорбенту, отримуємо
(13)
де g - вага адсорбенту в колонці. Рівняння (13) дозволяє знайти величину a для різних значень c, тобто ізотерму адсорбції a = φ (c) або a = f (p), де p - парціальний тиск речовини в газі-носії.
Для чисельного розрахунку ізотерми в це рівняння необхідно ввести значення утримуваного обсягу V R і концентрації c, виражені через величини, записані на діаграмної стрічці у хроматографическом досвіді. Тому свідчення детектора треба висловити в одиницях концентрації. Для детектора по теплопровідності відхилення самописця h пропорційні c;
c = K * h, (14)
де K - постійна величина для даного адсорбата діапозона чутливості детектора. Величина K може бути визначена фронтальним методом з відхилень пера самописця при різних концентраціях c адсорбата в газі-носії. Цей метод цілком надійний, але вимагає отримання точно відомих концентрацій. Крім того, не всі хроматографи пристосовані для роботи фронтальним методом. Тому зручніше визначати K з проявительного хроматограм, вводячи в колонку точно відому масу адсорбата m.
Після виходу адсорбата з колонки
(15)
де v - об'єм протікає через колонку газу, а межі інтегрування відповідають початку v 1 і кінця v 2. Таким чином, враховуючи вирази (14)
(16)
Зазвичай на самописці дається не шкала v, а шкала довжини діаграмної стрічки l в напрямку її руху. Якщо швидкість руху діаграмної стрічки дорівнює q, а об'ємна швидкість газу носія при температурі колонки - w, то
(17)
Підставляючи цей вираз в рівняння (16), отримуємо
(18)
де (19)
представляє площа під всією кривою проявительного хроматограми адсорбата, тобто площа піку. Таким чином, калібрувальна константа детектора дорівнює
(20)
Для визначення K в колонку вводять каліброваним мікро шприца різні проби адсорбата, вимірюють площі піків і будують графіки залежності S піку w від mq. Нахил цієї кривої дає константу детектора K. Визначення K слід проводити при тій же температурі, при якій вимірюється ізотерма адсорбції. Об'ємну швидкість газу-носія треба привести до температури і середньому тиску в колонці.
Для визначення величини адсорбції a в формулу (13) підставляють вираження dc = Kdh і V R = w (t c - t 0) = w (l h - l 0) / q, де t c - час утримування адсорбата при його концентрації c в газовій фазі; t 0 - час утримування не адсорбується компонента; (l h - l 0) - відстань на діаграмної стрічці самописця від моменту виходу газу-носія до моменту виходу газу з концентрацією адсорбата c (тобто до відповідного відхилення пера самописця h). Звідси випливає що,
. (21)
Тут (22)
представляє площу на діаграмної стрічці самописця між віссю h при l = l 0 і розтягнутим краєм піку адсорбата. На рис. 2 показані приклади визначення цієї площі для трьох типів піків: симетричних (а), з розтягнутим заднім краєм (б) і з розтягнутим переднім краєм (в). Заштрихована площа S АДС, що виражає інтеграл.
Якщо на ізотермі адсорбції є точки перегину, то проявительного хроматограми мають складну форму. Підставляючи вираз (20) для K в формулу (21), отримуємо
(23)
Величина концентрації адсорбату в газі, рівноважна величиною адсорбції a, становить
(24)
а його парціальний тиск -
(25)
Формули (23) і (25) використовують для визначення величин a і p з записаної на діаграмної стрічці самописця хроматограми в тих випадках, коли не проводилася окрема калібрування детектора [4, 7, 9].
1.4 Способи одержання адсорбентів
Сучасне світове виробництво пористих вуглецевих матеріалів наближається до одного мільйону тонн на рік. На даний момент перспективним напрямком є отримання сорбентів з різних відходів деревопереробки і не деревного рослинної сировини. Таке використання відходів різних виробництв дозволяє одночасно вирішувати екологічну проблему їх утилізації та розширити перелік сорбентів, придатних для використання в різних областях. В даний час з деревини виробляють близько 36% вуглецевих сорбентів, з кам'яного вугілля - 28, з бурого вугілля - 14, з торфу - 10, з шкаралупи кокосових горіхів - близько 10%.
Масштаб використання сорбентів для вирішення екологічних завдань лімітується їхньою вартістю. Залучення дешевих сировинних джерел і розробка ефективних технологічних рішень їх переробки дозволяє істотно знизити вартість товарного продукту.
Найважливішим сировиною для отримання активного вугілля є деревина (у вигляді тирси), деревне вугілля, торф, торф'яної кокс, деякі кам'яні й бурі вугілля, а також напівкокс бурого вугілля.
