Контроль качества активированного угля методом ядерного магнитного резонанса

Авторы

DOI:

https://doi.org/10.37482/0536-1036-2022-5-173-185

Ключевые слова:

активированный уголь, пиролиз, ядерный магнитный резонанс, протонная плотность, степень пиролиза

Аннотация

Производство активированного угля методом пирогенетического разложения – это сложный высокотемпературный процесс, проходящий в несколько этапов. Качество получаемого активированного угля в основном зависит от влажности исходного сырья и степени удаления примесей из твердого углеродистого остатка. Оперативная оценка этих параметров с учетом специфики производства сильно затруднена. Применение методов ЯМР-релаксометрии может существенно ускорить процесс измерения данных параметров в at-line, on-line и in situ условиях. Цель исследования – определение абсолютной влажности исходного сырья, промежуточных и готовых продуктов, а также контроль их степени пиролиза на различных этапах производства активированного угля по протонной плотности. В качестве объектов исследования выступали образцы лигниноцеллюлозной группы, от влажного сырья до готового продукта. Для измерения влажности образцов и их протонной плотности проводили эксперименты ЯМР с импульсной последовательностью Magic Sandwich Echo (MSE). Выявлена однозначная корреляция протонной плотности и степени пиролиза изучаемых материалов. Экспериментальные результаты могут быть применены для дальнейшего усовершенствования предложенных методик оценки указанных параметров. Установлено, что эксперимент MSE позволяет довольно точно определить влажность как исходного растительного сырья, так и продуктов карбонизации, включая активированный уголь. Представлены данные по динамике изменения протонной плотности образцов растительного сырья при термическом разложении. Обнаружена прямая корреляция изменения протонной плотности образов и их удельной плотности при термической переработке. Протонная плотность образцов исходного сырья имеет различные значения, в то время как протонная плотность образцов угля различается гораздо меньше. Данное наблюдение говорит о том, что из образцов удаляются химические вещества, в связи с чем плотность протонов падает. Результаты исследования позволят усовершенствовать системы промежуточного и окончательного контроля в процессе получения активированного угля методом термической переработки.
Благодарности: Исследование проведено с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Наноматериалы и нанотехнологии» Казанского национального исследовательского технологического университета при финансовой поддержке проекта Минобрнауки России в рамках гранта № 075-15-2021-699.

Для цитирования: Сафин Р.Г., Сотников В.Г., Грунин Л.Ю., Иванова М.С., Зиатдинова Д.Ф. Контроль качества активированного угля методом ядерного магнитного резонанса // Изв. вузов. Лесн. журн. 2022. № 5. С. 173–185. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2022-5-173-185

Скачивания

Данные скачивания пока недоступны.

Биографии авторов

Р.Г. Сафин, Казанский национальный исследовательский технологический университет

д-р техн. наук, проф.

 

В.Г. Сотников, Казанский национальный исследовательский технологический университет

аспирант

 

Л.Ю. Грунин, Поволжский государственный технологический университет

канд. хим. наук, доц.

 

М.С. Ивановa, Поволжский государственный технологический университет

аспирант

Д.Ф. Зиатдинова, Казанский национальный исследовательский технологический университет

д-р техн. наук, проф.

 

Библиографические ссылки

Гогелашвили Г.Ш., Вартапетян Р.Ш., Ладычук Д.В., Хозина Е.В., Грунин Ю.Б. Энергетические характеристики адсорбированной воды в активных углях по данным ЯМР-релаксации // Журн. физ. химии. 2010. Т. 84, № 2. С. 327–331. Gogelashvili G.Sh., Vartapetyan R.Sh., Ladychuk D.V., Khozina E.V., Grunin Yu.B. Energy Characteristics of Adsorbed Water in Activate Carbons according to NMR Relaxation Data. Zhurnal fizicheskoi khimii = Russian Journal of Physical Chemistry A, 2010, vol. 84, no. 2, pp. 327–331. (In Russ.). https://doi.org/10.1134/S0036024410020196

Гогелашвили Г.Ш., Ладычук Д.В., Грунин Ю.Б., Гордеев М.Е., Абзальдинов Х.С. Исследование влияния температуры на состояние активной поверхности микропористых активных углей импульсным методом ЯМР // Вестн. технол. ун-та. 2015. Т. 18, № 13. С. 30–33. Gogelashvili G.Sh., Ladychuk D.V., Grunin Yu.B., Gordeev M.E., Abzaldinov Kh.S. A Study of the Temperature Effect on the State of the Active Surface of Microporous Activated Carbons by the pulsed NMR method. Bulletin of the Technological University, 2015, vol. 18, no. 13, pp. 30–33. (In Russ.).

