Формування поруватості буровугільних матеріалів при лужній активації з тепловим ударом
The aim of the work is to establish the effect of temperature on the porous structure characteristics of thermolysis solids (TS) prepared from brown coal (BC) during a novel process - alkaline activation with thermal shock. The BC sample is the Alexandria deposit coal, demineralized to ash content 0...
Збережено в:
| Дата: | 2019 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2019
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/489 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Репозитарії
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1856543904879345664 |
|---|---|
| author | Kucherenko, V. A. Таmarkina, Yu. V. Saberova, V. A. |
| author_facet | Kucherenko, V. A. Таmarkina, Yu. V. Saberova, V. A. |
| author_sort | Kucherenko, V. A. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2022-06-29T10:03:38Z |
| description | The aim of the work is to establish the effect of temperature on the porous structure characteristics of thermolysis solids (TS) prepared from brown coal (BC) during a novel process - alkaline activation with thermal shock. The BC sample is the Alexandria deposit coal, demineralized to ash content 0.5±0.1 % by treatment with HCl and HF acids. The elemental composition of the organic coal substance is as follows (%): C 70.6, H 5.9, S 3.6, N 1.9, O 18.0 (by difference). The treatment of BC with an alkaline activator (KOH) was performed by impregnation; the mass ratio of KOH/coal is 1.0. The preparation of TS was carried out in argon in three successive stages: 1) rapid introduction of the sample into the reactor, preheated to the temperature of thermal shock tTS, varied in the interval tTS = 400–800 °С; 2) isothermal holding at tTS (1 h); 3) cooling, washing from alkali compounds and drying. Based on low-temperature (77 K) nitrogen adsorption-desorption isotherms (Micromeritics ASAP 2020), there were determined pore size distributions, total volume (Vt, cm3/g) and surface (S, m2/g) of adsorbing pores, volumes of macro- (Vma) , meso- (Vmе) and micropores (Vmi), as well as micropores with a diameter of D?1 nm (V1nm). The temperature dependences of these characteristics are obtained. An increase in the tTS temperature was found to result in the forming TS with increasing specific surface areas from 14.7 (400 °C) to 1947 m2/g (800 °C): half S is formed in a narrow interval tTS=700–800 °C. The yield of TS is reduced from 67 to 25 %. The Vt value increases by a factor of 7.2 times (from 0.124 to 0.892 cm3/g), the volumes of mesopores and macropores increase equally - 2.9 times. The main growth of Vt volume is due to micropores: their volume Vmi increases from 0 to 0.547 cm3/g, the contribution of micropores with D?1 nm becomes dominant (84–98 %) at tTS=600–800 °C. Pores with D?5 nm were found to develop most dynamically under combined effect of KOH and thermal shock. Pore size distribution is characterized by three maxima: dV1 for micropores with D?1 nm, dV2 for micropores with D=1–2 nm, dV3 for mesopores with D=3–5 nm. The dependence of dV1 on temperature tTS is strictly exponential (R2=0.988), that allows us to calculate the parameter E(V1), which characterizes the effect of temperature on the increase in the volume of micropores with D?1 nm. It has the dimension of the "classical" activation energy and is 56.1 kJ/mol. As tTS values increase, the dV2 maximum value decreases by a factor of 22, and the pore diameter shifts from 1.85 to 1.39 nm. Values of dV3 are an order of magnitude lower than dV1 and approximately replicate the dependence of dV1-tTS in the interval of 400–750 °C. An increase in the thermal-shock temperature is concluded to promote the micropores formation (especially pores with D?1 nm), which is limited by the diffusion of the activator (KOH or K atoms as the products of K+ ion reduction) within the forming three-dimensional framework of carbonaceous solids. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:33:32Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-489 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-17T12:07:58Z |
