Получение высокопористого углеродного материала с применением термохимической конверсии древесной биомассы под давлением

Представлен метод получения активированных углей (высокопористых углеродных материалов) на базе растительного (древесного) сырья с использованием разработанной и изготовленной экспериментальной установки, состоящей из парогенератора, пароперегревателя, камеры пиролиза и активации и охладителя с теплообменником с принудительной конвекцией. Проведен анализ особенности химической и физической активации древесного угля, получаемого путем пиролиза древесного сырья, и сделан вывод о преимуществе физической активации на основе применения водяного пара в качестве активирующего агента. Дано описание результатов экспериментальных исследований, выполненных с использованием разработанной установки. Эти результаты подтверждают выводы других исследований о том, что избыточное давление повышает массовый выход твердых продуктов, образующихся в процессе термохимической конверсии растительной биомассы. Установлено, что повышение давления, при котором осуществляется пиролиз, приводит к росту содержания углерода в древесном угле. Так, при повышении давления, при котором осуществлялся пиролиз, от 1 до 8 атм содержание углерода в древесном угле возрастало от 88,3 до 93,7 мас.%. Представлены данные по эффективности физической активации твердых продуктов пиролиза древесной биомассы с использованием водяного пара и сделан вывод о перспективности данного направления при разработке основ производства высокопористых углеродных материалов.

1. Новый справочник химика и технолога. Сырье и продукты промышленности органических и неорганических веществ / С. Н. Васильев [и др.]. – СПб.: НПО «Профессионал», 2005. – Ч. 2. – 1144 с

2. Обзор рынка активированного (активного) угля в СНГ / Объединение независимых экспертов в области минеральных ресурсов, металлургии и химической промышленности. – М., 2019. – 193 с.

3. Activated Carbon, Biochar and Charcoal: Linkages and Synergies across Pyrogenic Carbon’s ABCs / N. Hagemann [et al.] // Water. – 2018. – Vol. 10, iss. 2. – P. 182. https://doi.org/10.3390/w10020182

4. Молекулярная биология бактерий, взаимодействующих с растениями / под ред. Г. Спайнк, А. Кондороши, П. Хукас. – СПб.: ООО «ИПК “БИОНТ”», 2002. – 567 с.

5. Smišek, M. Active Carbon, Manufacture, Properties and Applications / M. Smišek, S. Cerný. – Amsterdam ; London ; New York: Elsevier Publ. Co., 1970. – VII, 479 p. https://doi.org/10.1002/ange.19710830820

6. Marsh, H. Activated Carbon / H. Marsh, F. R. Reinoso. – Amsterdam: Elsevier, 2006. – 554 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-044463-5.X5013-4

7. Daud, W. M. A. W. Textural characteristics, surface chemistry and oxidation of activated carbon / W. M. A. W. Daud, A. H. Houshamnd, // J. Nat. Gas Chem. – 2010. – Vol. 19, iss. 3. – P. 267–279. https://doi.org/10.1016/S1003-9953(09)60066-9

8. Effect of steam and carbon dioxide activation in the micropore size distribution of activated carbon / M. Molina-Sabio [et al.] // Carbon. – 1996. – Vol. 34, № 4. – P. 505–509. https://doi.org/10.1016/0008-6223(96)00006-1

9. The role of biochar porosity and surface functionality in augmenting hydrologic properties of a sandy soil / W. Suliman [et al.] // Sci. Total Environ. – 2017. – Vol. 574. – P. 139–147. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.09.025

10. Xiao, F. Effects of post-pyrolysis air oxidation of biomass chars on adsorption of neutral and ionizable compounds / F. Xiao, J. J. Pignatello // Environ. Sci. Technol. – 2016. – Vol. 50, iss. 12. – P 6276–6283. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b00362

11. Campo, B. G. del. Production of activated carbon from fast pyrolysis biochar and the detoxification of pyrolytic sugars for ethanol fermentation [Electronic resource] / B. G. del Campo // Graduate Thesesand Dissertations. 14691. – 2015. – Mode of access: https://lib.dr.iastate.edu/etd/14691 – Date of access: 12.02.2019.

12. Исследование процесса получения древесного угля путем пиролиза под давлением / С. В. Василевич [и др.] // Весці Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. – 2017. – № 3. – С. 64–71.

13. Расчетное исследование выхода твердых продуктов пиролиза древесины при повышенном давлении / С. В. Василевич [и др.] // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. – 2020. – Т. 63, № 3. – С. 253–263.