Углеродные материалы на основе карбонизованной рисовой шелухи

Углеродные материалы на основе карбонизованной рисовой шелухи

Была изучена способность материалов на основе карбонизованной рисовой шелухи извлекать из воды ионы токсичных элементов – меди и кадмия в зависимости от температуры карбонизации и времени сорбции. Исследование проводилось в статических условиях. Полученный карбонизованный образец в количестве 0,5 г помещался в стакан, содержащий 50 см3 раствора со следующей концентрацией соли металла: медь – 5 мкг/см3, кадмий – 0,1 мкг/см3. По истечении фиксированного периода времени определяли остаточное содержание иона металла в воде методом атомно-адсорбционной спектроскопии. Далее по разнице исходной и полученной концентрации находили степень сорбции. Результаты сорбции меди и кадмия представлены в таблицах 10, 11. 

 

Таблица 10 - Зависимость степени поглощения ионов двухвалентной меди из раствора в зависимости от температуры карбонизации сорбента и времени контакта с раствором 

 

РШ-400 (Сисх =4,51 мкг/см3)
m, г	t, мин	Концентрация, мкг/см3	% поглощения
1,0071		1,69	64,2
1,0041		1,61	69,6
1,0069		1,47	75,7
1,0101		1,1	79,1
1,0034		0,8	80,3
РШ-450 (Сисх =4,8 мкг/см3)
m, г	t, мин	Концентрация, мкг/см3	% поглощения
1,0028		1,49	62,5
1,0049		1,13	64,3
1,0072		0,844	67,4
1,0075		0,8	75,6
1,0041		0,8	82,3
РШ-500 (Сисх =4,8 мкг/см3)
m, г	t, мин	Концентрация, мкг/см3	% поглощения
1,0063		1,1
1,0128		0,662	76,5
1,0047		0,602	82,4
1,0029		0,556	83,3
1,0057		0,553	83,3
РШ-550 (Сисх =5,1 мкг/см3)
m, г	t, мин	Концентрация, мкг/см3	% поглощения
1,0075		1,828	77,1
1,0041		1,552	86,2
1,0032		1,241	87,5
1,0078		1,069	88,4
1,0135		1,003	88,5
РШ-600(Сисх =5,1 мкг/см3)
m, г	t, мин	Концентрация, мкг/см3	% поглощения
1,0013		0,223	95,6
1,0022		0,145	97,2

Продолжение таблицы 10 

 

1,0043		0,115	97,7
1,0065		0,068	98,6
1,0079		0,065	98,7
РШ-650 (Сисх =5,1 мкг/см3)
m, г	t, мин	Концентрация, мкг/см3	% поглощения
1,0023		0,077	97,5
1,0048		0,067	98,8
1,0046		0,029	99,5
1,0015		0,029	99,6
1,0033		0,027	99,8
РШ-700 (Сисх =4,81 мкг/см3)
m, г	t, мин	Концентрация, мкг/см3	% поглощения
1,0069		0,046
1,0045		0,043	99,1
1,006		0,024	99,5
1,0025		0,022	99,5
1,0067		0,019	99.6
РШ-750 (Сисх =4,81 мкг/см3)
m, г	t, мин	Концентрация мкг/см3	% поглощения
1,0076		0,118	98,5
1,0008		0,06	98,7
1,0023		0,022	99,4
1,0031		0,019	99,4
1,006		0,01	99,5
РШ-800 (Сисх =4,81 мкг/см3)
m, г	t, мин	Концентрация, мкг/см3	% поглощения
1,0014		0,59	87,7
1,0048		0,13	97,3
0,9986		0,096
1,0036		0,068	98,6
0,9993		0,051	98,9

 

 

 
 

Таблица 11 - Зависимость степени поглощения ионов двухвалентного кадмия из раствора от температуры карбонизации сорбента и времени контакта 

 

РШ-400 (Сисх = 0,1 мкг/см3)
t, мин	Конечная концентрация, мкг/см3	% поглощения
	0,0355	64,5
	0,0291	70,9

Продолжение таблицы 11 

 

	0,0228	77,2
	0,0179	82,1
	0,0176	82,4
РШ-450 (Сисх =0,1 мкг/см3)
t, мин	Конечная концентрация, мкг/см3	% поглощения
	0,025	75,0
	0,0233	76,7
	0,0169	83,1
	0,0151	84,9
	0,0146	85,4
РШ-500 (Сисх = 0,1 мкг/см3)
t, мин	Конечная концентрация, мкг/см3	% поглощения
	0,0326	67,4
	0,0224	77,6
	0,015	85,0
	0,0152	84,8
	0,0117	88,3
РШ-550 (Сисх = 0,1 мкг/см3)
t, мин	Конечная концентрация, мкг/см3	% поглощения
	0,0411	58,9
	0,0273	72,7
	0,0117	88,3
	0,0073	92,7
	0,0039	96,1
РШ-600(Сисх =0,1 мкг/см3)
t, мин	Конечная концентрация, мкг/см3	% поглощения
	0,0275	72,5
	0,0256	74,4
	0,0158	84,2
	0,0121	87,9
	0,0076	92,4
РШ-650 (Сисх =0,1 мкг/см3)
t, мин	Конечная концентрация, мкг/см3	% поглощения
	0,0062	93,8
	0,0021	97,9
	0,0019	98,1
	0,0023	97,7
	0,0018	98,2
РШ-700 (Сисх =0,1 мкг/см3)

