Сорбенты из растительного сырья

  [57] диссертацияда  үрдіс зерттелген, техногенді көміртекминералды  шикізаттан (күріш өнеркәсібінің  қалдығы − күріш қауызы, КҚ) жаңа  кремнекөміртекті композит ("кремнекөміртек") алудың оптимальді режимдері  мен технологиясы өңделген. "Кремнекөміртектің"  физико-химиялық қасиеттері зерттелген. Оның техникалық көміртек пен  эластомерлер негізіндегі композициондық  материалдардың кремнеқышқылдық  толықтырғышының аналогы болып  табылатындығы анықталды. Өнімділігі  4,6 кг/ сағ "кремнекөміртек" тәжірибелік өндірісі жасақталған.

[58] жұмыста  ауыл шаруашылығының қалдығы  болып табылатын күріш қауызы  мұнаймен ластанған суды тазалауға  арналған сорбент ретінде қолданылды. Көміртектенген күріш қауызының  макроқұрылысы мен марфологиясы  ИҚ – спектроскопия және сканирлеуші  электронды микроскоппен зерттелді.  Әртүрлі температурада көміртектенген  күріш қауызы мен өрік сүйегінің  мұнайды сорбциялау қабілеті  салыстырылды. 600-700⁰С-та көміртектенген күріш қауызы >15,0 г/г ауыр мұнайды және <1,5 г/г суды сорбциялайды.

Күріш қауызын  карбонизациялау арқылы алынған  сорбент жоғары шығымды көрсетеді  және практикалық қолданыста, су қоймаларын мұнай төгінділері мен мұнай  өнімдерінен тазартуда кеңінен  қолданыс табуға жол ашады.

[59] жұмыста  күріш кебегінің комплексті термиялық  өңдеу процестері қарастырылып, алынған өнімдердің қолданылу  аясы анықталған. Осылайша, өңдеудің  табылған әдісі кремнекөміртекпен  қоса бағалы өнімдер (органикалық  конденсат, күйе мен жанармай  газы)  ала отырып күріш кебегінің  толық утилизациясын қамтамасыз етеді, процесс экологиялық тазалықты жоғарылатады және жергілікті антропогенді шикізат негізіндегі әр түрлі материалдар өндірісінің жаңа мүмкіншіліктеріне жол ашады.

        [60] жұмыста мақта, бидай кебегі, қамыс негізіндегі фосфорлы катиониттерінің Cu²⁺ пен Zn²⁺ иондарына сорбциясы зерттелген. Осылайша, екікомпонентті мыс пен мырышқұрамдас сульфат ерітінділерінен Cu²⁺ пен Zn²⁺ иондарының сорбциясы өсімдік шикізат негізіндегі катиониттер Cu²⁺ иондарына қатысты жоғары талғампаздыққа ие. Едәуір жоғары талғампаздыққа бидй кебегінен алынған катиониттердің көрсететіні анықталды. Жаңа фитосорбенттер аналитикалық практикада және гидрометаллургияда мыс (ΙΙ) мен мырыш иондарын бөлуде эффективті өолданыс таба алады.

[61] жұмыста өндірістік ағын сулардағы ауыр металдар иондарын (Cu²⁺, Cd²⁺ және Pb²⁺) сорбциялайтын жоғары сорбциялық сыйымдылыққа ие карбонизделген материалдарға карбонизделген күріш кебегі мен сары өрік қабығына Rhodorotula glutinis var.glutinis, Pseudomonas aeruginsa және Pseudomonas mendocina клеткаларының басым көпшілігі 650⁰С температурада карбонизделген сорбенттерге бекінетіндігі анықталды. Бұл заттармен әсерлесуі негізінен клеткалардың гидрофобтық күйінің әерінен болатындығы көрсетілді.

ИҚ-спектроскопиялық зерттеулер нәтижесінде карбонизделген сорбенттердің ауыр металдарды сорбциялау процесі химиялық әсерлер арқылы жүретіндігі және бұл көрсеткіштің карбониздеу температурасына байланыстығы анықталды.

