Ученые РХТУ имени Д. И. Менделеева продемонстрировали, что, сжигая смесь древесины и пластика в бескислородной атмосфере, можно не только утилизировать отходы, но еще и получить полезный продукт - адсорбент для создания углеродных фильтров 
   
Исследователи оптимизировали состав реакционной смеси и другие параметры синтеза, после чего адсорбирующие свойства нового материала оказались сопоставимы с коммерческими аналогами. При этом процесс его получения технологически более доступный. Результаты работы опубликованы в августовском номере журнала Chemical Engineering Research and Design, а осенью 2020 года планируются промышленные испытания технологии. 

Микрофотографии поверхности синтезированного адсорбента. Увеличение в 1000 раз. 

Изображение предоставлено авторами исследования.

Для вторичного использования полимерные отходы измельчают, а потом подмешивают в смесь для изготовления нового пластика, но многие отходы слишком грязные или плохо рассортированы и не подлежат рециркуляции. Их можно только утилизировать, то есть закопать или сжечь. Однако сейчас появляется новый способ утилизации — это пиролиз, или термическое разложение, которое проводят при повышенной температуре и в отсутствии кислорода. С помощью него отходы можно не только утилизировать, но еще и получить из них полезные продукты. 

Мы привыкли думать, что в химическом синтезе работают только с чистыми веществами, но это не всегда так, тем более в случае пиролиза. Здесь реагентами могут быть пластики, древесина, биомасса (например, рисовая шелуха) и даже сточные воды предприятий, а продуктами получаются различные углеродсодержащие топлива или даже органические соединения вроде бензола. Российские ученые в качестве реагентов взяли древесную стружку и пластиковые отходы, а условия синтеза подобрали таким образом, чтобы основным продуктом был активный уголь - эффективный адсорбирующий материал, на основе которого делают фильтры для очистки воздуха, газов и различных жидкостей, в том числе питьевой воды. 

«Фишка понятная: мы уничтожаем отходы, а на выходе получаем полезный продукт, но всё не так просто», - объясняет доцент кафедры промышленной экологии РХТУ и первый автор работы, Алексей Нистратов. «Я строил свою работу на самых ходовых полимерах, а они при пиролизе сами по себе не образуют твердого остатка, только летучие продукты. Поэтому мы примешивали к этим отходам первичное сырье богатое углеродом - древесину, и вот совместный пиролиз этих компонентов дал синергетический эффект. То есть если отдельно так обрабатывать древесину, то углеродный адсорбент получится, но скромный, а при совместном пиролизе мы получили очень интересный продукт с реальными перспективами и характеристиками лучше, чем у коммерческих аналогов». 

   Древесина как матрица

В новой работе ученые использовали два вида древесины – березовую стружку с одной из лесопилок Орловской области и сосновую стружку в виде туалетного наполнителя для животных, а также пять видов пластика – измельченные куски полистирола, полиэтилена, полипропилена, полиуретана и ПЭТ, смеси которых сжигали в закрытом тигле. Во время пиролиза поверхность древесины постепенно карбонизировалась, то есть превращалась во всё более и более чистый углерод, а на этой матрице оседали газообразные продукты термического разложения полимеров, и так получался пористый углеродный адсорбент. 

Качество полученных материалов сравнивали прежде всего по суммарному объему пор, при этом отдельно оценивали долю пор трёх разных размеров (субмикро-, микро- и мезопор). В первой серии экспериментов ученые перебирали разные сочетания древесины с пластиком и показали, что лучшие характеристики демонстрирует материал, полученный из полипропилена и березовой стружки. 

Во второй серии экспериментов варьировали условия синтеза – соотношение пластика и древесины, максимальную температуру и скорость нагревания тигля. Лучший результат получился при медленном нагревании (2.5 ℃ в минуту) до 370 ℃ смеси полипропилена и березовой стружки в массовом соотношении 1/1. Суммарный объем пор составил 1.379 см³/г, а сам синтез характеризуется высоким выходом продукта – в адсорбент превращается 59.2% массы исходной смеси.

  
Верхнее изображение - Микрофотография березовой стружки. Среднее (увеличение в 1000 раз) - Микрофотография синтезированного адсорбента. Нижнее (увеличение в 1000 раз) - Изображение сканирующего электронного микроскопа, поверхность адсорбента. 

Реагенты реального мира

Адсорбирующие свойства материала испытали на бензоле: после недельного выдерживания в его парах каждый грамм активного угля впитал в среднем 580 мг токсиканта, а при фильтрации непрерывного воздушного потока – 322 мг, в то время как для коммерческих аналогов эта цифра составляет около 200 мг. При этом процесс синтеза нового материала ещё и проще: сейчас активный уголь для фильтров получают в двухстадийном процессе с использованием водяного пара нагретого до 950 ℃, что подразумевает серьезные энергетические затраты. Одностадийный синтез пиролизом, предложенный в РХТУ, значительно доступней, использует дешевое сырье и может быть встроен в уже существующие технологические процессы. 

«Да, я не поехал копаться на мусоросортировочный завод, а взял чистую пластиковую посуду и опилки, но это нормальная практика. Реальное сырье будет предельно похоже на эти смеси и результаты будут схожи», - рассказывает Алексей Нистратов. «Сейчас я работаю с предприятием Экофонд, которое занимается переработкой такого сырья. Они берут с обычных полигонов отходы, не подлежащие рециркуляции, и отправляют их в пиролизную печь, работающую день и ночь, а на выходе получают твердый продукт, который сейчас просто складируют и никак не используют. Прибыль вся идёт за счёт экологической утилизации. А мы хотим чуть-чуть модифицировать технологию и условия синтеза, так чтобы получать востребованный конечный продукт». 

До работы российских ученых уже были некоторые исследования, в которых условия совместного пиролиза отходов и первичного сырья оптимизировали для получения углеродных адсорбентов, но их качество не позволяло говорить о реальных применениях. А по результатам оценки, представленной в новом исследовании, технологический процесс синтеза адсорбентов на основе древесины и полимерных отходов будет более выгодным, чем его современные аналоги и может быть внедрен без перестройки производства. Испытания технологии на базе предприятия Экофонд планируются осенью этого года. 

РХТУ им. Д. И. Менделеева – опорный университет химической отрасли России, работа которого направлена не только на получение новых знаний, но и на внедрение их в промышленность. Исследование проведено сотрудниками кафедры промышленной экологии и кафедры химической технологии углеродных материалов РХТУ им. Д. И. Менделеева при поддержке гранта РХТУ для молодых ученых

Статья: A.V. Nistratov et al, Production and evaluation of properties of waste-based carbon adsorbent, Chemical Engineering Research and Design. - 2020. - V. 160. - DOI: 10.1016/j.cherd.2020.06.016