Пиролиз как метод получения адсорбентов из отходов, экономические и экологические аспекты
Введение
Происходит постоянный, устойчивый рост объемов отходов, производимые человеком. Муниципальные твердые отходы (МТО) оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду и здоровье человека. Местным органам власти и частным компаниям становится все труднее определить новые возможности для их захоронения. Хотя захоронение отходов является наиболее распространенным методом, используемым для управления МТО, обработка МТО с использованием технологий «отходы в энергию» (WtE) представляет собой вариант, который вызывает все больший интерес. Пиролиз - это технология «отходы в энергию», которая способна превращать отходы в такие продукты, как биогаз, биомасло и биоуголь. Биоуголь, который варьируется по составу в зависимости от пиролизованного сырья, потенциально может быть использован в качестве топлива и в качестве материала для катализа или адсорбции. В процессе, связанном с пиролизом, энергия может быть получена более чистым способом, чем на обычных мусоросжигательных заводах МТО, так как образуется в процессах пиролиза меньшее оксидов азота (NOx) и диоксида серы (SO2). Как правило, пиролиз представляет собой процесс термического разложения отходов при полном отсутствии воздуха, в результате которого образуются продукты, пригодные для переработки, включая полукокс, масло/воск и горючие газы. Пиролиз использовался для производства древесного угля из биомассы на протяжении тысячелетий.
В прошлом году возрос интерес к использованию недорогих и доступных отходов в качестве прекурсоров углеродных материалов. Фактически, любой углеродистый материал с высоким содержанием углерода может быть использован в качестве сырья для приготовления активированных углей (AC). Это относится к твердым сельскохозяйственным отходам, таким как хлопковый стебель, табачный стебель, рисовая шелуха, пробка, бамбук, отработанный чай, скорлупа кокосового ореха, волокно пальмового масла, скорлупа дуриана, древесина, сизаль и многие другие,.
Рис является одной из основных сельскохозяйственных культур во многих регионах мира. Его сбор и переработка приводят к накоплению отходов рисовой шелухи в количестве миллионов тонн, что составляет 20% от общей массы сырья. В Южной Бразилии переработка риса является важным агропромышленным сектором, создавая большое количество рисовой шелухи (рисовой шелухи образуется в качестве сельскохозяйственных отходов около 2,5 млн. метрических тонн в год). Быстрый пиролиз является интересным вариантом для снижения воздействия на окружающую среду и повышения ценности рисовой шелухи. Производство AC из рисовой шелухи достигается посредством химической или физической активации.
Избыточные шины, которые относятся к категории твердых отходов, и во всем мире более трех миллионов шин выбрасывается каждый год и накапливается годами, является проблемой во всем мире. Связи с отсутствием экономически эффективной технологии для полного повторного использования материалов, утилизация используемых шин является проблемой большинства стран. Кроме того, утилизация шин также становится все более дорогой, и эта тенденция, вероятно, будет продолжаться по мере того, как пространство для захоронения становится все меньше. Гораздо лучшим решением является преобразование таких отработанных шин в ценные продукты путем деградации шин в газообразные или жидкие углеводороды и твердые остатки полукокса с экологической и экономической точек зрения. Отработанная шина была использована для синтеза активированного угля.
В данной работе рассмотрено…..
1 Углеродные адсорбенты
1.1 Разновидности углеродов и их структура
Углеродные материалы в основном состоят из элемента углерода. Из-за своей атомной структуры (1s2,2s2,2p2) этот элемент имеет уникальные возможности связи, как с другими элементами, так и с самим собой. В зависимости от типа гибридизации атомов углерода они могут связываться с другими атомами углерода, что приводит к трем основным аллотропным формам углерода:
• Алмаз представляет собой жесткую и изотропную 3D-структуру, в которой каждый атом углерода имеет четыре σ-связи с четырьмя другими соседними атомами углерода, которые образуют кубическую структуру (структура на основе sp3). Он имеет самую высокую атомную плотность среди любых твердых, а также является самым твердым материалом с самой высокой теплопроводностью и температурой плавления.
• Графит - это слоистая структура, в которой графитовы слои (одна графитовая плоскость) образованы атомами углерода, связанными σ- и π-связями с другими тремя соседними атомами углерода (структура на основе sp2). Графитовые плоскости имеют тенденцию демонстрировать параллельное выравнивание, которое поддерживается дисперсионными и ван-дер-вальсовыми силами. Это приводит к высокой степени анизотропии. Графит (в плоскости) обладает еще более высокой теплопроводностью, чем алмаз, и обладает хорошей электропроводностью.
