СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ СОРБЦИИ И ДЕСОРБЦИИ ПАРОВ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА СОРБЕНТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК B01J20/20 B01J20/34 

Изобретение относится к способу проведения сорбции и десорбции паров органических соединений, в частности к процессам сорбции и десорбции с помощью углеродных сорбентов, содержащих фуллерены, с использованием при этом воздействия светового, ультрафиолетового или рентгеновского излучения.

Пористые материалы, обладающие высокой удельной поверхностью, используют в качестве сорбентов для широкого ряда веществ. В качестве таких материалов часто используют углеродные материалы, иногда именуемые термином «активный уголь». В последнее время в качестве сорбентов находят применение углеродные материалы, содержащие фуллерены - новый вид углеродного материала, молекулы которого имеют вид сферы из нескольких десятков атомов углерода и проявляют ряд интересных свойств. Такие фуллереносодержащие углеродные материалы проявляют повышенные сорбционные свойства в отношении ряда сорбируемых веществ. В частности, фуллерен и фуллереносодержащие материалы находят применение в качестве сорбентов для удаления из очищаемых сред, например, органических веществ, тяжелых металлов и токсичной микрофлоры.

С целью интенсификации процессов сорбции-десорбции ранее предлагалось воздействовать на сорбенты электромагнитным излучением в ходе процесса сорбции или десорбции. Такое воздействие повышает сорбционную емкость, но требует наличия устройств, создающих необходимое излучение.

Известен, например, способ сорбции и десорбции с использованием для очистки жидкости сорбента при одновременном воздействии на него электромагнитного и акустического полей (заявка РФ №2000123654, опубл. 27.12.2002). В известном способе в качестве сорбента используют углеродный материал, включающий активированный древесный уголь и смесь фуллеренов, фуллереновой сажи и пироуглерода при массовом соотношении 10-50 мас.ч. смеси на 100 мас.ч. активированного угля; его получают путем смешивания активированного угля, фуллеренов, фуллереновой сажи и пироуглерода до однородного состава.

Недостатками известного способа сорбции и десорбции является сравнительно невысокая его эффективность, обусловленная необходимостью одновременного воздействия электромагнитного и акустического полей при проведении сорбции, что делает ее сложной и дорогостоящей процедурой, а также сложностью получения сорбента в виде однородной смеси разных компонентов и необходимостью отдельного предварительного получения каждого из этих компонентов. Кроме того, известный способ предназначен только для сорбции жидкостей.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ сорбции и десорбции паров воды с использованием пористых и импрегнированных сорбентов, интенсифицированного наложением электрофизического воздействия (патент РФ №2215570, 2003 г). В этом способе процессы сорбции и десорбции осуществляют с воздействием на сорбент источника электрического или электромагнитного поля, в качестве которого предусмотрено использование конденсатора или соленоида, обеспечивающих создание электрического поля или импульсного электромагнитного поля промышленной частоты 50 Гц с напряженностью 1-5 А/м. В это поле помещают адсорбер с сорбентом, подвергающимся насыщению или регенерации, в зависимости от типа воздействия, что обеспечивает повышение скорости сорбции или десорбции, а также высокой или низкой сорбционной емкости сорбента, также в зависимости от типа электрофизического воздействия.

Недостатками этого известного способа сорбции и десорбции является необходимость в воздействии при проведении сорбции электрического или электромагнитного полей, создаваемых специальными устройствами, что делает этот способ сложным и не всегда технически применимым. К тому же эффективность известного способа, то есть увеличение сорбционной емкости при таком воздействии, сравнительно невелика (примерно 15-30%).

Задачей настоящего изобретения является способ сорбции и десорбции паров органических соединений, проводимый с более высокой, чем в известных способах, эффективностью и сорбционной емкостью, с использованием сравнительно несложного способа воздействия на сорбент.

Для решения указанной задачи предложен способ проведения сорбции и десорбции паров органических соединений, осуществляемый при воздействии на сорбент электромагнитного излучения, где в качестве сорбента используют фуллереносодержащий материал, а в качестве электромагнитного излучения используют видимый свет или ультрафиолетовое излучение, при этом проведение сорбции осуществляют при использовании излучения видимого света в диапазоне длин волн 400-600 нм или ультрафиолетового излучения в диапазоне длин волн 300-400 нм.