АҚШ-та акивті көмірді шабдалы сүйектерінен алады. Ұзақ уақытқа дейін американдық  дайындаушылар қағаз өндірісінің  қалдықтарын кеңінен қолданып келді. Бірақ бұл шикізат және одан алынған  активті көмір қоңыр және тас  көмірден алынатын активті көмір  өндірісінің дамуымен сұраныстан қалды. Сонымен қатар қағаз өндірісінің  басқа да қалдықтарынан активті  көмірді алу әдістері жасалды, мысалы ағаш қабығын жаққанда түзілетін ұшқыш күл [50].

Карбонизация  жағдайларының оптималдылығы табылған (температура 600-700˚С, қыздыру жылдамдығы 4˚C/мин) және гидролиз лигниннен алынған  түйіршіктерді су буымен активациялау (18-57% күйгенге дейін) минималды ұзындықта 0,56-0,58нм кеуектері бар КМЕ алуға  мүмкіндік береді. Лигниннен алынған  КМЕ  Не-СН₄ қоспасын бөлуге қабілетті екендігі көрсетілген.

Кедр жаңғағының қабығы негізінде майсыздандыру  мен бастапқы шикізаттың суды өз бойына сіңіру арқылы төменгі температураларда өңдеген және 130⁰С температурасында сусыздандырған. Өсімдік ұлпаларындағы жасуша қабырғаларының  бір-бірінен ажырауы сорбциялайтын бет ауданы мен материалда  макро- және мезокеуектердің үлесінің артуына себепкер болады.

Орман жаңғағының қабығынан және жеміс сүйектерінен де берік активті көмір алуға  болады. Зәйтүн сүйектері Жерорта  теңізі елдерінде зәйтүн майының  өндірісінің қалдығы болып табылады.10%-дық  күкірт қышқылы және сумен өңделгеннен  кейін, 830˚C температурада карбонизацияланғаннан  кейін сүйектерден меншікті беттік ауданы шамамен 500м²/г болатын өнім алынады. Оны активтелгеннен кейін меншікті беттік ауданы шамамен 1500 м²/г-ға дейін жетеді. Мұндай көмірде оттегінің мөлшері 3-5% [62].

[63] еңбекте өндірістік реакторда бу-ауа қоспасымен 425-660˚С температурада активтелген шабдалы сүйектер негізіндегі активтелген көмірді циклогександы метилциклопентаннан жұқа тазалау және оның сыйымдылығын анықтау үшін қолданады. Адсорбция энергиясы мен микрокеуектердегі осындай көрсеткіштерге қарағанда біршама жоғары (мезокеуектер 15-тен 1000-2000Å-ге дейін, микрокеуектер 5-14Å немесе химиялық табиғаты бірдей кеуекті емес адсорбенттер бетінде микрокеуектердегі адсорбция оның көлемдік толуына алып келеді.

Әдіске және активтелу дәрежесіне байланысты микрокеуектердің өлшемдері мен көмірдің селективтілігін  өзгертуге мүмкіндік береді.

Көмірдің  бензол буына қатысты адсорбциялық қасиеттерін зерттеу кезінде  АК үшін кеуектердің көлемі V_S сызықты түрде активтендіру температурасына  тәуелділігін көрсетеді [46]. Бұл ГЖҚ-дан алынған көмірдің микро- және     мезокеуектілігінің су буымен оларды активтендіру кезінде даму механизмі бірдей екендігін айқындайды. Күйдіруді 60%-ға дейін арттырғанда пропорционалды түрде кеуектер көлемінің шамамен 0,7 см³·г^-1 дейін артуы болады, ал микро- және мезокеуектердің қабырғаларының жануына байланысты АК-дегі сорбциялық кеуектердің көлемінің кемуі болады.

Активті көмірді  алғаш кезде олардың қасиеттеріне сәйкес келетін шикізатты, активтендіру әдісін таңдау және ұзақтығы мен активтендіру шарттарын өзгерту арқылы реттеуге болатыны анықталған. Осы кезде белгілі  қасиеттерге бірқатар шарттар әсер етеуі мүмкін. Сондықтан, кеуектердің  саны мен өлшемдерінің таралуы әдетте шикізат табиғатына, түріне және активтендіру процесінің шарттарына тәуелді. Карбонизацияланбаған бастапқы материалдың химиялық активация  процесі кезінде жоғары активті  және кең микрокеуекті көмір алады, бірақ дайындау процесі кезінде  қолданылатын бейорганикалық қоспалармен  ластанған. Егер сол бастапқы материал, мысалы ағаш, бірінші пиролизге ұшырап, содан кейін су буымен активтендіреді, негізінен жұқа кеуекті және бөгде  қоспалары жоқ өнім  алуға болады.

