Структурно-иерархическая схема процесса высокотемпературной активации углеродного материала

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Рассмотрен процесс высокотемпературной активации углеродного материала. На основе функционально-иерархического подхода разработана структурная схема взаимодействия оборудования и материальных потоков, реализующая технологию получения высокопористого углеродного материала. Показаны особенности компоновки технологического оборудования, позволяющие решить задачу по совершенствованию имеющегося и разработке нового с учетом особенностей протекающих процессов. В результате установлена возможность повышения производительности, эффективности и безопасности реализации данного процесса, конкурентоспособности технологии и полученного активированного высокопористого углеродного материала, а также перехода от лабораторных исследований к его промышленной реализации.

Полный текст

Введение

Высокопористые углеродные материалы (ВУМ) относятся к наиболее динамично развивающемуся классу функциональных материалов и востребованы во многих отраслях промышленности: химической, радиоэлектронной, энергетике и многих др. Обладая высокой удельной поверхностью – более 2000 м2/г, объемом пор более 1 см3/г, в сочетании с размерами, находящимися в наноразмерном диапазоне, они являются наиболее универсальными и эффективными для применения в различных сорбционных процессах [1, 2].

При производстве данных материалов осуществляется сложный многоэтапный химический процесс, заключающийся в активации различного предварительно карбонизированного углеродного сырья разными жидко- или газофазными реагентами, например, водяным паром, кислотами или щелочами, что позволяет получить значительную удельную поверхность и высокопористую наноразмерную структуру [3 – 5].

Проведенные предварительные исследования и анализ литературных источников показали, что данные параметры полученных высокопористых углеродных материалов зависят в первую очередь от режимов активации (массового соотношения активируемых компонентов в реакционной смеси, температуры и продолжительности процесса, режима газообмена и др.), а также, в меньшей степени, от исходных компонентов, применяемых для получения углеродсодержащих веществ (карбонизатов), и вида активатора [6 – 9].

При этом особое внимание в подобных исследованиях уделяется подбору и исследованию исходного состава активируемого материала, отработке отдельных технологических режимов и диагностике, а работы носят явный исследовательский характер и проводятся в лабораторных условиях [10 – 13]. Несмотря на всю актуальность проводимых исследований, практически не рассматриваются вопросы выхода технологии на промышленный уровень и разработки нового или совершенствования имеющегося оборудования.

Во многих работах обсуждаются общие вопросы проектирования технологического оборудования, основанные на классических подходах и рекомендациях, которые, однако, не всегда учитывают особенности процесса получения ВУМ [14 – 18]. Другие работы посвящены математическому моделированию сложных химических процессов, их недостатком является большое количество допущений, что сильно ограничивает применимость результатов при переходе к практической реализации [19, 20]. В целом ряде работ предлагаются готовые конструктивные решения или технологии, реализация которых возможна в строго ограниченных граничных условиях реализуемого процесса [21, 22].

Ряд авторов рассматривает общий подход к структуризации сложных химических процессов, попытке установления иерархии протекающих процессов, применяемого оборудования, последовательности выполняемых операций, который носит или рекомендательный, или жестко привязанный к определенным условиям характер [23, 24]. В результате, известные работы не позволяют ответить на ряд практических вопросов, возникающих при аппаратно-технологическом оформлении процесса высокотемпературной активации углеродного материала, а именно насколько рационально построен процесс при переходе от лабораторных исследований к промышленному производству и какие этапы или стадии производства, и, соответственно, какое оборудование являются ключевыми.

Цель работы – разработка структурно-иерархической схемы взаимодействия оборудования и материальных потоков, реализующей технологию получения высокопористого углеродного материала, представляющей особенности компоновки оборудования и позволяющей решить задачи по совершенствованию имеющегося и разработке нового оборудования с учетом особенностей протекающих процессов.

Объекты и методы исследования

В общем виде высокотемпературная активация углеродного материала представляет собой процесс ступенчатой термической обработки и выдержки реакционной смеси – карбонизата с активатором (в заданном соотношении) в диапазоне 400…900 °С в инертной среде. В процессе термообработки реакционной смеси протекают многочисленные химические реакции, обеспечивающие образование высокопористой структуры активируемого материала. Предварительные исследования данного процесса, в результате которого получен высокопористый углеродный материал, позволили определить оптимальные режимные параметры (исходное углеродное сырье для карбонизата – смесь декстрина и оксида графена, активатор – гидроксид калия (КОН), соотношение компонентов реакционной смеси карбонизат : КОН – 1 : 3, температурный диапазон активации 400…750 °С, продолжительность основной стадии – 2 часа, расход инертного газа – 1,3 л/мин), [25].

