Курилкин А.А., Скрыпкин К.И., Нистратов А.В.
МОДИФИЦИРОВАНИЕ СИЛИКАГЕЛЕЙ ПРОДУКТАМИ ПИРОЛИЗА РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ КАК СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ИХ СВОЙСТВ *
Аннотация:
силикагель является мезопористым материалом с высокой поверхностной активностью и способностью к адсорбции и широко применяется в различных областях. Однако ограничения его использования наряду с усовершенствованием его свойств могут быть преодолены путём введения новых углеродсодержащих компонентов, которые будут способствовать изменению его поверхности и функциональности, а также приданию гидрофобности с сохранением высоких механических показателей. Одним из потенциально перспективных методов модификации силикагеля является его пиролиз в присутствии органического сырья, например, древесных опилок или шелухи сельскохозяйственных культур.
Ключевые слова:
адсорбция, силикагели, модификация, древесное сырьё, лигнин
DOI 10.24412/2712-8849-2024-978-514-520
Силикагели представляют собой аморфные соединения, содержащие от 85 до 95 мас. % диоксида кремния (SiO2). Они состоят из коллоидных частиц размером от 10 до 100 нм. Силикагели имеют полупрозрачную или меловидную структуру и обычно имеют белый или желтоватый цвет, который может быть обусловлен наличием примесей. В сухом состоянии они хрупкие, практически не растворимы и не набухают в воде и органических растворителях.Технический силикагель обычно поставляется в виде гранул, шариков, кусочков, порошка или геля. Конкретная форма поставки зависит от намеченного применения и требуемых свойств силикагеля. Гранулы и шарики часто используются в процессах фильтрации и сорбции, так как они обладают хорошей проницаемостью для жидкостей и газов. Кусочки силикагеля могут использоваться для заполнения определённых пространств или создания фиксированных слоёв. На рис. 1 представлены модели глобулярных систем, составленных мелкими и крупными частицами с разной плотностью упаковки (числом касаний) [1].Рис. 1. Модели глобулярных систем силикагеля:а – мелкопористый (частицы упакованы с числом касаний 6),б – крупнопористый (частицы упакованы с числом касаний 3)Химическая формула силикагелей – xSiO2·nH2O. В свою очередь мелкопористый силикагель имеет формулу xSiO2·yAl2O3·nH2O, за счёт укрепляющей добавки Al2O3.Мелкопористый силикагель имеет маленькие поры, обычно с диаметром менее 2 нм. Это обеспечивает ему большую поверхностную активность и высокую адсорбционную способность. Мелкопористый силикагель широко используется в области химии, катализа, сорбции и различных процессов разделения.Силикагели нашли широкое применение в осушке воздуха, особенно в динамических условиях. Мелкопористый силикагель используется для достижения очень низкой точки росы воздуха, обычно в диапазоне от -70 до -60 °C. Одним из преимуществ использования силикагеля является низкая температура регенерации (в среднем, 150-200 °C). Для снижения энергозатрат на регенерацию осушителей в системах с глубокой осушкой воздуха силикагель можно использовать как предварительный осушитель, на котором будет задерживаться большая часть влаги, а глубокой осушки далее можно обиться с использованием цеолита. Таким образом, использование силикагеля как сорбента для осушки воздуха обладает преимуществами, так как он может быть регенерирован при более низкой температуре по сравнению с другими материалами, что в свою очередь позволяет снизить энергозатраты на процесс.Мелкопористые силикагели широко применяются для осушки и удаления примесей из различных сред. Их высокая поверхностная активность и способность эффективно взаимодействовать с молекулами влаги и другими загрязняющими веществами делают их идеальным выбором для таких процессов. Силикагель обладает высокой поглощающей способностью и может эффективно улавливать влагу, органические соединения, токсичные газы и другие примеси из окружающей среды. Благодаря своей мелкопористой структуре, силикагель обеспечивает большую площадь поверхности для адсорбции и обладает высокой скоростью диффузии, что способствует быстрой и эффективной очистке среды от влаги и загрязнений. Это делает мелкопористые силикагели незаменимыми материалами для промышленных процессов [2].