Molded nanomaterials on the base of activated carbons from polyethyleneterephthalate waste

Pellet nanomaterials have been prepared on the base of powder-like activated carbons, obtained under post-consumer PET packing processing, Optimal active carbon/binding agent ratios have been defined. Porous structure of samples have been characterized by isotherms of low-temperature adsorption of N...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2008
Hauptverfasser: Sych, N. V., Kartel, N. T., Trofimenko, S. I., Tsyba, N. N.
Format: Artikel
Sprache:Russisch
Veröffentlicht: Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2008
Online Zugang:https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/302
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Surface
Завантажити файл: Pdf

Institution

Surface
_version_ 1869291414419931136
author Sych, N. V.
Kartel, N. T.
Trofimenko, S. I.
Tsyba, N. N.
author_facet Sych, N. V.
Kartel, N. T.
Trofimenko, S. I.
Tsyba, N. N.
author_institution_txt_mv [ { "author": "N. V. Sych", "institution": "Institute for Sorption and Endoecology Problems of National Academy of Sciences of Ukraine" }, { "author": "N. T. Kartel", "institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України" }, { "author": "S. I. Trofimenko", "institution": "Institute for Sorption and Endoecology Problems of National Academy of Sciences of Ukraine" }, { "author": "N. N. Tsyba", "institution": "Institute for Sorption and Endoecology Problems of National Academy of Sciences of Ukraine" } ]
author_sort Sych, N. V.
baseUrl_str
collection OJS
datestamp_date 2018-11-27T09:40:34Z
description Pellet nanomaterials have been prepared on the base of powder-like activated carbons, obtained under post-consumer PET packing processing, Optimal active carbon/binding agent ratios have been defined. Porous structure of samples have been characterized by isotherms of low-temperature adsorption of N2. It was shown the possibility of high specific surface area adsorbents preparation.
first_indexed 2025-07-22T19:31:55Z
format Article
fulltext Химия, физика и технология поверхности. 2008. Вып. 14. С. 437 – 442 437 УДК 541.183 ФОРМОВАННЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ АКТИВНЫХ УГЛЕЙ ИЗ ОТХОДОВ ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА Н.В. Сыч1, Н.Т. Картель2, С.И. Трофименко1, Н.Н. Цыба1 Институт сорбции и проблем эндоэкологии Национальной академии наук Украины ул. Генерала Наумова 13, 03164 Киев-164 Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины ул. Генерала Наумова 17, 03164 Киев-164 На основе порошкообразных активированных углей, полученных при переработке использованной ПЭТ тары и упаковки, приготовлены таблетированные наномате- риалы, определены оптимальные соотношения активный уголь/связующее. По изотер- мам низкотемпературной адсорбции азота охарактеризована пористая структура полученных образцов. Показана возможность получения сорбционных материало, с вы- сокими удельными показателями поверхности. Введение В настоящее время нанотехнологии прочно вошли в повседневную жизнь, ими обозначают приоритетные направления научно-технической деятельности [1, 2]. Всего за несколько последних лет разработаны сотни наноструктурированных продуктов конструкционного и функционального назначения и реализованы десятки способов их получения и производства. Современные нанотехнологии нашли свое приложение и в нанохимии, в том числе создании функционализированных углеродных нанопористых материалов для защиты окружающей среды. Для различных областей применения необходимы наноматериалы со специфичным комплексом свойств: определенной пористой структурой, составом поверхностных функциональных групп, прочностью, степенью чистоты и т.