| publishDate | 2019 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-4892022-06-29T10:03:38Z Formation of brown coal materials porosity under thermal-shock alkali activation Формирование пористости буроугольных материалов при щелочной активации с тепловым ударом Формування поруватості буровугільних матеріалів при лужній активації з тепловим ударом Kucherenko, V. A. Таmarkina, Yu. V. Saberova, V. A. brown coal alkali activation heat shock nanoporosity буре вугілля лужна активація тепловий удар нанопоруватість бурый уголь щелочная активация тепловой удар нанопористость The aim of the work is to establish the effect of temperature on the porous structure characteristics of thermolysis solids (TS) prepared from brown coal (BC) during a novel process - alkaline activation with thermal shock. The BC sample is the Alexandria deposit coal, demineralized to ash content 0.5±0.1 % by treatment with HCl and HF acids. The elemental composition of the organic coal substance is as follows (%): C 70.6, H 5.9, S 3.6, N 1.9, O 18.0 (by difference). The treatment of BC with an alkaline activator (KOH) was performed by impregnation; the mass ratio of KOH/coal is 1.0. The preparation of TS was carried out in argon in three successive stages: 1) rapid introduction of the sample into the reactor, preheated to the temperature of thermal shock tTS, varied in the interval tTS = 400–800 °С; 2) isothermal holding at tTS (1 h); 3) cooling, washing from alkali compounds and drying. Based on low-temperature (77 K) nitrogen adsorption-desorption isotherms (Micromeritics ASAP 2020), there were determined pore size distributions, total volume (Vt, cm3/g) and surface (S, m2/g) of adsorbing pores, volumes of macro- (Vma) , meso- (Vmе) and micropores (Vmi), as well as micropores with a diameter of D?1 nm (V1nm). The temperature dependences of these characteristics are obtained. An increase in the tTS temperature was found to result in the forming TS with increasing specific surface areas from 14.7 (400 °C) to 1947 m2/g (800 °C): half S is formed in a narrow interval tTS=700–800 °C. The yield of TS is reduced from 67 to 25 %. The Vt value increases by a factor of 7.2 times (from 0.124 to 0.892 cm3/g), the volumes of mesopores and macropores increase equally - 2.9 times. The main growth of Vt volume is due to micropores: their volume Vmi increases from 0 to 0.547 cm3/g, the contribution of micropores with D?1 nm becomes dominant (84–98 %) at tTS=600–800 °C. Pores with D?5 nm were found to develop most dynamically under combined effect of KOH and thermal shock. Pore size distribution is characterized by three maxima: dV1 for micropores with D?1 nm, dV2 for micropores with D=1–2 nm, dV3 for mesopores with D=3–5 nm. The dependence of dV1 on temperature tTS is strictly exponential (R2=0.988), that allows us to calculate the parameter E(V1), which characterizes the effect of temperature on the increase in the volume of micropores with D?1 nm. It has the dimension of the "classical" activation energy and is 56.1 kJ/mol. As tTS values increase, the dV2 maximum value decreases by a factor of 22, and the pore diameter shifts from 1.85 to 1.39 nm. Values of dV3 are an order of magnitude lower than dV1 and approximately replicate the dependence of dV1-tTS in the interval of 400–750 °C. An increase in the thermal-shock temperature is concluded to promote the micropores formation (especially pores with D?1 nm), which is limited by the diffusion of the activator (KOH or K atoms as the products of K+ ion reduction) within the forming three-dimensional framework of carbonaceous solids. Цель работы – установить влияние температуры на характеристики пористой структуры твердых продуктов термолиза (ТПТ) бурого угля (БУ), полученных в новом процессе – щелочной активации с тепловым ударом. БУ – уголь Александрийского месторождения, деминерализованный до зольности 