Силикагель является сравнительно хрупким материалом, который может легко разрушаться при механическом воздействии. Это ограничивает его использование в некоторых областях, где требуется материал с высокой прочностью и стойкостью к физическим воздействиям. Ещё одним недостатком силикагелей является разрушение при длительном контакте с большим количеством влаги. Постепенное поглощение влаги может привести к разрушению структуры, что сокращает его срок службы. Поэтому необходимо принимать меры для предотвращения непреднамеренного попадания силикагеля в контакт с избыточной влагой и обеспечения его защиты в условиях высокой влажности. Это может потребовать дополнительных усилий и ресурсов для поддержания эффективности и долговечности силикагелевых материалов в различных сферах использования [3].С другой стороны, уже длительное время существует проблема утилизации растительных отходов и по сей день остаётся актуальной. Отходы древесины возникают главным образом в результате деятельности лесоперерабатывающих комбинатов. На пилорамах выделяется большое количество древесной стружки и щепок, которые могут полезны в производстве различных материалов и изделий. Кроме того, при обработке сельскохозяйственных культур (подсолнечник, злаковые, хлопок и др.) образуются огромные количества шелухи и других отходов [4, 5].Все перечисленные отходы могут применяться на различных производствах, что позволят снизить экологическую нагрузку на окружающую среду. К сожалению, большинство растительных отходов захоранивается и не используется повторно.Состав древесных отходов можно представить таким:45 % целлюлозы15-35 % лигнина14-20 % гемицеллюлозыоколо 15 % жиров и белковВ древесине содержится до 50 % углерода. Но ввиду низкого содержания азота (до 0,3 %) использование древесных отходов в сельскохозяйственном секторе в роли удобрения не является эффективным [6].Кроме целлюлозы, в тканях растений присутствует лигнин. Он является органическим полимером, образующимся в растениях в процессе линейной полимеризации фенольных соединений. Химический состав и структура лигнина могут различаться в зависимости от типа растения.Лигнин является важным компонентом растительной клеточной стенки и выполняет несколько функций. Он придаёт прочность и жёсткость растительным тканям, обеспечивает поддержку и защиту растений. Кроме того, лигнин играет роль в транспорте воды и питательных веществ, участвует в регуляции роста и развития растений.Лигнин также имеет большое значение в промышленности, где он используется в производстве бумаги, древесных материалов, топлива и других продуктов. Его химические свойства позволяют использовать лигнин в качестве природного полимера для создания различных материалов и соединений [6].Поэтому представляется переработка растительного сырья для извлечения целлюлозы, лигнина и других соединений. Они могут использоваться как в исходной форме, так и после химической обработки в различных областях народного хозяйства.С точки зрения решения проблем водо- и газоочистки, перспективной представляется переработка растительных остатков в углеродные адсорбенты. На кафедре промышленной экологии разрабатываются технологии как непосредственного получения активных углей из растительного сырья, так и «корректировки» недостатков неорганических сорбентов. Так, введение углерода из растительных и древесных отходов позволит гидрофобизировать поверхность силикагелей и повысить селективность поглощения других целевых компонентов (загрязняющих веществ) по отношению к молекулам воды. К тому же перспективным является и одновременное улучшение механической прочности силикагелей, расширение температурного диапазона их применения.Однако для достижения поставленной цели необходимо проводить исследования режима получения углеродного материала из древесного сырья. И одной из ключевых стадий является термообработка сырья (пиролиз). Регулируя температуру процесса, скорость её подъёма, время выдержки, можно получить высококачественные сорбенты с прекрасным выходом [7].Таким образом, практичность предлагаемого способа модификации силикагелей заключается в производстве адсорбента, имеющего свойства как самого силикагеля, так и компенсирующие его недостатки достоинства активного угля. При этом для этих целей годится растительное сырьё, что позволит, с одной стороны, снизить объёмы их отходов, а с другой – получить качественные адсорбенты.
Номер журнала Вестник науки №9 (78) том 4
Ссылка для цитирования:
Курилкин А.А., Скрыпкин К.И., Нистратов А.В. МОДИФИЦИРОВАНИЕ СИЛИКАГЕЛЕЙ ПРОДУКТАМИ ПИРОЛИЗА РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ КАК СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ИХ СВОЙСТВ // Вестник науки №9 (78) том 4. С. 514 - 520. 2024 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/17438 (дата обращения: 27.03.2025 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2024. 16+