Результаты исследования и их обсуждение

На основе функционально-иерархического подхода разработана структурно-иерархическая схема взаимодействия оборудования и материальных потоков, реализующая технологию получения высокопористого углеродного материала (рис. 1).

 

Рис. 1. Структурно-иерархическая схема взаимодействия оборудования и материальных потоков при реализации процесса высокотемпературной активации углеродного материала

 

Технология высокотемпературной активации углеродного материала состоит из четырех уровней с соответствующей декомпозицией.

Первый уровень декомпозиции (I) – подготовка исходного карбонизата (основной материальный поток (МП1) – включает в себя следующие этапы:

  • – подготовку и смешивание исходных компонентов (IA) – приготовление углеродного сырья (при необходимости и отдельные стадии – предварительную дополнительную обработку исходных компонентов – измельчение, просеивание, ультразвуковую обработку, растворение и т.д.(на схеме не показаны);
  • – карбонизацию исходного сырья (IБ);
  • – измельчение углеродного сырья (полученного карбонизата) (IВ).

Результатом рассмотренных этапов является вспомогательный материальный поток (МП1.1) – карбонизат.

Для этого применяются соответствующие технологические процессы и типовое оборудование: смесители, печь, диспергаторы и т.д. Причем каждый из этапов и его особенности (такие технологические режимы, как продолжительность процесса Тт, температура Тt и т.д.) зависят, прежде всего, от исходных свойств материалов.

Второй уровень (II) – химическая активация углеродного материала (карбонизата) – основной для рассматриваемого технологического процесса высокотемпературной активации, зависит напрямую от предыдущего (по карбонизату) и привлекаемых технологических режимов и потоков. На данном уровне протекает сложная технологическая реакция – щелочная активация карбонизата в инертной среде. Данный процесс управляем по материальным потокам: объему инертного газа (скорости прокачки) (МП2.1), соотношению активируемых компонентов (карбонизата МП1.1 и гидроксида калия КОН (МП2.3) и технологическим режимам – (Тт и Тt), которые напрямую определяют параметры готового углеродного материала (его качество, то есть соответствие предъявляемым требованиям по характеристикам). Опционально на этом уровне возможен еще один вспомогательный материальный поток, влияющий на процесс активации – водяной пар (МП2.4). Процесс проводится в реакторе, спроектированном в соответствии с предъявляемыми требованиями (конструктивными и технологическими), итогом которого является активированный углеродный материал (МП2).

Результатом осуществления данного уровня является этап (IIА) – утилизация исходящих газовых потоков (МП2.1), для реализации которого возможно проведение одной из двух стадий: нейтрализации и утилизации (IIА1), которые проводятся в нейтрализаторе для обеспечения безопасности, или стадии нейтрализации и повторного использования (IIА2) части исходящих газов (например, конденсация паров калия и нейтрализация их водой (МП2.5)) для повторного использования, для чего могут быть применены типовое оборудование и технологии.

Третий уровень (III) – пост-обработка полученного углеродного материала, включает в себя несколько этапов, которые проводятся с использованием известных технологий и типового оборудования:

  • – замачивание и промывка (IIIА) активированного углеродного материала с целью удаления примесей (прежде всего соединений калия), а также стадия нейтрализации и утилизации промывных вод. Характеризуется наличием вспомогательных материальных потоков – дистиллированной воды (МП3.2), промывной воды (МП3.3) и Тт;
  • – замачивание и отмывка (IIIБ) активированного углеродного материала с целью удаления примесей (прежде всего соединений железа), а также этапы нейтрализации и утилизации промывных вод (соляная кислота HCI – (МП3.4) промывная вода (МП3.3) и Тт. С получением на выходе активированного углеродного материала заданной чистоты (МП 3.1).

На данном уровне возможно осуществление стадий нейтрализации и утилизации (IIIА1) или нейтрализации и повторного использования (IIIА2) – использованных промывной воды и кислоты (потоки МП3.5 и МП3.6). Результатом данного уровня является отмытый полученный углеродный материал (МП3).

Четвертый уровень (IV) – сушка отмытого (рН-нейтрального) активированного углеродного материала осуществляется в сушильном шкафу (технологические режимы Тт и Тt) – стандартном оборудовании, и заканчивается этапом упаковки и фасовки (IVА) готового активированного углеродного материала (МП4.1) или проведением дополнительной обработки (IVБ) для придания ВУМ определенных свойств (функционализации) для чего возможно применение активаторов (МП 4.2), а также Тт и Тt, как основных технологических режимов.

Анализируя структурно-иерархическую схему, реализующую технологию получения активированного высокопористого углеродного материала, и сопоставляя ее с результатами экспериментальных исследований, отметим, что основным по влиянию на характеристики готового продукта будет являться второй уровень – химическая активация карбонизата, предусматривающий, как уникальное оборудование (реактор активации), так и целый ряд варьируемых режимных факторов. Другие же этапы и стадии будут определяться, прежде всего, гарантированным временем протекания технологических процессов и применением типового оборудования.