Фуллереносодержащий материал, используемый в качестве сорбента, может представлять собой любой тип сорбента, содержащий фуллерены, в частности углеродный материал или неуглеродный материал, например силикагель. Авторы неожиданно обнаружили, что при воздействии на такой материал светового или ультрафиолетового излучения его сорбционная емкость существенно повышается (в 1,5-9 раз), а при снятии этого воздействия емкость вновь падает. Благодаря этому процессы сорбции и десорбции становятся намного более эффективными и при этом не требуют использования сложных устройств. В качестве излучения можно использовать видимый свет в диапазоне длин волн 400-600 нм, предпочтительно фиолетовый свет в диапазоне длин волн 400-460 нм, или ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн 300-400 нм. Эффект повышения сорбционной способности наблюдается в отношении широкого ряда органических соединений в парообразном виде.

Дополнительное преимущество в виде более полной десорбции можно получить при использовании в процессе десорбции красного света в диапазоне длин волн 610-700 нм или при проведении десорбции в отсутствие источника излучения.

Процессы сорбции и десорбции можно преимущественно проводить в одном устройстве. Это позволяет упростить их проведение путем воздействия светом на сорбент при сорбции и снятия этого воздействия (или, в альтернативном случае, воздействуя другим светом) при десорбции, что повышает технологичность и экономичность всего цикла.

С целью достижения ощутимого эффекта количество фуллеренов в фуллереносодержащем материале предпочтительно составляет не менее 0,1% мас.

На фиг.1 приведено схематичное изображение устройства, в котором в статических условиях проводились процессы сорбции и десорбции в отсутствие облучения и при облучении видимым светом или УФ-излучением: а) - при облучении; б) - в отсутствие облучения. Цифрами обозначены: 1 - источник излучения; 2 - черная непроницаемая для излучения защитная оболочка; 3 - стеклянный эксикатор с гладкой крышкой; 4 - стеклянный контейнер (бюксы) со слоем исследуемого материала - сорбента; 5 - адсорбат в жидком состоянии в эксикаторе, обеспечивающий генерацию паров сорбируемых молекул в газовую фазу.

На фиг.2 приведено схематичное изображение устройства для проведения процессов сорбции и десорбции при облучении (а) и в отсутствие облучения (б) в динамических условиях опыта, например, для создания «концентраторов», используемых в хроматографии. Цифрами обозначены: 1 - источник излучения; 2 - черная непроницаемая для излучения защитная оболочка; 4 - стеклянный контейнер (адсорбер) со слоем исследуемого материала - сорбента; 5 - адсорбат в виде пара в смеси с воздухом, подаваемый в адсорбер.

Авторами настоящего изобретения установлено, что степень повышения сорбционной емкости сорбентов, содержащих фуллерены, при воздействии на сорбент светового или УФ-излучения оказывается значительно большей, чем при воздействии магнитного поля. Например, воздействие на фуллерен С₆₀ магнитного поля повышает его сорбционную емкость примерно на 15%, а воздействие видимого света - на 110-180%, то есть примерно в 2-3 раза. Аналогичные результаты получены и при испытаниях других фуллереносодержащих сорбентов. Таким образом, сорбционная емкость может быть повышена простым и дешевым способом, просто путем освещения сорбента дневным светом. В качестве излучения можно использовать излучение видимого света в области длин волн 400-600 нм, при этом предпочтительно использование фиолетового света с длиной волны 400-460 нм либо ультрафиолетовое излучение с длиной волны 300-400 нм. Воздействие УФ-излучения является весьма эффективным, хотя создание такого излучения требует специального источника (УФ-генератора), что связано с повышенными затратами.

Что не менее важно, данный эффект является обратимым, то есть при снятии воздействия света или УФ-излучения сорбционная емкость резко падает, что дает возможность проведения десорбции и регенерации сорбента простым выключением света или УФ-источника. Для обычных углеродных сорбентов, таких как активный уголь или графит, проведение десорбции и регенерации сорбента требует нагревания при температуре около 150°С, что связано с большими энергозатратами и необходимостью в отдельном нагревательном устройстве. Кроме того, авторы установили, что десорбция может протекать более полно и интенсивно при воздействии сравнительно менее энергетичного красного света, например красного света с длиной волны 610-700 нм.