• Фуллерены - это трехмерные углеродные структуры, в которых связи между атомами углерода согнуты, образуя пустую клетку из шестидесяти (C60) или более атомов углерода. Это возможно благодаря тому, что происходит повторная гибридизация, приводящая к форме sp2ε, которая является промежуточной между sp2 и sp3.
В атомном масштабе большинство углеродов проявляют аллотропную форму графита, то есть структуру на основе sp2, в то время как алмазоподобные угли, фуллерены и их производные, такие как нанотрубки, представляют более короткое разнообразие форм углерода.
Однако, в зависимости от степени кристаллографического порядка атомы углерода на основе аллотропной формы графита могут быть классифицированы на графитовые атомы углерода (которые имеют измеряемый кристаллографический порядок в этом направлении независимо от наличия структурных дефектов) и неграфитовые атомы углерода (без какого-либо измеримого кристаллографического порядка в направлении) углеродов. Неграфитные атомы углерода, в свою очередь, могут быть разделены на графитизируемые и неграфитизируемые атомы углерода.
Таким образом, графитизируемый углерод представляет собой «неграфитовый углерод, который после графитизации (термообработки) превращается в графитовый углерод», в то время как неграфитизируемый углерод представляет собой неграфитовый углерод, который не может быть преобразован в графитовый углерод при высокой температуре (обработка до 3300 К при атмосферном или более низком давлении).
Переходя от наномасштаба к микромасштабу, атомы углерода имеют очень разные структуры. Некоторые из этих микроструктур расположены в предпочтительных направлениях, таких как синтетический графит или графитированные углеродные волокна, в то время как неупорядоченные микроструктуры характерны для символов или активированных углей. Такое широкое разнообразие возможных структур приводит к образованию большого количества различных типов углерода.
Порошковые (размер частиц менее 100 · 10-6 м) и гранулированные (включая экструдированные и гранулированные) активированные угли являются типичными углеродными адсорбентами. Это неграфитовые, неграфитизируемые атомы углерода с сильно разупорядоченной микроструктурой. Другие формы углерода также используются в качестве адсорбентов, таких как активированные углеродные волокна, ткани и войлок, приготовленные из широкого спектра предшественников, включая уголь, нефтяной пек, вискозу или вискозу
Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы
. Кроме того, отслаивающийся графит также может быть использован для адсорбции тяжелых масел.
1.2 Исторические предпосылки создания активированных углей
Использование углерода простирается настолько далеко во времени, что его происхождение невозможно точно определить. До использования того, что мы сегодня называем активированным углем (который имеет высокоразвитую пористую структуру), в качестве адсорбента использовали древесный уголь, или угольный уголь, или просто частично удаленный летучий углеродный материал.
Первый зарегистрированный случай датируется 3750 г. до н.э., когда и египтяне, и шумеры использовали древесный уголь для восстановления медных, цинковых и оловянных руд при производстве бронзы, а также в качестве бездымного топлива. В 2650 году до н.э. египтяне использовали костяной клейм для росписи могилы Пернеба. Первое доказательство лекарственного использования углерода было найдено в Фивах (Греция) в документе на папирус с 1550 г. до н.э.
Позже, Гиппократ (около 400 г. до н.э.) рекомендовал перед употреблением отфильтровать воду с помощью древесного угля, чтобы устранить неприятный вкус и запах и предотвратить несколько заболеваний, включая эпилепсию, хлороз и сибирскую язву. Что касается обработки древней питьевой воды, недавние исследования показывают, что на финикийских судах питьевая вода хранилась в обугленных деревянных бочках с 450 г. до н.э., эта практика продолжалась до 18-го века как средство продления подачи питьевой воды в трансатлантических рейсах. Тем не менее, первое упомянутое применение активированных углей в качестве адсорбента в газовой фазе имело место лишь в 1793 году нашей эры, когда доктор Kehl применил woodchar, чтобы уменьшить запахи, исходящие от гангрены. Он рекомендовал фильтровать воду с помощью древесного угля.
Первое применение активированного угля в промышленном секторе произошло в Англии в 1794 году, когда его использовали в качестве обесцвечивающего агента в сахарной промышленности, это событие ознаменование начала исследований активированными углями в жидкой фазе.