п. Как известно, лимитирующим фактором при разработке и использовании сорбционных матриалов является их цена. С этой точки зрения предпочтительным сырьем являются различные пищевые и бытовые отходы [3 – 6], в частности, полимерная тара и упаковка из полиэтилентерефталата (ПЭТ) [7 – 9]. В большинстве случаев ПЭТ-тара используется однократно. Поэтому утилизация отходов такого вида имеет жизненно важное значение. Кроме того, переработка ПЭТ отходов на продукцию хозяйственного назначения приводит к тому, что через год-два она превращается в твердые бытовые отходы, что, на самом деле, не уменьшает объемов возрастающих отходов, а только создает иллюзию их утилизации. Альтернативным решением существующих способов переработки использованной ПЭТ-тары есть возможность получения принципиально новой продукции – дешевых углеродных адсорбентов [7 – 9]. Переработка такого отхода может служить двойной выгоде. Первая – это утилизация нежелательного отхода, тысячи тонн которого ежегодно выбрасываются в виде использованной пластиковой тары. Вторая – получаемые при переработке ПЭТ отходов адсорбенты можно эффективно использовать в сорбционных технологиях. Это может внести посильный вклад в решение многих повседневных проблем, касающихся оздоровления окружающей среды. В предыдущих работах нами была показана возможность переработки такого отхода в высокопористые порошкообразные материалы [10 – 14]. Следует отметить, что использование порошкообразных сорбционных материалов не всегда удобно в приме- 438 нении, в некоторых случаях существует потребность в формованных (таблетированных, гранулированных) адсорбентах. Кроме того, в процессе формования можно изменять пористую структуру получаемых адсорбентов и, таким образом, создавать ассортимент сорбционной продукции с определенным набором порометрических характеристик. Распределяя и связывая монодисперсные порошки определенным способом по законам плотнейших упаковок, можно получать наноматериалы с развитым удельным объемом пор ~ 0,5 см3/см3 и узким его распределением по эквивалентным радиусам [15]. Результаты и их обсуждение Целью данной работы было получение формованных углеродных адсорбентов с высокими значениями удельной поверхности из порошкообразных активных углей, полученных при переработке использованной ПЭТ тары и упаковки, исследование их сорбционных и порометрических свойств. Образцы сорбирующих наноматериалов создавали на основе порошкообразного угля из ПЭТ, технология получения которого сводилась к химическому активированию полимерной матрицы серной кислотой [10 – 12]. Насыпная плотность такого адсорбента составляла 0,15 г/см3, объем сорбционных пор по бензолу (VS) – 0,94 см3/г, удельная поверхность SBET = 1030 м2/г. Поскольку на структуру и качество адсорбентов большое влияние оказывает гранулометрический состав, активированные угли (АУ) тщательно измельчали с целью получения ультрадисперсных порошков. При выборе оптимальной степени помола размер частиц колебался от 160 до 50 мкм. Уменьшение размера помола способствует улучшению спекания благодаря увеличению числа контактов между отдельными час- тицами, которые образуются в процессе прессования. Шихту для создания наноматериалов получали смешиванием активированного угля из ПЭТ со связующим в определенных весовых соотношениях, затем смеси под- вергали формованию путем изостатического прессования при температуре 100 оС. Формованный продукт представлял собой таблетку размером 5´2 мм. В качестве связу- ющего использовали новолачную фенолформальдегидную смолу (ФФС) и карбокси- метилцеллюлозу (КМЦ). После формования таблетки кратковременно активировали водяным