Предложенный в настоящем изобретении способ предусматривает возможность проведения процессов сорбции и десорбции в одном и том же устройстве, что является удобным с точки зрения периодической регенерации сорбента. Устройство может представлять собой емкость с сорбентом, имеющую прозрачные стенки для попадания внутрь него видимого света или УФ-излучения (при десорбции с использованием красного света - и этого света). Сорбент, содержащий фуллерены, может находиться в виде порошка, гранул различного вида и размера либо в нанесенном на подложку виде для более высокоэффективного использования фуллеренов, находящихся на подложке в тонком слое.

Авторы предполагают, не ограничивая данное изобретение теоретическими соображениями, что при обработке фуллереносодержащих материалов указанным световым или УФ-излучением повышение их сорбционной емкости может быть обусловлено как изменением свойств поверхности молекул фуллерена, так и ассоциатов данной модификации углерода при искривлении плоскости слоя фуллерена, с увеличением, например, толщины и емкости монослоя сорбируемых веществ, и при увеличении расстояний между сфероподобными молекулами фуллерена.

Далее изобретение иллюстрируется не ограничивающими его примерами.

Примеры

Испытывали следующие образцы материалов:

С₆₀ - фуллерен С₆₀ в кристаллическом виде (фуллерит);

С_∑ - смесь фуллеренов разных молекулярных масс;

ФС_4,2 - фуллереновая сажа с содержанием фуллеренов 4,2% мас.;

ФС_8,2 - фуллереновая сажа с содержанием фуллеренов 8,2% мас.;

ФЧ_0,1 - фуллереновая чернь, содержание фуллерена 0,1% мас.;

ФЧ_0,1T - фуллереновая чернь после термообработки при 150°С в течение 4 ч;

СГ+4% C_∑ - мелкопористый силикагель марки КСМГ с добавкой 4% С_∑;

АУ - активный уголь СКТ-6А.

Пример 1 - определение сорбционной емкости по бензолу

Испытывали образцы углеродных материалов С₆₀, C_∑ и ФС_4,2, каждый из которых массой 5 г помещали в стеклянный сосуд, подавали в него пары бензола и выдерживали в них в течение 5 ч (до достижения насыщения). При проведении сорбции согласно изобретению образцы одновременно облучали белым светом от лампы мощностью 60 Вт, в контрольных опытах облучение не проводили. Сорбционную емкость образцов по парам бензола определяли путем их периодического взвешивания. Аналогичным образом на ФС_8,2 определяли величину сорбционной емкости (А) в отношении различных классов органических веществ.

Результаты приведены в табл.1 и 2. Видно, что сорбционная емкость облученных образцов в 1,5-2 раза выше, чем необлученных.

Таблица 1Влияние освещенности (60 Вт) на величину сорбционной емкости (А) фуллеренсодержащих материалов по отношению к бензолуОбразецОсвещенностьА, г/гФС₄дБелый свет0,63ФС₄дОтсутствует0,40С_ΣБелый свет0,35С_ΣОтсутствует0,17С₆₀Белый свет0,17С₆₀Отсутствует0,10Таблица 2Влияние освещенности (60 Вт) на величину сорбционной емкости (А) по адсорбатам различных классов органических веществ на ФС_8,2 А, г/гАдсорбат   Освещение, белый светБез освещенияБензол0,320,15Хлорбензол0,270,20Гексан0,490,24Четыреххлористый углерод0,720,53Хлороформ0,650,52Этанол0,240,18Ацетон0,260,20Уксусная кислота0,040,03

Пример 2

Испытывали более широкий спектр образцов, повторяя условия примера 1 с теми отличиями, что использовали излучение видимого света разной длины волны или УФ-излучение при разной мощности источника. Результаты приведены в табл.3.

Видно, что воздействие излучения повышает сорбционную емкость фуллереносодержащих материалов, в особенности под действием УФ-излучения, в то время как активность угля СКТ остается на одном и том же уровне.

