Синтез активированных углей из шлам-лигнина методом термохимической активации

В настоящее время существует множество методов получения углеродных сорбентов из технических лигнинов, одним из которых является пиролиз с термохимической активацией. В России подобные исследования впервые начали проводиться в начале 2000-х г под руководством Н.И. Богдановича и продолжаются по настоящее время на базе Северного (Арктического) федерального университета. В статье исследован вопрос синтеза углеродных сорбентов из шлам-лигнина и определения их адсорбционных свойств. Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью утилизации побочных продуктов, образующихся при реализации технологии целлюлозно-бумажного производства. Одним из таких крупнотоннажных отходов является шлам-лигнин. В настоящее время перспективы разработки технологических решений по утилизации шлам-лигнина затруднены его сложным химическим составом. Однако, одним из возможных вариантов применения продуктов переработки является синтез активированных сорбентов для очистки сточных вод. Целью работы является получение математической модели, адекватно описывающей влияние на адсорбционные свойства режимных параметров синтеза активированных сорбентов, а также подтверждение возможности их применения для селективного извлечения радионуклидов из жидких фаз. Основным методом изучения влияния независимых параметров на адсорбционные свойства активированных углей был выбран метод планированного эксперимента по образцу рототабельного центрального композиционного плана 2 порядка. На основании экспериментальных данных получены регрессионные уравнения адсорбционной активности иода и метиленового голубого. Пористую структуру поверхности углей анализировали с помощью автоматизированной системы ASAP 2020 МР. По методикам Брунауэра-Эммета- Теллера и Баррета-Джойнера-Халенды определяли объемы пор полученных активированных сорбентов из шлам-лигнина.  В ходе эксперимента выявлены оптимальные условия режима пиролиза: температура пиролиза (Т,оС) 700оС, время проведения пиролиза (τ,мин.) 60 мин и дозировка активирующего агента (ДNaOH, %) 180%. Данный режим является экономически выгодным для формирования высокоэффективных углеродных сорбентов по причине не очень высокого расхода щелочи, по сравнению с другими видами лигнинов. Сорбенты, полученные при оптимальных условиях, исследованы спектрометрическим методом на сорбционные свойства по отношению к различным радионуклидам. Определено, что сорбенты возможно применять для селективного извлечения Sr90, Mn54, Nb95.  Эффективность извлечения радионуклидов достигает 94%.

Ключевые слова: адсорбционные свойства, активированные угли, синтез, шлам-лигнин, радионуклиды.

SYNTHESIS OF ACTIVATED CARBONS FROM SLUDGE-LIGNIN BY THERMOCHEMICAL ACTIVATION

Currently, there are many methods for producing carbon sorbents from industrial lignins, one of which is pyrolysis with thermochemical activation. In Russia, such research was started in the early 2000s under the leadership of N. Bogdanovich and continues to this day on the basis of the Northern (Arctic) Federal University. The work is concerned with the synthesis of carbon sorbents and the determination of their adsorption properties. The relevance of this research is conditioned by the need to utilise by-products generated during the implementation of pulp and paper production technology. One of such large tonnage wastes is sludge lignin. At present, the prospects of developing technological solutions for sludge-lignin utilisation are hampered by its complex chemical composition. However, one of the possible applications of the recycled products is the synthesis of activated sorbents for wastewater treatment. The aim of the work is to obtain a mathematical model adequately describing the influence of the regime parameters of the synthesis of activated sorbents on the adsorption properties, as well as to confirm the possibility of their application for the selective extraction of radionuclides from liquid phases. The main method of studying the influence of independent parameters on adsorption properties of activated carbons was chosen as the method of planned experiment on the sample of rototable central composite plan 2 order. Regression equations for the adsorption activity of iodine and methylene blue were obtained from the experimental data. The porous structure of the coal surface was analysed using the automated system ASAP 2020 MR. The pore volumes of the obtained activated sludge-lignin sorbents were determined by the Brunauer-Emmett-Teller and Barrett-Joyner-Halenda methods.  In the course of the experiment, the optimal conditions of the pyrolysis regime were revealed: pyrolysis temperature (T,oC) 700oC, pyrolysis time (τ,min.) 60 min. and dosage of activating agent (DNaOH, %) 180%. This mode is economically favourable for the formation of highly efficient carbon sorbents due to the not very high consumption of alkali compared to other types of lignin. The sorbents obtained under optimum conditions were investigated by spectrometric method for their sorption properties towards different radionuclides. It was found that the sorbents can be used for selective extraction of Sr90, Mn54, Nb95.  The efficiency of radionuclide extraction reaches 94%.

Keywords: adsorption properties, activated carbons, synthesis, sludge-lignin, radionuclides.