паром при температуре 850 оС c целью восстановления пористости, которая незначительно уменьшается в процессе прессования. Соотношение АУ/связующее подбирали с учетом создания сорбционных материалов с высокими порометрическими характеристиками с сохранением достаточно высокой прочности (табл. 1). Таблица 1. Состав шихти для приготовления таблеток Связующее Образцы АУ, мас. % Карбоксиметил- целлюлоза, мас. % Новолачная смола, мас. % АУ-ФФС-1 90 10 - АУ-ФФС-2 80 20 - АУ-ФФС-3 70 30 - АУ-КМЦ-1 90 - 10 АУ-КМЦ-2 80 - 20 АУ-КМЦ-3 70 - 30 Предварительно пористую структуру формованных наноматериалов оценивали путем измерения объема сорбционных пор по бензолу. Полную информацию о пористой 439 структуре получали при помощи физической адсорбции азота при температуре 77K с использованием газоадсорбционного анализатора NOVA 2200 (Quantachrome, USA). Перед проведением измерений образцы выдерживали в вакууме 1·10-4 Торр при темпера- туре 180 oC в течение 4 ч. Удельную поверхность рассчитывали при помощи уравнения БЭТ (SBET). t-Plot метод использовали для оценки объема мезо- и микропор (Vmi), а также поверхности микропор (Smi). Распределение пор по размерам рассчитывали при помощи метода функциональной теории плотности (DFT). Суммарный объем пор оценивали по объему жидкого азота адсорбированного при относительном давлении р/ро = 0,99. Объем мезопор рассчитывали как разницу между суммарным объемом пор и объемом микропор. Изменение порометрических характеристик и сорбционных свойств формо- ванных адсорбентов в процессе термообработки представлено в табл. 2. Как видно, при незначительных величинах обгара (7 – 25 %) удается восстановить, а в некоторых случа- ях увеличить объем сорбционных до величин 0,6 – 0,9 см3/г. Сорбционная активность по йоду достаточно велика и колеблется в пределах 60 – 70 %. Поглотительная способность по метиленовому голубому составляет 160 – 220 мг/г. Максимальными сорбционными характеристиками владеют образцы: АУ-ФФС-2 с содержанием новолачной смолы 20 % и АУ-КМЦ-2 с таким же содержанием карбоксиметилцеллюлозы. Повышение содер- жания связующего приводит к снижению прочностных и сорбционных характеристик. Таблица 2. Изменение порометрических характеристик и сорбционных свойств таблети- рованных адсорбентов в процессе активирования Сорбционная активность Образец Время выдержки, t, ч Обгар, % Объем сорбционных пор по бензолу, VS, см3/г по МГ, мг/г по J2, % АУ-ФФС-1 0,25 0,50 7,4 10,7 0,57 0,80 188 68 АУ-ФФС-2 0,25 0,50 8,3 13,8 0,61 0,96 220 70 АУ-ФФС-3 0,25 0,50 13,7 24,4 0,56 0,76 162 62 АУ-КМЦ-1 0,25 0,50 7,6 11,0 0,56 0,78 172 64 АУ-КМЦ-2 0,25 0,50 8,6 14,0 0,59 0,88 208 72 АУ-КМЦ-3 0,25 0,50 14,2 24,5 0,52 0,72 170 67 На рис. 1 представлены изотермы низкотемпературной адсорбции – десорбции азота на активных углях АУ-ФФС-2, АУ-КМЦ-2. Полученные изотермы адсорбции характеризуются изотермами I типа согласно классификации ЮПАК [16]. Это преиму- щественно микропористые угли, для которых имеет место заполнение супермикропор и мезопор малого размера. При значениях относительного давления р/ро ≥ 0,7 наблюдается выход на плато. На рис. 2 представлено распределение размеров пор по радиусам, вычисленное методом функциональной теории плотности по адсорбционной кривой. Дифференциаль- ные кривые охватывают достаточно узкий интервал радиусов, который колеблется в пределах 0,6 – 2,4 нм. Эффективный радиус для обеих образцов практически совпадает и составляет 1,4 нм. 440 Р/Ро 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 V, см3/г 100 150 200 250 300 350 400 450 500 АУ-ФФС-2 АУ-КМЦ-2 Рис. 1. Изотерма сорбции – десорбции азота (77К) таблетированны- ми углями на основе порош- кообразных активированных