0.5±0.1 % обработкой кислотами HCl и HF. Элементный состав органического угольного вещества следующий (%): С 70.6, H 5.9, S 3.6, N 1.9, O 18.0 (по разности). Обработку БУ щелочным активатором (KОН) выполняли импрегнированием; массовое соотношение KОН/уголь – RKOH=1.0. Получение ТПТ осуществляли в аргоне в три последовательных этапа: 1) быстрое введение образца в реактор, предварительно нагретый до температуры теплового удара tТУ, варьируемой в интервале tТУ=400–800 °С; 2) изотермическая выдержка при tТУ (1 ч); 3) охлаждение, отмывка от щелочи и сушка. На основании низкотемпературных (77 K) изотерм адсорбции-десорбции азота (Micromeritics ASAP 2020) определены распределения пор по размерам, общий объем (Vt, см3/г) и поверхность (S, м2/г) адсорбирующих пор, объемы макро- (Vmа), мезо- (Vmе) и микропор (Vmi), а также микропор с диаметром D?1 нм (V1nm). Получены температурные зависимости этих характеристик. Установлено, что повышение температуры tТУ приводит к образованию ТПТ с возрастающей удельной поверхностью от 14.7 м2/г (400 °С) до 1947 м2/г (800 °С): половина S формируется в узком интервале tТУ=700–800 °С. Выход ТПТ снижается с 67 до 25 %. Значения Vt увеличивается в 7.2 раза (с 0.124 до 0.892 см3/г), объемы мезопор и макропор возрастают одинаково – в 2.9 раза. Основной рост Vt происходит за счет микропор: их объем возрастает от 0 до 0.547 см3/г, вклад микропор с D?1 нм при tТУ=600–800 °С становится доминирующим (84–98 %). Найдено, что совместное действие KОН и теплового удара наиболее динамично развивает поры с D?5 нм. Распределение пор по размерам характеризуется тремя максимумами: dV1 для интервала микропор с D?1 нм, dV2 для микропор з D=1–2 нм, dV3 для мезопор з D=3–5 нм. Зависимость величины dV1 от tТУ строго экспоненциальна (R2=0.988), что позволяет вычислить параметр Е(V1), который характеризует влияние температуры на увеличение объема микропор з D?1 нм. Он имеет размерность «классической» энергии активации и составляет 56.1 кДж/моль. С ростом tТУ величина максимума dV2 уменьшается в 22 раза, а диаметр пор смещается с 1.85 нм до 1.39 нм. Значения dV3 примерно на порядок ниже величин dV1 и повторяют зависимость dV1 - tТУ в интервале 400–750 °С. Сделан вывод, что повышение температуры теплового удара способствует формированию микропор (особенно пор с D?1 нм), которое лимитируется диффузией активанта (KОН или атомов K как продуктов восстановления ионов K+) внутри формирующегося трехмерного каркаса ТПТ. Мета роботи – встановити вплив температури на характеристики поруватої структури твердих продуктів термолізу (ТПТ) бурого вугілля (БВ), отриманих в новому процесі – лужній активації з тепловим ударом. БВ – вугілля Олександрійського родовища, демінералізоване до зольності 0.5±0.1 % обробкою кислотами HCl та HF. Елементний склад органічної вугільної речовини є наступний (%): С 70.6, H 5.9, S 3.6, N 1.9, O 18.0 (за різницею). Обробку БВ лужним активатором (KОН) виконували імпрегнуванням; масове співвідношення KОН/вугілля – RKOH=1.0. Отримання ТПТ здійснювали в аргоні в три послідовні етапи: 1) швидке введення зразка в реактор, попередньо нагрітий до температури теплового удару tТУ, яка варіюється в інтервалі tТУ=400–800 °С; 2) ізотермічна витримка при tТУ (1 год); 3) охолодження, відмивка від лугу та сушка. На основі низькотемпературних (77 K) ізотерм адсорбції-десорбції азоту (Micromeritics ASAP 2020) визначено розподіл пор за розмірами, загальний об’єм (Vt, см3/г) і поверхню (S, м2/г) адсорбуючих пор, об’єми макро- (Vmа), мезо- (Vmе) та мікропор (Vmi), а також мікропор з діаметром D?1 нм (V1nm). Отримано температурні залежності цих характеристик. Встановлено, що підвищення температури tТУ призводить до утворення ТПТ з величиною питомої поверхні, яка зростає від 14.7 м2/г (400 °С) до 1947 м2/г (800 °С): половина S формується у вузькому інтервалі tТУ=700–800 °С. Вихід ТПТ знижується з 67 до 25 %. Значення Vt збільшуються в 7.2 рази (з 0.124 до 0.892 см3/г), об’єми мезопор і макропор збільшуються однаково – в 2.9 рази. Основне зростання Vt