Заключение

Таким образом, рассмотрев процесс высокотемпературной активации углеродного материала, разработана структурно-иерархическая схема взаимодействия оборудования и материальных потоков, реализующая технологию получения высокопористого углеродного материала. Данная схема позволила наглядно, с учетом особенностей протекающих процессов, представить особенности компоновки оборудования при решении задачи проектирования аппаратурно-технологического оформления процесса высокотемпературной химической активации и установить, что при совершенствовании имеющегося и разработке нового оборудования следует отталкиваться от конструкции реактора активации, конструктивных и технологических способов интенсификации протекающих в нем процессов. В результате повысить эффективность и безопасность осуществления рассматриваемого процесса, конкурентоспособность технологии и получаемого активированного высокопористого углеродного материала, а также облегчить переход от лабораторных исследований к его промышленной реализации.

×

Об авторах

Игорь Николаевич Шубин

ФГБОУ ВО «ТГТУ»

Автор, ответственный за переписку.
Email: i.shubin77@yandex.ru

кандидат технических наук, доцент, кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов»

Россия, Тамбов

Алёна Алексеевна Попова

АО «ПРОГРЕСС»

Email: i.shubin77@yandex.ru

кандидат технических наук, специалист по корпоративной социальной ответственности департамента по корпоративным коммуникациям