Гогелашвили Г.Ш., Ладычук Д.В., Хозина Е.В., Грунин Ю.Б., Ярошевская Х.М. Состояние сорбированной воды в микропористых активных углях по данным ЯМРрелаксации // Вестн. технол. ун-та. 2015. Т. 18, № 4. С. 50–53. Gogelashvili G.Sh., Ladychuk D.V., Khozina E.V., Grunin Yu.B., Yaroshevskaya H.M. The State of Sorbed Water in Microporous Activated Carbons according to NMR Relaxation Data. Bulletin of the Technological University, 2015, vol. 18, no. 4, pp. 50–53. (In Russ.).

Гогелашвили Г.Ш., Хозина Е.В., Вартапетян Р.Ш., Ладычук Д.В., Грунин Ю.Б. Определение размера микропор активных углей импульсным методом ЯМР // Журн. физ. химии. 2011. Т. 85, № 7. С. 1343–1347. Gogelashvili G.Sh., Khozina E.V., Vartapetyan R.Sh., Ladychuk D.V., Grunin Yu.B. Determining the Sizes of Micropores in Activated Charcoals by the Pulsed NMR Method. Zhurnal fizicheskoi khimii = Russian Journal of Physical Chemistry A, 2011, vol. 85, no. 7, pp. 1343–1347. (In Russ.). https://doi.org/10.1134/S0036024411070089

Сафин Р.Г., Сотников В.Г., Зиатдинова Д.Ф. Пирогенетическая переработка органических отходов текстильной промышленности в адсорбенты // Изв. вузов. Технология текстил. пром-сти. 2021. № 5(395). С. 229–235. Safin R.G., Sotnikov V.G., Ziatdinova D.F. Textile Industry Organic Waste Pyrogenetic Processing into Adsorbents. Textile Industry Technology, 2021, no. 5(395), pp. 229–235. (In Russ.). https://doi.org/10.47367/0021-3497_2021_5_229

Agrafioti E., Bouras G., Kalderis D., Diamadopoulos E. Biochar Production by Sewage Sludge Pyrolysis. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2013, vol. 101, pp. 72–78. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2013.02.010

Bridle T.R., Pritchard D. Energy and Nutrient Recovery from Sewage Sludge via Pyrolysis. Water Science and Technology, 2004, vol. 50, iss. 9, pp. 169–175. https://doi. org/10.2166/wst.2004.0562

Carey D.E., McNamara P.J., Zitomer D.H. Biochar from Pyrolysis of Biosolids for Nutrient Adsorption and Turfgrass Cultivation. Water Environment Research, 2015, vol. 87, iss. 12, pp. 2098–2106. https://doi.org/10.2175/106143015X14362865227391

Grunin Yu.B., Grunin L.Yu., Gal’braikh L.S., Sheveleva N.N., Masas D.S. Dispersion Peculiarities of Crystalline Cellulose upon Its Moistening. Fibre Chemistry, 2018, vol. 49, no. 5, pp. 321–326. https://doi.org/10.1007/s10692-018-9890-6

Grunin Yu.B., Grunin L.Yu., Ivanova M.S., Masas D.S. Features of the Structural Organization and Sorption Properties of Cellulose. Fibre Chemistry, 2020, vol. 51, no. 5, pp. 325–332. https://doi.org/10.1007/s10692-020-10106-9

