СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ВОЛОКНИСТОГО АДСОРБЕНТА

Предложение относится к области получения углеродного адсорбента, синтезированного путем карбонизации волокнистого прекурсора на основе композита гидролизный лигнин-полиакрилонитрил в качестве исходного материала для поглощения антропогенных отходов производства химической, деревоперерабатывающей промышленности и сельского хозяйства.

В настоящее время известны методы получения углеродных адсорбентов на основе гидролизного лигнина и его смесей с некоторыми органическими соединениями. Наиболее близким по сущности является способ получения волокнистого сорбента на основе щелочного гидролизного лигнина и полиэтиленоксида (Т.Н. Шендрик, В.В. Симонова, В.А. Кучеренко, Л.В. Пащенко, Т.В. Хабарова // Хим. тв. топлива. 2007, №1, с. 44-50).

Существенными и очевидными недостатками указанного прототипа являются следующие: отсутствие процесса карбонизации волокнообразующих композитов, полученных из смеси гидролизного лигнина; способ основан на использовании механической смеси гидролизного лигнина с синтетическими полимерами, что нарушает гомогенность реакционной массы и приводит к расслоению различных полимерных фаз по мере увеличения содержания лигнина в формовочной массе исходной смеси. Применение токсичных растворителей (разбавителей) при приготовлении исходной смеси резко ограничивает экологическую и технологическую безопасность процесса получения смесевых волокон и недопустимы в производстве биогенной продукции. Этот способ получения композитных волокон не ориентирован на производство адсорбентов в виду повышенной токсичности летучих продуктов при проведении карбонизации композитных прекурсоров. При этом процесс карбонизации по прототипу усложнен ввиду использования нагрева композиции, требующего дополнительной вытяжки (вентиляции) и дезактивации парогазовых выделений в ходе нагревания исходных материалов. Недостатки, относящиеся к упомянутому выше прототипу, связаны со следующими важнейшими прикладными направлениями: содержание в композитном волокне лигнина ограничено пределом 45%. В прототипе технологическая схема использования лигнина опирается на органические токсичные растворители, недопустимые для работы с биогенной продукцией, нацеленной на биоочистку объемных и поверхностных вод. Предлагаемый в прототипе способ формования волокон основан на использовании экстрактов сточных вод, загрязненных множественными антропогенными отходами, при очистке которых требуется усложненная многоступенчатая технология.

Технической задачей и положительным результатом заявляемого способа является получение углеродных адсорбентов путем активационной карбонизации волокнистых прекурсоров на основе гидролизного лигнина и полиакрилонитрила с высоким содержанием гидролизного лигнина в виде сополимера с полиакрилонитрилом, полученного способом «мокрого» формования из раствора диметилсульфоксида. Это позволяет получать адсорбенты на основе отходов деревоперерабатывающего производства в относительно больших количествах (до 80%), которые благодаря наличию в композите полиакрилонитрила обеспечивают получение формостойких волокон, обладающих повышенной термостойкостью и прочностью. Отсутствие вредных растворителей обеспечивают экологическую безопасность сорбентов и позволяет обеспечить 80-процентное использование, что резко повышает количество утилизируемого отхода производства. Предложенный способ утилизации лигнина относится к техническому неочищенному продукту, содержащему вредные примеси, ликвидация которых приводит к положительному техногенному эффекту, так как способ основан на использовании воды и диметилсульфоксида, пригодных для фармацевтических производств. При этом очистка лигнина осуществляется многократно в одной промывке без использования специальных приспособлений и экстрагентов. А при карбонизации волокон в качестве активатора процесса используется водяной пар.

Указанная задача и технический результат достигается в способе получения композиционного волокнистого адсорбента путем проведения активационной карбонизации композитного волокна гидролизный лигнин-полиакрилонитрил при соотношении исходных компонентов от 80:20 до 50:50 по массе. Процесс карбонизации предусматривает нагрев волокон в инертной атмосфере (азот) с постоянной скоростью 15 град·мин^-1 до температуры 800°С с последующим охлаждением карбонизованных волокон до комнатной температуры в атмосфере азота со скоростью тока газа 50 см³·мин^-1.

Активация композитных волокон на стадии карбонизации предусматривает комплексное воздействие высоких температур и химических агентов для обеспечения требуемой полидисперсности адсорбентов и выбора необходимого размера пор и их количества, исчисляемого величинами удельной поверхности и удельного объема поглощаемого адсорбента. Требуемые показатели достигаются путем варьирования продолжительностью и температурой нагрева композитных волокнистых прекурсоров и их активацией регулируемым количеством водяного пара, подаваемого в пиролитический реактор в процессе карбонизации волокнистого композита.

Более полно способ излагается на следующем примере.

500 мг измельченного волокна композита гидролизный лигнин-полиакрилонитрил с массовым соотношением 80:20 помещали в пиролитический кварцевый стакан со шлифом, соединенным с коммуникацией подачи азота и отводной трубкой с поглотительной системой. После продува током азота 50 см³·мин^-1 при комнатной температуре около 22°С включали обогрев пиролизера со скоростью подъема температуры 15 град·мин^-1. После достижения температуры 800°С образец прогревали при этой температуре в течение 0,5 час, выключали обогрев и охлаждали пиролизер до комнатной температуры, поддерживая ток азота на постоянном уровне. После остывания образец извлекали из пиролизера, определяли количество карбонизованного остатка, для которого проводили измерения адсорбционных характеристик: удельная поверхность (м²·г^-1) и сорбционная емкость (см³·г^-1), общий объем и распределение пор по метиленовому голубому, БЭТ, подвергали электронной микроскопии, определяли индексы термостойкости по ТГА и ДСК, прочности на разрыв, подвергали элементному анализу и ИК-спектроскопии.

Таким образом, разработанный способ позволяет получать адсорбенты на основе отходов деревообрабатывающего производства в относительно больших количествах (до 80%), которые благодаря наличию в композите полиакрилонитрила обеспечивают образование формостойких волокон, обладающих повышенной термостойкостью и прочностью. Отсутствие вредных растворителей повышает экологическую безопасность сорбентов.