Көптеген  көміртекті сорбенттерде әлсіз көрінетін  катионалмастырғыш қасиеттер байқалады. Бұл жоғары температураларда көміртегінің құрылымының қалыптасу процесі  кезінде өтетін тотығу реакциялары  нәтижесінде көміртекті материал бетінде  қышқыл топтардың біраз мөлшерінің болуымен түсіндіріледі. Қышқыл топтардың  мөлшерін көміртекті материалдың тотықтыру  модификациясы арқылы арттыруға  болады. Бұл екі жолмен, яғни дайын  көміртекті материалдың бетін тотықтыру  арқылы немесе көміртекті материалдың  бетінде модификацияланатын қоспалар қатысында карбонизация процесі  кезінде оттек құрамды топтардың  түзілуімен жүзеге асады. Бірінші көрсетілген  әдіс – активті көмір үшін дәстүрлі және өндірістік тәжірибеде қолданылады  және де тотықтырғыш агенттер ретінде  оттегі, сутегі асқын тотығы, азот қышқылы  және басқа да тотықтырғыштар қолданылады [48].

Заманауи  сараптамалық практикада хелаттүзгіш  қасиеттері бар полимерлі сорбенттер кеңінен қолданылады. Олардың қолданылу  аясының кеңею мүмкіншілігі элементтерді сандық концентлеу кезінде жоғары талғампаздығымен  және эффективтілігімен түсіндіріледі. Хелаттүзгіш сорбенттердің сипаттамалық айырмашылығы полимерлік матрицалардағы химиялық активті ерітіндідегі металл иондарымен хелаттар түзуге қабілетті  топтардың болуы [49].

Қарастырылған мысалдар өсімдік шығарылымдарының әр түрлі өндірістік процестерде  қолдануға мүмкіндік беретіндігін көрсетеді. Шығарылымдарды қайта өңдеумен айналысатын кең ауқымды кәсіпорын  жоспарлаудың негізгі ұтымды аргументі  болып  алынатын заттардың бастапқы материалдың  салыстырмалы түрде  құнының төмендігі, экологиялық  әл-ауқаттың жақсаруы, импорттық материалдардың орын басу мүмкіндігі. Негізінде дәстүрлі емес шикізаттар сипаттамалары жағынан  өндірістік аналогтарынан кем түспейді және де көрсетілген факторларды  ескере отырып, оларға  бәсекелестік көрсете алады.

1.6 Сорбенттердің қолданылу аймақтары

Қазіргі кезде  көміртекті сорбенттердің қолданылуының  негізгі бағыттары газды және сұйық орталарда концентрлеу, бөліп  алу және адсорбциялық  тазалаудың технологиялық процестерімен байланысты болып келеді. Сонымен бірге энергетика және өндірістік кәсіпорындардан ауаға  шығарылатын газдарды тазалаудың, ауыз су және ағын суларды ауыр металл иондарынан, органикалық қосылыстардан тазалаудың экологиялық мәселесін шешуде көміртекті сорбенттердің рөлі артып отыр. Көміртекті сорбенттерді медицинада және фармацевтикада қолдану облысы да кеңейіп отыр. Мысалға, медицинада көміртекті гемосорбентті  науқастың қанын тазалау үшін қолданылса, ал энтеросорбентті ағзадағы зиянды заттар мен микробтардан тазалау  мақсатында пайдаланады [17].