відбувається за рахунок мікропор: їх об’єм збільшується від 0 до 0.547 см3/г, внесок мікропор з D?1 нм при tТУ=600–800 °С стає домінуючим (84–98 %). Знайдено, що спільна дія KОН і теплового удару найбільш динамічно розвиває пори з D?5 нм. Розподіл пор за розмірами характеризується трьома максимумами: dV1 для інтервалу мікропор з D?1 нм, dV2 для мікропор з D=1–2 нм, dV3 для мезопор з D=3–5 нм. Залежність величини dV1 від tТУ строго експоненційна (R2=0.988), що дозволяє вирахувати параметр Е(V1), який характеризує вплив температури на збільшення об’єму мікропор з D?1 нм. Він має розмірність «класичної» енергії активації і становить 56.1 кДж/моль. З ростом tТУ величина максимуму dV2 зменшується в 22 рази, а діаметр пор зміщується з 1.85 до 1.39 нм. Значення dV3 приблизно на порядок нижчі за величини dV1 і повторюють залежність dV1 - tТУ в інтервалі 400–750 °С. Зроблено висновок, що підвищення температури теплового удару сприяє формуванню мікропор (особливо пор з D?1 нм), яке лімітується дифузією активанта (KОН або атомів K як продуктів відновлення іонів K+) всередині тривимірного каркасу ТПТ, який формується. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2019-02-27 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/489 10.15407/hftp10.01.003 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 10 No. 1 (2019): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 3-12 Химия, физика и технология поверхности; Том 10 № 1 (2019): Химия, физика и технология поверхности; 3-12 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 10 № 1 (2019): Хімія, фізика та технологія поверхні; 3-12 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp10.01 uk https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/489/491 Copyright (c) 2019 V. A. Kucherenko, Yu. V. Таmarkina, V. A. Saberova |
| spellingShingle | буре вугілля лужна активація тепловий удар нанопоруватість Kucherenko, V. A. Таmarkina, Yu. V. Saberova, V. A. Формування поруватості буровугільних матеріалів при лужній активації з тепловим ударом |
| title | Формування поруватості буровугільних матеріалів при лужній активації з тепловим ударом |
| title_alt | Formation of brown coal materials porosity under thermal-shock alkali activation Формирование пористости буроугольных материалов при щелочной активации с тепловым ударом |
| title_full | Формування поруватості буровугільних матеріалів при лужній активації з тепловим ударом |
| title_fullStr | Формування поруватості буровугільних матеріалів при лужній активації з тепловим ударом |
| title_full_unstemmed | Формування поруватості буровугільних матеріалів при лужній активації з тепловим ударом |
| title_short | Формування поруватості буровугільних матеріалів при лужній активації з тепловим ударом |
| title_sort | формування поруватості буровугільних матеріалів при лужній активації з тепловим ударом |
| topic | буре вугілля лужна активація тепловий удар нанопоруватість |
| topic_facet | brown coal alkali activation heat shock nanoporosity буре вугілля лужна активація тепловий удар нанопоруватість бурый уголь щелочная активация тепловой удар нанопористость |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/489 |
| work_keys_str_mv | AT kucherenkova formationofbrowncoalmaterialsporosityunderthermalshockalkaliactivation AT tamarkinayuv formationofbrowncoalmaterialsporosityunderthermalshockalkaliactivation AT saberovava formationofbrowncoalmaterialsporosityunderthermalshockalkaliactivation AT kucherenkova formirovanieporistostiburougolʹnyhmaterialovpriŝeločnojaktivaciisteplovymudarom AT tamarkinayuv formirovanieporistostiburougolʹnyhmaterialovpriŝeločnojaktivaciisteplovymudarom AT saberovava formirovanieporistostiburougolʹnyhmaterialovpriŝeločnojaktivaciisteplovymudarom AT kucherenkova formuvannâporuvatostíburovugílʹnihmateríalívprilužníjaktivacíízteplovimudarom AT tamarkinayuv formuvannâporuvatostíburovugílʹnihmateríalívprilužníjaktivacíízteplovimudarom AT saberovava formuvannâporuvatostíburovugílʹnihmateríalívprilužníjaktivacíízteplovimudarom |