Gogelashvili G.Sh., Vartapetyan R.Sh., Ladychuk D.V., Grunin Yu.B., Khozina E.V. Specific Features of the Adsorption and Nuclear Magnetic Relaxation of Water Molecules in Active Carbons. 1. Relation between the Spin-Spin Relaxation of Adsorbed Water Molecules and Structural Parameters of Microporous Active Carbons. Colloid Journal, 2003, vol. 65, iss. 5, pp. 545–551. https://doi.org/10.1023/A:1026159420171

Gogelashvili G.Sh., Vartapetyan R.Sh., Ladychuk D.V., Grunin Yu.B., Khozina E.V. Specific Features of the Adsorption and Nuclear Magnetic Relaxation of the Water Molecules in Active Carbons. Colloid Journal, 2004, vol. 66, iss. 3, pp. 271–276. https://doi.org/10.1023/ B:COLL.0000030835.40521.72

Guo J.-C., Zhou H.-Y., Zeng J., Wang K.-J., Lai J., Liu Y.-X. Advances in LowField Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Technologies Applied for Characterization of Pore Space Inside Rocks: A Critical Review. Petroleum Science, 2020, no. 17, pp. 1281–1297. https://doi.org/10.1007/s12182-020-00488-0

Lewandowski W.M., Radziemska E., Ryms M., Ostrowski P. Modern Methods of Thermochemical Biomass Conversion into Gas, Liquid and Solid Fuels. Ecological Chemistry and Engineering S, 2011, vol. 18, pp. 39–47. https://doi.org/10.1002/chin.201238271

Liu Z., Hughes M., Tong Y., Zhou J., Kreutter W., Valtierra D., Singer S., Zitomer D., McNamara P. Enhanced Energy and Resource Recovery via Synergistic Catalytic Pyrolysis of Byproducts from Thermal Processing of Wastewater Solids. Renewable Energy, 2021, vol. 177, pp. 475–481. https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.05.125

Maus A., Hertlein C., Saalwächter K. A Robust Proton NMR Method to Investigate Hard/Soft Ratios, Crystallinity, and Component Mobility in Polymers. Macromolecular Chemistry and Physics, 2006, vol. 207, pp. 1150–1158. https://doi.org/10.1002/ macp.200600169

Pieruccini M., Sturniolo S., Corti M., Rigamonti A. A Novel Analysis for the NMR Magic Sandwich Echo in Polymers: Application to the α-Relaxation in Polybutadiene. The European Physical Journal B, 2015, vol. 88, art. 283. https://doi.org/10.1140/epjb/e2015- 60417-6

Ozkan A., Kinney K., Katz L., Berberoglu H. Reduction of Water and Energy Requirement of Algae Cultivation Using an Algae Biofilm Photobioreactor. Bioresource Technology, 2012, vol. 114, pp. 542–548. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.03.055

Tremel A., Becherer D., Fendt S., Gaderer M., Spliethoff H. Performance of Entrained Flow and Fluidised Bed Biomass Gasifiers on Different Scales. Energy Conversion and Management, 2013, vol. 69, pp. 95–106. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2013.02.001

Trubetskaya A., Souihi N., Umeki K. Categorization of Tars from Fast Pyrolysis of Pure Lignocellulosic Compounds at High Temperature. Renewable Energy, 2019, vol. 141, pp. 751–759. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.04.033

Umeki K., Häggström G., Bach-Oller A., Kirtania K., Furusjö E. Reduction of Tar and Soot Formation from Entrained-Flow Gasification of Woody Biomass by Alkali Impregnation. Energy and Fuels, 2017, vol. 31, pp. 5104–5110. https://doi.org/10.1021/acs. energyfuels.6b03480

Загрузки

Опубликован

28.10.2022

Как цитировать

Сафин, Р. ., В. . Сотников, Л. . Грунин, Ивановa М. ., и Д. . Зиатдинова. «Контроль качества активированного угля методом ядерного магнитного резонанса». Лесной журнал, вып. 5, октябрь 2022 г., сс. 173-85, doi:10.37482/0536-1036-2022-5-173-185.

Выпуск

Раздел

ТЕХНОЛОГИЯ ХИМ. ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ И ПР-ВО ДРЕВЕСНО-ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