Таблица 3Влияние света видимого спектра с различной длиной волны и УФ-излучения на сорбционную емкость фуллеренсодержащих материалов по отношению к бензолу, г/г (в скобках - % от предельной емкости, достигаемой при облучении белым светом).ОбразецХарактеристика светового спектра / мощность источникаБез светаКрасныйФиолетовыйБелыйУФ25 Вт*60 Вт*25 Вт60 Вт60 Вт25 Вт60 Вт60 ВтС₆₀0,06
(35)0,07
(39)0,06
(35)0,08
(44)0,12
(67)0,17
(100)0,18
(100)0,24
(133)C_∑0,03
(10)0,03
(10)0,06
(20)0,12
(40)0,20
(67)0,30
(100)0,30
(100)0,35
(117)ФС_4,20,10
(33)0,07
(19)0,10
(33)0,09
(25)0,22
(61)0,30
(100)0,36
(100)0,40
(111)ФЧ₀,₁0,10
(50)0,09
(32)0,15
(75)0,10
(36)0,20
(71)0,20
(100)0,28
(100)0,30
(107)ФЧ_0,1Т0,16
(76)-0,18
(86)0,08
(35)0,20
(87)0,21
(100)0,23
(100)-СГ + 4% С_∑0,35
(73)-0,38
(79) 0,45
(94)0,48
(100)-0,53
(110)АУ0,40
(103)0,39
(98)0,40
(100)0,40
(100)0,40
(100)0,39
(100)0,40
(100)0,41
(103)* источник света закрыт черным экраном (чтобы уравнять интенсивность теплового воздействия на сорбент для контрольного опыта по сравнению с другими).

Пример 3

Для образцов С_∑ и ФС_4,2 было исследовано влияние длительности освещения, частоты светового излучения и температуры на сорбцию бензола, а также влияние освещения красным светом при десорбции. Как видно из данных табл.4, воздействие красным светом заметно повышает степень десорбции.

Таблица 4Проведение процессов сорбции - десорбции паров бензола (А, г/г) путем изменения освещенности сорбентов (τ=4 ч, Т=25°С).ОбразецНомер циклаСорбцияДесорбцияСветА, г/гСветА, г/г (% десорбции)C_∑1Фиолетовый0,22Красный0,10 (55)1Фиолетовый0,25Красный0,08 (68)1*Фиолетовый0,21Красный0,10(48)2*Фиолетовый0,18Красный0,08 (44)1Белый0,28Без света0,22 (21)1Белый (16°С)0,35Без света0,30 (14)ФС_4,21Фиолетовый0,30Красный0,05 (83)1*Фиолетовый0,23Красный0,02 (91)2*Фиолетовый0,23Красный0,01 (96)1Белый (9°С)0,50Без света0,20 (60)* - длительность процесса сорбции 2 ч.

Таким образом, воздействие видимого света или ультрафиолетового излучения обеспечивает повышение эффективности сорбции на фуллереносодержащих материалах, а применение красного света или полное снятие освещения ведет к более эффективной десорбции органических соединений.

Предложен способ проведения сорбции и десорбции паров органических соединений при воздействии на сорбент электромагнитного излучения, при этом в качестве сорбента используют фуллереносодержащий материал, а в качестве электромагнитного излучения на стадии сорбции используют видимый свет с длиной волны 400-600 нм или ультрафиолетовое излучение с длиной волны 300-400 нм. Десорбцию проводят при воздействии красного света с длиной волны 610-700 нм или путем снятия излучения. Способ позволяет упростить процесс и повысить его эффективность. 5 з.п. ф-лы, 4 табл., 2 ил.

1. Способ проведения сорбции и десорбции паров органических соединений при воздействии на сорбент электромагнитного излучения, отличающийся тем, что в качестве сорбента используют фуллереносодержащий материал, а в качестве электромагнитного излучения используют видимый свет или ультрафиолетовое излучение, при этом проведение сорбции осуществляют при использовании излучения видимого света в диапазоне длин волн 400-600 нм или ультрафиолетового излучения в диапазоне с длиной волны в диапазоне 300-400 нм.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процессы сорбции и десорбции проводят в одном устройстве.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество фуллеренов в фуллереносодержащем материале составляет не менее 0,1 мас.%.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве видимого света при проведении сорбции используют фиолетовый свет с длиной волны в диапазоне 400-460 нм.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при проведении десорбции используют красный свет с длиной волны в диапазоне 610-700 нм.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при проведении десорбции используют прием полного снятия светового или иного электрофизического воздействия.