Кез келген су айдыны немесе  су көзі өзін қоршаған сыртқы ортамен байланыста болады. Оларға беттік немесе жер асты су ағынының түзілу жағдайы, әр түрлі табиғи құбылыстардың, индустрия, өндірістік және коммуналды құрылыстар, адамның шаруашылық және тұрмыстық әрекеттері әсер етеді (өндірістік және коммуналды нысандардың,  ірі  малшаруашылғы кешендерінің, кендерді өңдеу, өндірістік қалдықтар және тағы басқа). Қоғамымыздың қазіргі тіршілігінде ағынды суларға тастандылардың ағызылуы нәтижесінде су сапасын төменедететін  ластағыш заттардың пайда болуы  мен олардан дұрыс тазаланбауы  салдарынан судың сапасы нашарлауда. Осыған байланысты суларды тазартудың мәселесін практика жүзінде шешуде активтелген көмір мен кеуекті  материалдар улы қосылыстардың  мөлшерін ШРЕК нормасына дейін төмендетуге  мүмкіндік беретін заттар болып  табылады.

Көміртекті  материалдар (негізінен активті  көмір) техника (автоөкөліктерден бөлінетін  зиянды газдарды тазарту) мен химиялық технологияда (сирек және шашыранды  элементтердің химиялық технологиясы; асыл металдарды концентрлеу және т.б.) кең ауқымда қолданылады. Активті көмірлер газды ортадан және ерітіндіден, түрлі техникалық және тағамдық өнімдерден, дәрілік заттардан әртүрлі заттарды бөліп алуда қолданылуда.

Кеуекі көміртекті материалдардың қолданылу аймағының өте кең  болуы себепті, толық қамту мүмкін емес. Активтелген көміртектің қолданылу  құрылымының 40%-ына дейін көлемін  тамақ өнеркәсібі, 30%-ға дейін –  дем алу мүшелерінін қорғау үшін (противогаздар, респираторлар және т.б.), 15%-ға дейін сутазалау жүйелері құрайды. Медицинада өндірілетін көмірдің 5%-ға жуығы қолданылады. Барлық аталған  қолданылу облыстарында ККМ негізгі  физика-химиялық  қасиеті – үлкен  беттік көлем қолданылады (кейбір ККМ-дарда ол 2000 м²/г-ге дйін жетеді). Осының арқасында ККМ-дарда адсорбция эффектісі айқын жүзеге асырылады: сироптарды ашықтандыру, органикалық залалдағыштардан ауаны тазалау және т.б. ККМ-дардың адсорбциялық қасиеттерінде газдарды бөлу, соның ішінде ауаны азот пен оттегіне бөлу негізделеді. Дегенмен, активтелген көмірді каталитикалық қолдану шамамен өндірісінің 1% көлемін алады. Ал бірақ осы өнімнің бағасы барлық шығарылған заттың 20%-ға дейінгі үлесін алады [19].

Әр түрлі  аймақтарда қолдану үшін спецификалық кешенді қасиеттері бар көміртек сорбенттер керек: белгілі бір кеуекті  құрылымымен, беріктілігімен, тазалық  дәрежесімен. Сұйықтарды адсорбциялық тазарту және ертінділерден бағалы металдарды бөліп алу үшін көміртек сорбенттің бетінің гидрофилділік  көрсеткіші маңызды рөл атқарады. Сорбенттің тазалығы (мысалы, күл бөлшектерінің мөлшері) ластанған ағынын және газды қалдықтарды тазарту процесінде маңызды рөл ойнамайды. Бірақ асыл металдарды сорбциялық бөлу үшін, мысалы алтынды, сорбенттердің құрамындағы минералды қоспалардың мөлшері регламент белгіленеді. Кеуектің өлшем, беріктілігі және көміртек сорбенттің пішіні  кеуекті мембрана ретінде оны қолдану кезінде шешуші мәнге ие болып келеді.

Әдеби шолуда келтірілген мәліметтер қазіргі  таңда Ресей Федерациясында және т.б. мемлекеттерде ағаш өңдеу және ауыл шаруашылық саласының тастандылары болып табылатын лигноцеллюлозадан  әр түрлі мақсатқа (сорбенттер, катализаторлар, катализаторларға қорғаушы және т.б.) арналған кеуекті көміртекті материалдарды  өндіруге қолдану мүмкіндіктеріне  қатысты зерттеулер даму үстінде  екендігін байқатты [54; 55].