Мелкоізмельченного деревні відходи, карбонізіруют в обертових печах або апаратах з рухомими шарами. Кускові і гранульовані вугілля, а так само пресовані вироби з древесноугольного пилу і сполучного, активуються в шахтних і обертових печах водяною парою або діоксидом вуглецю при 800-1000 0 С. У процесі активації зростають обсяг пір, питома поверхня сорбенту, змінюється співвідношення між обсягами мікро-, мезо-та макропор. Швидкість газифікації поверхневого вуглецю в процесі активації залежить від ступеня структурної впорядкованості вуглецевого матеріалу. Найбільш легко і швидко газифікується вуглець в разупорядкований областях вуглецевої поверхні. Приготовлені зі сполучною формованні вугілля необхідно термообрабативать перед активуванням при температурі близько 500 0 С; сполучна в цих випадках частково карбонізуется. Якість активного вугілля залежить від властивостей вихідного матеріалу містять вуглець і від режиму активування. Характеристикою ступеня активування вугілля є обгар, тобто відсоток згорілого вугілля по відношенню до вихідного його кількості. Активні деревне вугілля відрізняються високим ступенем чистоти і тонкопористих [1, 6].
Кількість і розмір утворюються пір визначаються природою сировини та режимними параметрами процесу термічної обробки. Важливе значення має швидкість нагріву сировини. Загальний обсяг часу, а також кількість великих пір (макропор) значно зростають зі зростанням швидкості нагріву сировини. Повільні швидкості нагріву реалізуються в технологіях піролізу в реакторах з нерухомим шаром сировини. Більш продуктивні технології піролізу засновані на використанні подрібненої сировини і реакторів з так званим псевдозрідженим або киплячим шаром: захоплюються потоком газу дрібні частинки сировини як би знаходяться в киплячому стані. Перевагою реакторів з киплячим шаром є висока швидкість масо-і теплопереносу, що забезпечує підвищену інтенсивність процесу піролізу в порівнянні з технологіями піролізу в нерухомому шарі сировини. Обсяг пір і розподіл пор по радіусах можна регулювати також шляхом зміни тривалості процесу піролізу. В реакторах з псевдозрідженим шаром тривалість перебування частинок подрібненої сировини в зоні піролізу становить від десятих часток секунди до декількох хвилин.
Також важливим адсорбентом на сьогоднішній день є силікагель. Це один з найперших мінеральних синтетичних сорбентів, які знайшли широке застосування в промисловості. Силікагель не втратив свого промислового значення, незважаючи на те, що в останні роки бурхливо розвиваються адсорбційні процеси з використанням унікальних кристалічних сорбентів - цеолітів.
Технічний силікагель отримують наступним чином: шляхом взаємодії розчину силікату натрію або калію (рідке скло) з соляною або сірчаною кислотою отримують гель, який висушують, а потім розламують на шматки, промивають водою, знову сушать, подрібнюють, фракционируют і прожарюють до повного видалення вологи. Товарний силікагель випускають у вигляді зерен або кулястих гранул. Різні марки силікагелів мають середній ефективний діаметр пор 20-150 Å і питому поверхню 100-1000 м 2 / г [3, 8].
І слід зазначити, що сучасні підходи до вивчення структурно-сорбційних властивостей дозволяє прогнозувати відповідність структури пористих матеріалів завдань їх застосування і теоретично обгрунтувати закономірності адсорбції різних речовин.
1.5 Застосування адсорбентів для адсорбції газів і парів
Пористі вуглецеві матеріали людство використовує протягом багатьох століть. Наприклад, про лікувальні властивості активованого вугілля знали ще древні єгиптяни, а також основоположник античної медицини Гіппократ.
Сучасна медицина широко застосовує спеціальні вугілля для вилучення токсичних речовин із крові (гемосорбція), лімфи, плазми для підвищення імунітету, для консервування крові, при інфекційних захворюваннях шлунково-кишкового тракту [2, 7].
У XVIII столітті була відкрита здатність деревного вугілля очищати різні рідини і поглинати деякі гази. До початку XX століття вуглецеві сорбенти застосовували переважно в харчовій промисловості та виноробстві для очищення рідин. Необхідність знешкодження бойових отруйних речовин, що виникла в ході першої світової війни, стимулювала розвиток робіт з очищення газів. Розроблений російським вченим Н.Д. Зелінським протигаз з активним вугіллям в якості сорбенту до цих пір є найкращим способом захисту від летючих отруйних речовин [1].
Для різних областей застосування потрібні вуглецеві сорбенти з певним набором характеристичних властивостей: певної пористою структурою, складом поверхневих функціональних груп, міцністю, ступенем чистоти та ін Так наприклад, карбонізація деревної кори і наступне активування вуглекислим газом дозволяє отримати дешевий активне вугілля, який застосовується для знебарвлення стоків паперового виробництва [6-8].