Россия, Липецк

Список литературы

  1. Мищенко, С. В. Углеродные наноматериалы: производство свойство применение / С. В. Мищенко, А. Г. Ткачев. – М. : Машиностроение, 2008. – 320 с.
  2. Фенелонов, В. Б. Пористый углерод / В. Б. Фенелонов. – Новосибирск : Институт катализа СО РАН, 1995. – 518 с.
  3. Popova, A. A. Features of Nanoporous Carbon Material Synthesis / A. A. Popova, R. E. Aliev, I. N. Shubin // Advanced Materials and Technologies. – 2020. – No. 3(19). – P. 28 – 32. doi: 10.17277/amt.2020.03.pp.028-032
  4. Пат. № 2620404 Российская Федерация, МПК C01B 31/08. Способ получения мезопористого углерода / А. Г. Ткачев, А. В. Мележик, Г. В. Соломахо ; заявитель и патентообладатель «НаноТехЦентр» ; заявл. 26.01.2016 ; опубл. 25.05.2017, Бюл. № 15. – 19 с.
  5. Дьячкова, Т. П. Методы функционализации и модифицирования углеродных нанотрубок / Т. П. Дьячкова, А.Г. Ткачев. – М. : ИД «Спектр», 2013. – 152 с.
  6. Пат № 2736586 Российская Федерация, МПК B01J 20/20 , B01J 20/30. Формованный наноструктурированный микропористый углеродный сорбент и способ его получения / А. Г. Ткачев, Н. Р. Меметов, А. Е. Кучерова, А. В. Мележик, А. Д. Зеленин, А. А. Попова, И. Н. Шубин ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет». – № 2019121997 ; заявл. 09.07.2019 ; опубл. 18.11.2020, Бюл. № 32. – 7 с.
  7. Попова, А. А. Исследование влияния технологических параметров на аппаратурное оформление процесса производства активированного углеродного материала / А. А. Попова, И. Н. Шубин // Известия высших учебных заведений. Машиностроение и машиноведение. – 2022 .– № 1(742). – С. 20 – 30. doi: 10.18698/0536-1044-2022-1-20-30
  8. Surface Functionality and Porosity of Activated Carbons Obtained from Chemical Activation of Wood / Н. Benaddi, T. J. Bandosz, J. Jagiello, J. A. Schwarz, J. N. Rouzaud, D. Legras, F. Beguin // Carbon. – 2000. – Vol. 38, No. 5. – P. 669 – 674. doi: 10.1016/S0008-6223(99)00134-7
  9. Получение углеродных сорбентов химической модификацией ископаемых углей и растительной биомассы / Н. В. Чесноков, Н. М. Микова, И. П. Иванов, Б. Н. Кузнецов // Журнал Сибирского федерального университета. – 2014. – Т. 7, № 1. – С. 42 – 53.
  10. Carbon-Based Supercapacitors Produced by Activation of Graphene / Y. Zhu, S. Murali, M. D. Stoller, K. J. Ganesh, W. Cai, P. J. Ferreira, A. Pirkle, R. M. Wallace, K. A. Cychosz, M. Thommes, D. Su, E. A. Stach, R. S. Ruoff // Science. – 2011. – Vol. 332, No. 6037. – P. 1537 – 1541. doi: 10.1126/science.1200770
  11. Carbon Activation with KOH as Explored by Temperature Programmed Techniques, and the Effects of Hydrogen / D. Lozano-Castello, J. M. Calo, D. Cazorla-Amoros, A. Linares-Solano // Carbon. – 2007. – Vol. 45, No. 13. – P. 2529 – 2536. doi: 10.1016/j.carbon.2007.08.021
  12. Influence of the Activation Conditions on the Porosity Development of Herringbone Carbon Nanofibers / V. Jiménez, J. A. Díaz, P. Sánchez, J. L. Valverde, A. Romero // Chemical Engineering Journal. – 2009. – Vol. 155, No. 3. – P. 931 – 940. doi: 10.1016/j.cej.2009.09.035
  13. Teng, H. Preparation of Porous Carbons from Phenol-Formaldehyde Resins with Chemical and Physical Activation / H. Teng, S.-C. Wang // Carbon. – 2000. – Vol. 38, No. 6. – P. 817 – 824. doi: 10.1016/S0008-6223(99)00160-8
  14. Хейфец, М. Л. Проектирование комплексов технологического оборудования для аддитивного и субтрактивного производства / М. Л. Хейфец // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2020. – № 11(113). – С. 40 – 48. doi: 10.30987/2223-4608-2020-11-40-48
  15. Теоретические основы проектирования технологических комплексов : монография / А. М. Русецкий, П. А. Витязь, М. Л. Хейфец [и др.]. – Минск : Беларуская навука, 2012. – 239 с.
  16. Чижик, С. А. Перспективы развития технологических комплексов аддитивного синтеза композиционных материалов и формообразования изделий / С. А. Чижик, М. Л. Хейфец, С. А. Филатов // Механика машин, механизмов и материалов. – 2014. – № 4(29). – С. 68 – 74.
  17. Пухальский, В. А. Иерархия процессов в технологии машиностроения / В. А. Пухальский // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – 2015. – № 6 (314). – С. 108 – 113.
  18. Методика проектирования аппаратурного оформления производств углеродных нанотрубок и полупродуктов на их основе / А. В. Рухов, Д. В. Таров, Т. П. Дьячкова [и др.]. // Известия высших учебных заведений. Сер. Химия и химическая технология. – 2019 – Т. 62, № 3. – С. 94 – 101. doi: 10.6060/ivkkt. 20196203.5959
  19. Kookos, K. Regulatory Control Structure Selection of Linear Systems / K. Kookos, J. D. Perkins // Computers & Chemical Engineering. – 2002. – Vol. 26, Is. 6. – P. 875 – 887. doi: 10.1016/S0098-1354(02)00013-3
  20. Borisenko, A. B. Hierarchy of Processing Equipment Configuration Design Problems for Multiproduct Chemical Plants / A. B. Borisenko, S. V. Karpushkin // Journal of Computer and Systems Sciences International. – 2014. – Vol. 53, No. 3. – P. 410 – 419. doi: 10.1134/S1064230714030046
  21. Niu, J. J. Effect of Temperature on Chemical Activation of Carbon Nanotubes / J. J. Niu, J. N. Wang // Solid State Sciences. – 2008. – Vol. 10, No. 9. – P. 1189 – 1193. doi: 10.1016/j.solidstatesciences.2007.12.016
  22. Enhanced Capacitance of Carbon Nanotubes through Chemical Activation / E. Frackowiak, S. Delpeux, K. Jurewicz, K. Szostak, D. Cazorla-Amoros, F. Beguin // Chemical Physics Letters. – 2002. – Vol. 361, No. 1. – P. 35 – 41. doi: 10.1016/S0009-2614(02)00684-X
  23. A Hierarchical Approach for the Redesign of Chemical Processes / I. Lopez-Arevalo, R. Banares-Alcantara, A. Aldea, A. Rodriguez-Martinez // Knowledge and Information Systems. – 2007. – Vol. 12, No. 2. – P. 169 – 201. doi: 10.1007/s10115-006-0060-4
  24. Zhou, Y. M. Designing for Complexity: Using Divisions and Hierarchy to Manage Complex Tasks // Y. M. Zhou // Organization Science. – 2012. – Vol. 24, No. 2. – P. 339 – 355. doi: 10.1287/orsc.1120.0744
  25. Попова, А. А. Аппаратурно-технологическое оформление производства активированного углеродного материала / А. А. Попова // Вестник Тамбовского государственного технического университета. – 2021. – Т. 27, № 2. – С. 318 – 327. doi: 10.17277/vestnik.2021.02.pp.318-327

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Структурно-иерархическая схема взаимодействия оборудования и материальных потоков при реализации процесса высокотемпературной активации углеродного материала

Скачать (198KB)
Метаданные

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».