Продолжение таблицы 11 

 

t, мин	Конечная концентрация, мкг/см3	% поглощения
	0,0071	92,9
	0,0064	93,6
	0,0039	96,1
	0,0028	97,2
	0,0014	98,6
РШ-750 (Сисх =0,1 мкг/см3)
t, мин	Конечная концентрация, мкг/см3	% поглощения
	0,0018	98,2
	0,0017	98,3
	0,0015	98,5
	0,0016	98,4
	0,0015	98,5
РШ-800 (Сисх =0,1 мкг/см3)
t, мин	Конечная концентрация, мкг/мл	% поглощения
	0,0155	84,5
	0,0059	94,1
	0,0069	95,1
	0,0035	96,5
	0,0029	97,1

 

 

 

 

Температура карбонизации: 400 (1), 450 (2), 500 (3); 550 (4), 600 (5), 650 (6); 700 (7), 750 (8), 800 ºС (9) 

 

Рисунок 25 - Влияние продолжительности сорбции на степень поглощения ионов меди образцами карбонизованной РШ

Если представить результаты сорбции в графическом виде, то отчетливо видно, что большая часть ионов меди (рис. 25) сорбируется в первые 5 минут. Также четко просматривается влияние температуры карбонизации. Так, например, образцы, синтезированные при температурах ниже 600 ºС, обладают относительно низкой поглотительной способностью. Если же использовать совокупность всех вышеперечисленных факторов, то наиболее перспективным является углеродный материал, полученный при 650 ºС и времени процесса 60 минут. 

 

 

 

Температура карбонизации: 400 (1), 450 (2), 500 (3); 550 (4), 600 (5), 650 (6); 700 (7), 750 (8), 800 ºС (9) 

 

Рисунок 26 - Влияние продолжительности сорбции на степень поглощения ионов кадмия образцами карбонизованной РШ 

 

На рисунке 26 показана зависимость степени извлечения ионов кадмия от времени сорбции для рисовой шелухи, карбонизованной при различных температурах. Так же, как и в случае с сорбцией меди, наблюдается определённая пороговая температура, ниже которой сорбция проходит менее эффективно. В данном случае - это образцы, карбонизованные при температурах ниже 650 ºС. При анализе всех образцов можно отметить, что наиболее эффективным является РШ-750 при длительности сорбции 30 минут.

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что наноструктурированные углеродные материалы на основе РШ проявляют высокие сорбционные свойства, по отношению к ионам кадмия и меди. Известно, что процессы, протекающие на поверхности модифицированного сорбента при взаимодействии с ионами токсичных металлов, извлекаемых из водных растворов, характеризуются несколькими видами взаимодействий: сорбционными, ионообменными и комплексообразующими. Все виды взаимодействий имеют обратимый характер, что дает возможность многократно применять эти сорбенты.

Изобретение относится к области получения активного угля с повышенными показателями адсорбционной емкости при очистке водных сред от органических кислот, альдегидов и кетонов. Способ получения активного угля из косточек плодов и скорлупы орехов включает дробление сырья, карбонизацию в потоке диоксида углерода в интервале температур 400 - 750oС при соотношении косточки и газа 1 : 100 - 120, охлаждение карбонизата до 20 - 50oC и повторную карбонизацию при 750 - 900oC со скоростью нагрева 2 - 7 град/мин, парогазовую активацию и рассев готового продукта. Способ позволяет значительно повысить выход годного угля, до 48%, а а также объем микропор с преобладающим радиусом 0,5 - 0,7 нм, что делает перспективным его использование при поглощении уксусной кислоты, ацетона и других органических примесей.

Изобретение относится к технологии получения активного угля на основе косточек плодов и скорлупы орехов и может быть использовано для очистки водных сред питьевой воды, ликеро-водочных изделий и др., в медицине, а также для поглощения газов и паров.

Известен способ получения активного угля из скорлупы кокосовых орехов и плодов масличной пальмы путем карбонизации в вакууме при остаточном давлении менее 1 мм рт.ст., последующей активации и рассеве (заявка Великобритании N 2086867, опубл. 19 мая 1982, кл. C 01 B 31/08).

Недостатком известного способа является значительная сложность технологического процесса и аппаратуры, низкий выход углеродного остатка, узкий спектр пористой структуры получаемых углей.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения активного угля из скорлупы орехов, шелухи хлопковых семян, рисовой шелухи, включающий дробление, карбонизацию при 400-750oC, рассев и активацию при 900-1100oC без охлаждения карбонизата (патент Великобритании N 1233784, опубл. 05.05.1971. кл. C 1 A: C 01 B 31/10).

Недостатком прототипа является не возможность получения активных углей с высокой адсорбционной емкостью по отношению к таким примесям в водных растворах, как органические кислоты (например, уксусная кислота) и альдегиды или кетоны (например, ацетон).

Другим недостатком является низкий выход угля, сильное пылевыделение, плохая воспроизводимость качественных характеристик, обусловленная низкой плотностью карбонизата.