Важливою проблемою, при зберіганні вуглеводнів є придушення викидів. Для цього використовують резервуар з плаваючою кришкою, взаємопов'язані газгольдери, а також системи уловлювання парів при тиску. При тиску понад 76 кПа використовують тільки системи уловлювання парів. Забруднювач може бути витягнутий і підданий концентрування в якості продукту або для отримання тепла в технологічних процесах. Для уловлювання парів вуглеводнів хімічної промисловості застосовують активні вугілля АГ (к / у пил + смола), СТК (торф), АРТ (торф + к / у пил).
Як правило, вартість вуглецевих сорбентів - це фактор, що лімітує їх великомасштабного використання. Для очищення газових викидів і промстоків доцільно використовувати досить дешеві сорбенти, що отримуються з доступного, недорогого сировини або відходів виробництва. Такі сорбенти можна використовувати як матеріали одноразового застосування. [5]
Вибір сорту вугілля залежить від характеру проведеного процесу. Залежно від галузі застосування активні вугілля ділять на такі групи:
1.Углі для поглинання газів і парів.
а) рекупераціонного вугілля, що застосовуються для поглинання парів органічних речовин з повітря або з інших газів.
б) газові вугілля, що застосовуються в промисловості, а так само в протигазах і газосховищах для поглинання газів і парів повітря;
в) каталізують, або контактні, вугілля застосовуються як каталізатори хімічних реакцій.
2. Вугілля для поглинання речовин з розчинів.
а) знебарвлюючі вугілля, що застосовуються для знебарвлення та очищення різних рідин;
б) медичні вугілля, що застосовуються всередину для адсорбції газів, отрут.
Мабуть важливий дефект активного вугілля - це його горючість. Нагрівати активне вугілля в повітряному середовищі допускається лише до 200 0 С. При більш високих температурах він може спалахнути. Зважаючи цієї особливості при роботі з ним потрібно обережність, особливо якщо є вугільна пил, який при високих температурах здатна вибухати. Щоб зробити вугілля менше пальним, до нього підмішують силікагель. Отримана суміш називається сілікакарбоном. Зміст SiO 2 в сілікарбоне настільки незначно (звичайно від 4 до 5%), що не може вплинути на властивості вугілля.
Так само як і вугілля, силікагель знайшов широке технічне застосування. Його використовують як адсорбент при поглинанні і поділі парів органічних речовин і газів, при поглинанні вологи, осушування газів, в протигазової справі, як поглинач речовин, погано сорбіруємості активним вугіллям. У порівнянні з вугіллям силікагель механічно більш готується, і має великий термін служби [6, 8, 9].
Можна констатувати, що області застосування пористих матеріалів постійно розширюються як за рахунок залучення нових, більш дешевих джерел, так і за рахунок підвищення якості сорбіруємості матеріалів. Це дозволяє замінювати традиційно використовуються промислові адсорбенти без зниження ефективності процесів очищення.
Висновок
У ході виконання курсової роботи було вивчено велику кількість літературного матеріалу по ізотермам адсорбції парів пористих вуглецевих матеріалів, отриманих з різного вуглець сировини. Так само визначили найбільш ефективний поглинач по відношенню до решти сорбентам, і оцінили адсорбційну здатність сорбентів стосовно парам летючих вуглеводнів.
Список літератури
Кузнєцов, Б.Н. Синтез і застосування вуглецевих сорбентів / Б. Н. Кузнецов, М.Л. Щипки, В.Є. Тарабанько / / Соросівський освітній журнал, 1999. - № 12. - С. 29-34.
Тайц, Е.М. Окускованное паливо і адсорбенти на основі бурого вугілля / О.М. Тайц, І.А. Андрєєва, Л. І. Антонова. - М.: Недра, 1985. - 160 с.
Фенелон, В.Б. Пористий вуглець / В.Б. Фенелоном. - Новосибірськ.: Хімія, 1995. -513 С.
Рощина, Т.М. Адсорбційні явища і поверхня / Т.М. Рощина, В. П. Передовий, Ф.Л. Ковш / / Соросівський освітній журнал. 1998. - № 2. - С. 89-94.
Серпіонова, Е.Н. Промислова адсорбція газів і парів / О.М. Серпіонова. - М.: Вища школа, 1969. -416 С.
Грег, С. Адсорбція, питома поверхня, пористість / С. Грег, К. Сінг. - М.: Мир, 1984. - 306 с.
Нікітіна, Ю.С. Експериментальні методи в адсорбції та молекулярної хроматографії / Ю. С. Нікітіна. - М.: МГУ, 1990. - 318 с.
Кузнєцов, Б.Н. Нові підходи в переробці твердого органічного сировини / Б.М. Кузнєцов, М.Л. Щипка, С.А. Кузнєцова / / Журнал органічної хімії. - 1991. -Т.36. № 3. -С.171-186.
Кинхле, Х. Активные угли и их промышленное применение / Х. Кинхле, Э. Бадер . – Л.: Химия, 1984. –216 с.