Первый патент на термическую регенерацию активированного угля датируется 1817 годом, а непрерывный процесс производства и регенерации костного полукокса был разработан в Германии в 1841 году.
Первое крупномасштабное применение в газовой фазе имело место в середине 19-го века. В 1854 году мэр Лондона распорядился установить древесные угольные фильтры во все канализационные вентиляционные системы для удаления неприятных запахов, а в 1872 году противогазы с угольными фильтрами использовались в химической промышленности для предотвращения вдыхания паров ртути.
Термин «адсорбция» был впервые использован в 1881 году Кайзером для описания поглощения газов. Примерно в то же время активированный угольный материал, как известно в настоящее время, был открыт R. von Ostrejko, который считается изобретателем активированного угля.
В 1901 году он запатентовал два различных метода получения активированных углей:
• Карбонизация лигноцеллюлозных материалов хлоридами металлов (основа химической активации).
• Мягкая газификация паром или углекислым газом при красных температурах (термическая или физическая активация).
Первый промышленный химически активированный уголь (карборафин) был произведен в Ауссиге (Чешская Республика) в 1914 году с использованием опилок в качестве сырья и ZnCl2 в качестве активирующего агента.
Первая мировая война стимулировала развитие как производства, так и применения активированных углей. Использование ядовитых газов немецкой армией против французов, англичан и русских на разных фронтах создало серьезную проблему для союзников, и, как следствие, возникла острая необходимость в разработке противогазов. Николай Зелинский, профессор Московского университета, первым предложил упаковывать активированные угли в канистру, прикрепленную к противогазу. Чуть позже в США была проведена интенсивная исследовательская программа по разработке гранулированных активированных углей на основе скорлупы кокосового ореха, которые могли быть упакованы в канистру, с двойной целью удаления ядовитого газа и обеспечения низкого падения давления.
Без сомнения Первая мировая война была отправной точкой развития активированного угля, когда он использовался не только в промышленности белого сахара, но и в качестве адсорбента для очистки воды, а также для адсорбции и удаления паров в газовой фазе. Быстрое развитие общества в течение 20-го века, чему способствовали медицинские и научные достижения в результате промышленной революции прошлого века, также повлияло на использование активированного угля. Действительно, производство и использование активированного угля увеличивалось с каждым десятилетием, особенно во второй половине прошлого века, из-за ужесточения экологических норм, касающихся как водных ресурсов, так и применения чистого газа и экономического восстановления ценных химикатов.
В последние тридцать лет также было широко распространено использование активированного угля в качестве носителя металлического катализатора вместо сажи. Разработка и использование углеродных адсорбентов принесли огромную пользу человечеству.
2 Получение адсорбентов из отходов
Активированные угли были первыми адсорбентами, которые были разработаны. Активированные угли производятся из твердого углеродистого материала, который является неграфитизированным и неграфитизируемым и имеет исходную изотропную структуру. Прекурсор трансформируется или «активируется» с помощью средне- и высокотемпературных обработок, которые удаляют твердую массу и в то же время создают поры, в которых ранее была удалена масса. Адсорбционные и другие свойства наноструктурированных углеродных материалов (активных углей) во многом определяются методами активации и характеристиками используемых углеродсодержащих сырьевых материалов. В последнее время для синтеза подобных материалов все чаще используются каменные угли и другие твердые горючие ископаемые. Вместе с тем сохраняется интерес к углеродным материалам растительного происхождения, в особенности к древесинам. В некоторых случаях углеродные адсорбенты, получаемые из растительных материалов. Причем, они являются наиболее пригодными при реализации методов термохимической активации.
2.1. Сырье
Поскольку активированный уголь является структурно неграфитовым углеродистым материалом, практически любой углеродистый твердый материал может быть превращен в активированный уголь. Поэтому существует множество возможных сырьевых материалов, таких как древесина, лигноцеллюлозная биомасса, торф, лигнит и угли, которые можно использовать для получения активированного угля. Однако есть некоторые ограничения. Поскольку активированный уголь является неупорядоченным и изотропным, сырье не должно проходить через жидкое или псевдожидкостное состояние из-за того, что твердая структура имеет тенденцию превращаться в упорядоченную структуру
50% реферата недоступно для прочтения
Закажи написание реферата по выбранной теме всего за пару кликов. Персональная работа в кратчайшее
время!
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