углей из ПЭТ с добавлением связующего. Полуширина размера пор, А 0 5 10 15 20 25 30 35 dV (r ) 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 АУ-КМЦ-2 АУ-ФФС-2 Рис. 2. Распределение объема пор по размерам для таблетированных углей на основе порошкооб- разных активированных углей из ПЭТ с добавлением свя- зующего. В табл. 3 представлены порометрические характеристики полученных фор- мованных адсорбентов, рассчитанные из изотерм адсорбции – десорбции. Из таблицы следует, что таблетки на основе дисперсных порошков из отработанного ПЭТ обладают высокими удельными поверхностями по БЭТ (1160 – 1275 м2/г) с преобладанием микро- пористой составляющей (Smi = 840…900 м2/г) и достаточно развитой мезопористостью (Sme = 318…368 м2/г). Следует отметить, что в целом удельная поверхность полученных таблетированных адсорбентов несколько выше соответствующего показателя для исход- ного активированного угля из ПЭТ (SBET = 1030 м2/г). Таблица 3. Порометрические характеристики таблетированных наноматериалов Образец Удельная поверхность по БЭТ, м2/г Удельная поверхность переходных пор, м2/г Удельная поверхность микропор, м2/г Объем микропор Vmi, см3/г Суммарный объем пор Vt, см3/г Соотно- шение Vmi/Vt, % АУ- ФФС-2 1275 368 907 0,45 0,70 64,3 АУ- КМЦ-2 1160 318 842 0,43 0,68 63,2 В табл. 4 приведены сравнительные порометрические характеристики лучших таблетированных образцов и промышленного гранулированного угля СКТ [17]. Из таб- лицы видно, что полученные формованные адсорбенты обладают сопоставимыми 441 характеристиками удельных объемов пор, что свидетельствует о конкурентно- способности разрабатываемых таблетированных углей с лучшими промышленными образцами. Таблица 4. Сравнительные порометрические характеристики полученных формованных адсорбентов и промышленного гранулированного угля СКТ Удельный объем пор, см3/г Образец V∑ Vmi Vme Vma АУ-ФФС-2 0,70 0,45 0,18 0,07 АУ-КМЦ-2 0,66 0,43 0,19 0,06 СКТ 0,80 0,44 0,20 0,16 Выводы На основе порошкообразных активированных углей, полученных при переработ- ке использованной ПЭТ тары и упаковки, приготовлены таблетированные нано- материалы, определены оптимальные соотношения активный уголь/связующее, которые составляют 80:20. По изотермам низкотемпературной адсорбции азота охарактеризована пористая структура полученных образцов. Установлено, что полученные сорбционные материалы обладают микро-мезопористой структурой с эффективным радиусом пор 1,4 нм. Величи- на удельной поверхности достигает 1280 м2/г. Литература 1. Лучинин В.В. Введение в индустрию наносистем // Нано- и микросистемная техника. – 2005. – № 5. – С. 2 – 10. 2. Асеев А.Л. Наноматериалы и нанотехнологии // Нано- и микросистемная техника. – 2005. – № 3. – С. 2 – 9. 3. Granular activated carbons from powdered samples using clays as binders for the adsorption of organic vapor / A.P. Carvalho, A.S. Mestre, J. Pires, M.L. Pinto, M.E. Rosa // Micropor. Mesopor.Mater. – 2006. – V. 93. – P. 226 – 231. 4. Activated carbons from waste biomass by sulfuric acid activation and their use on methyl- lene blue adsorption / S. Karagoz, T. Tay, S. Ucar, M. Erdem // Bioresour. Technol. – 2008. – V. 99. – P. 6214 – 6222. 5. Removal of heavy metals by adsorbent prepared from pyrolyzed coffee residues and clay / V. Boonamnuayvitaya, C. Chaiya, W. Tanthapanichakoon, S. Jarudilokkul // Separation and Purification Technology. – 2004. – V. 35. – P. 11 – 22. 6. Получение активного угля из отходов производства растворимого кофе / В.М. Мухин, И.Д. Зубова, В.М. Чумаков, И.Н. Зубова, С.Н. Соловьева // Матер. ХI Всеросс. симп.: Актуальные проблемы теории адсорбции, пористости и адсорбцион- ной селективности. – 2007. – Москва – Клязьма. – С. 68. 