Совершенствование производства углеродных материалов на основе березовой древесины

• Автор: Юрьев, Юрий Леонидович
• Шифр специальности: 05.21.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 255 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

1. Системный анализ проблемы повышения эффективности производства УМ на

основе лиственной древесины

1Л. Производство древесного угля

1.2. Производство активных углей

1.3. Производство углеродных катионообменников

2. Методическая часть

2Л. Методы проведения исследований

2.2. Методы проведения анализов

3. Исследование основных закономерностей технологии пиролиза разных видов

березовой древесины
3.1. Пиролиз тонкомерной древесины
3.2. Пиролиз древесины сучьев
3.3. Пиролиз спелой древесины
3.4. Взаимосвязь микроструктуры и свойств древесины и древесного угля
4. Исследование закономерностей активации углеродной нанопористой матрицы
водяным паром
4.1. Активация угля из тонкомерной древесины
4.2. Активация угля из древесины сучьев
4.3. Активация угля из спелой древесины
4.4. Изучение сорбционных свойств активного угля в статических условиях
5. Исследование закономерностей окисления углеродной нанопористой матрицы
воздухом
5.1. Влияние параметров окисления на выход и статическую обменную ёмкость по
щелочи древесного окисленного угля
5.2. Влияние процессов активации и окисления на типы поверхностных групп и
удельную поверхность УМ
5.3. Статическая обменная ёмкость древесного окисленного угля
5.4. Динамическая обменная ёмкость древесного окисленного угля в кислой
среде
5.5. Динамическая обменная ёмкость древесного окисленного угля в нейтральной
среде

5.6. Сравнение сорбционных характеристик активного и окисленного древесного

6. Экспериментальная оценка свойств УМ, полученных на основе разных видов
березовой древесины
6.1. Применение активных углей для доочистки питьевой воды на фильтровальной
станции
6.2. Применение древесного окисленного угля для обработки отработанных
травильных растворов цинковального производства
6.3. Применение модифицированного АУ для получения пентаоксида ванадия
6.4. Применение УМ для водоподготовки в пищевой промышленности
7. Разработка энерго- и ресурсосберегающей технологии производства УМ на
основе разных видов березовой древесины
7.1. Разработка технологии пиролиза березовой древесины
7.2. Технология переработки ДУ из березовой древесины
7.3. Эффективность производства и применения УМ из березовой
древесины
7.4. Расчет ожидаемого экономического эффекта
Заключение
Библиографический список
Приложения
Приложение 1. Состав ПГС, образующейся при пиролизе
Приложение 2. Материальные балансы активации
Приложение 3. Тепловые балансы активации
Приложение 4. Справка по размещению МПРУ
Приложение 5. Экспертное заключение
Приложение 6. Акт испытаний АУ
Приложение 7. Справка УНИХИМ
Приложение 8. Акт испытаний УМ
Приложение 9. Характеристики пористой структуры березовой древесины и ДУ

Введение
Актуальность темы исследования. Общие запасы березовой древесины в РФ составляют около 10 миллиардов кубометров, в 16 субъектах РФ береза является главной породой по объему запасов и лесопокрытой площади. Большая часть заготавливаемой березовой древесины относится к категории неликвидной, т.е. или имеет сбыт по цене ниже себестоимости, или вообще не имеет сбыта. В то же время известно, что береза в сравнении с другими породами в РФ является лучшим сырьем для производства древесного угля - исходной углеродной матрицы, имеющей сравнительно низкий уровень примесей (зольность) и высокую реакционную способность. В свою очередь, на основе березового угля возможно получение углеродных материалов (УМ), имеющих уникальные сорбционные и ионообменные свойства.
Тема исследования в полной мере соответствует таким приоритетным направлениям развития науки, техники и технологий в Российской Федерации как «рациональное природопользование» и «индустрия нанотехнологий и материалов».
Цель работы - разработка и научное обоснование технических и технологических решений, направленных на создание энерго- и ресурсосберегающей технологии производства УМ на основе разных видов березовой древесины (спелая, тонкомер и сучья).
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи, отражающие логику диссертационного исследования:
- Проведение системного анализа проблемы повышения эффективности производства УМ на основе лиственной древесины.
- Исследование основных закономерностей технологии пиролиза разных видов березовой древесины.
- Исследование закономерностей активации углеродной матрицы водяным паром
- Исследование закономерностей окисления углеродной матрицы воздухом.
- Экспериментальная оценка свойств УМ, полученных на основе березовой древесины.
- Разработка энерго- и ресурсосберегающих технических решений в производстве УМ на основе березовой древесины с учетом оценки влияния основных технологических факторов на выход и свойства этих материалов.
- Промышленная апробация и внедрение технических решений в производство УМ на основе березовой древесины.
Научная новизна
Впервые установлена зависимость выхода и свойств УМ от вида березовой древесины. В частности, показана зависимость выхода ДУ от суммы содержания целлюлозы и лигнина в

Адсорбционные свойства АУ находятся в сложной функциональной зависимости от состояния поверхности. Соответствующие закономерности были, например, выявлены при изучении сорбции некоторых фенолов из водных растворов [307, 313]. Мэйсон [316] показал, что при использовании АУ для сорбции из газовой фазы можно определить остаточный срок службы АУ, т.к. существует корреляция между продолжительностью воздействия на него влажного воздуха и реакцией АУ на обработку полем СВЧ.
Кислород, хемосорбированный на угле в виде СО-комплекса, сообщает углю меньшую полярность, что ведет к усилению адсорбции слабополярных и неполярных молекул. Кислород, хемосорбированный на угле в виде ССЬ-комплексов, придает углеродной поверхности полярные свойства и кислотный характер [40]. Было показано [318], что наличие ССЬ-комплексов на поверхности способствует закреплению на поверхности угля любого катиона в положение, пригодное для обмена
Для анализа пористой структуры АУ эффективно применение электронной микроскопии высокого разрешения [317], а использование метода молекулярного зондирования является перспективным для дополнительной информации о пористой структуре АУ [302]. Соотношение объемов микро- , мезо- и макропор в АУ зависит от режима его получения [161, 163] и в основном определяет эффективность его применения для конкретной сферы использования.
1.2.2. Анализ технологии активации
Технология АУ начала развиваться во время первой мировой войны, когда академиком
Зелинским был изобретен противогаз для защиты войск от боевых отравляющих веществ [64].
В качестве поглотителя (сорбента) отравляющих веществ в противогазе использовался АУ. С
расширением ассортимента боевых отравляющих веществ расширялся и ассортимент АУ,
способных их улавливать, что привело к развитию исследований свойств и технологии АУ.
Защита людей от вредных веществ, присутствующих в воздухе, до настоящего времени
является перспективным направлением использования АУ в связи с ухудшением качества
воздуха. Необходимо отметить, что к АУ, применяемым для улавливания летучих веществ из
промышленных выбросов, предъявляются повышенные требования по прочности, поэтому
предпочтение отдается АУ, получаемым на основе каменного угля или полукокса.
С течением времени все большее значение приобретали АУ, сорбирующие примеси из
водных растворов. К настоящему времени, например, производится большое количество АУ
для осветления и очистки сахарных сиропов, растительных масел, для доочистки питьевой
воды. Поскольку для таких АУ очень важное значение имеет развитие транспортной
пористости. АУ растительного происхождения имеют заведомое преимущество перед АУ на