7. Textural development and hydrogen adsorption of carbon materials from PET waste / J.B. Parra, C.O. Ania, A. Arenillas, F. Rubeira, J.M. Palacios, J.J. Pis // J. Alloys Compd.– 2004. – V. 379. – P. 280 – 289. 8. Structural changes in polyethylene terephtalate (PET) waste materials caused by pyrolysis and CO2 activation / J.B. Parra, C.O. Ania, A. Arenillas, F. Rubeira, J.J. Pis, J.M. Palacios // Adsorp. Sci. Technol. – 2006. – V. 24. – P. 439 – 450. 9. Waste-derived activated carbons for removal of ibuprofen from solution: Role of surface chemistry and pore structure / A.S.Mestre, J.Pires, J.M.F. Nogueira, J.B. Parra, A.P.Carvalho, C.O.Ania // Bioresour.Techn. – 2009. – V. 100. – P. 1720 – 1726. 442 10. Переработка полиэтилентерефталатной крошки из пластиковой тары в высоко- пористый адсорбирующий материал / Н.В. Сыч, Н.Т. Картель, А.Д. Николайчук, Н.Н. Цыба, Т.И. Миронюк, Г.А. Ковтун // Экотехнологии и ресурсосбережение. – 2002. – № 5. – С. 35 – 38. 11. Effect of combined activation on the preparation of high porous active carbons from granulated post-consumer polyethyleneterephthalate / N.T. Kartel, N.V. Sych, N.N. Tsyba, V.V. Strelko // J. Appl. Surf. Sci. – 2006. – V. 252. – № 23. – P. 8062 – 8066. 12. Патент України №84806 МПК7 B01J 20/20, 20/30; С01В31/08, 31/10; С08J11/04, 11/10. / Н.В. Сич, М.Т. Картель, С.І. Трофименко, А.Д. Николайчук, М.М. Циба // Спосіб одержання вуглецевого адсорбента з відходів поліетилентерефталату. Опубл. 25.11.2008. 13. Сыч Н.В. Пористая структура активных углей, полученных из ПЭТ-отходов, предва- рительно импрегнированных соединениями серы // ЖПХ. – 2008. – Т. 81, Вып. 6. – С. 1009 – 1013. 14. Kartel M.T., Tsyba M.M., Strelko V.V. Preparation of porous carbons by chemical activa- tion of polyethyleneterephthalate // Carbon. – 2006. – V. 44. – № 5. – P. 1019 – 1022. 15. Федоров Н.Ф., Ивахнюк Г.К., Бабкин О.Э. Адсорбенты на основе ультрадисперсных порошков и их пористая структура // ЖПХ. – 1990. – Т. 63. – № 4. – С. 787 – 791. 16. Reporting physisorption data for gas/solid systems (with special reference to the determination of surface area and porosity) / K.S.W. Sing, D.H. Everett, R.A.W. Haul, L. Moscou, R.A. Pierotti, J. Rouquero, T. Siemieniewska // Pure @ Appl Chem. – 1985. – V. 57. – P. 603 – 619. 17. Мухин В.М., Тарасов А.В., Клушин В.Н. Активные угли России. – М.: Металлургия, 2000. – 352 с. MOLDED NANOMATERIALS ON THE BASE OF ACTIVATED CARBONS FROM POLYETHYLENETEREPHTHALATE WASTE N.V. Sych, N.T. Kartel, S.I. Trofimenko, N.N. Tsyba Institute for Sorption and Endoecology Problems of National Academy of Sciences of Ukraine General Naumov Str. 13, 03164 Kyiv-164 Chuiko Institute of Surface Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine General Naumov Str. 17, 03164, Kyiv-164 Pellet nanomaterials have been prepared on the base of powder-like activated carbons, obtained under post-consumer PET packing processing, Optimal active carbon/binding agent ratios have been defined. Porous structure of samples have been characterized by isotherms of low-temperature adsorption of N2. It was shown the possibility of high specific surface area adsorbents preparation. Обгар, % Обгар, % Обгар, % Обгар, % Обгар, % Обгар, % Объем сорбционных пор по бензолу, На рис. 1 представлены изотермы низкотемпературной адсорбции – десорбции азота на активных углях АУ-ФФС-2, АУ-КМЦ-2. Полученные изотермы адсорбции характеризуются изотермами I типа согласно классификации ЮПАК (16(. Это преимущественно микропористые угли, для которых имеет место заполнение супермикропор и мезопор малого размера. При значениях относительного давления р/ро ≥ 0,7 наблюдается выход на плато.
id oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-302
institution Surface
keywords_txt_mv keywords
language Russian
last_indexed 2025-07-22T19:31:55Z
publishDate 2008
publisher Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv surfacezbircomua/9f/886ec185c1afc3281a4fdba3986fb39f.pdf
spelling oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-3022018-11-27T09:40:34Z Molded nanomaterials on the base of activated carbons from polyethyleneterephthalate waste Формованные наноматериалы на основе активных углей из отходов полиэтилентерефталата Molded nanomaterials on the base of activated carbons from polyethyleneterephthalate waste Sych, N. V. Kartel, N. T. Trofimenko, S. I. Tsyba, N. N. Pellet nanomaterials have been prepared on the base of powder-like activated carbons, obtained under post-consumer PET packing processing, Optimal active carbon/binding agent ratios have been defined. Porous structure of samples have been characterized by isotherms of low-temperature adsorption of N2. It was shown the possibility of high specific surface area adsorbents preparation. На основе порошкообразных активированных углей, полученных при переработке использованной ПЭТ тары и упаковки, приготовлены таблетированные нанома­те­риалы, определены оптимальные соотношения активный уголь/связующее. По изотер­мам низкотемпературной адсорбции азота  охарактеризована пористая структура полученных образцов. Показана возможность получения сорбционных материало, с вы­сокими удельными показателями поверхности. Pellet nanomaterials have been prepared on the base of powder-like activated carbons, obtained under post-consumer PET packing processing, Optimal active carbon/binding agent ratios have been defined. Porous structure of samples have been characterized by isotherms of low-temperature adsorption of N2. It was shown the possibility of high specific surface area adsorbents preparation. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2008-07-30 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/302 Surface; No. 14 (2008): Chemistry, Physics and Technology of Surface; 437-442 Поверхность; № 14 (2008): Химия, физика и технология поверхности; 437-442 Поверхня; № 14 (2008): Хімія, фізика та технологія поверхні; 437-442 3154-8091 3154-8083 ru https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/302/301 Авторське право (c) 2008 N.V. Sych, N.T. Kartel, S.I. Trofimenko, N.N. Tsyba
spellingShingle Sych, N. V.
Kartel, N. T.
Trofimenko, S. I.
Tsyba, N. N.
Molded nanomaterials on the base of activated carbons from polyethyleneterephthalate waste
title Molded nanomaterials on the base of activated carbons from polyethyleneterephthalate waste
title_alt Molded nanomaterials on the base of activated carbons from polyethyleneterephthalate waste
Формованные наноматериалы на основе активных углей из отходов полиэтилентерефталата
title_full Molded nanomaterials on the base of activated carbons from polyethyleneterephthalate waste
title_fullStr Molded nanomaterials on the base of activated carbons from polyethyleneterephthalate waste
title_full_unstemmed Molded nanomaterials on the base of activated carbons from polyethyleneterephthalate waste
title_short Molded nanomaterials on the base of activated carbons from polyethyleneterephthalate waste
title_sort molded nanomaterials on the base of activated carbons from polyethyleneterephthalate waste
url https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/302
work_keys_str_mv AT sychnv moldednanomaterialsonthebaseofactivatedcarbonsfrompolyethyleneterephthalatewaste
AT kartelnt moldednanomaterialsonthebaseofactivatedcarbonsfrompolyethyleneterephthalatewaste
AT trofimenkosi moldednanomaterialsonthebaseofactivatedcarbonsfrompolyethyleneterephthalatewaste
AT tsybann moldednanomaterialsonthebaseofactivatedcarbonsfrompolyethyleneterephthalatewaste
AT sychnv formovannyenanomaterialynaosnoveaktivnyhuglejizothodovpoliétilentereftalata
AT kartelnt formovannyenanomaterialynaosnoveaktivnyhuglejizothodovpoliétilentereftalata
AT trofimenkosi formovannyenanomaterialynaosnoveaktivnyhuglejizothodovpoliétilentereftalata
AT tsybann formovannyenanomaterialynaosnoveaktivnyhuglejizothodovpoliétilentereftalata