СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО АДСОРБЕНТА, МОДИФИЦИРОВАННОГО ФУЛЛЕРЕНОМ Российский патент 2022 года по МПК B01J20/20 B01J20/32 C09C1/58 C01B32/152 C01B32/156 

Изобретение относится к области получения углеродных адсорбентов. Предложен адсорбент для адсорбции органических веществ, тяжелых металлов и микрофлоры из воды и водных растворов на основе графитированной термической сажи, содержащей фуллерен С₆₀ в количестве не более 0,0002 г. Также адсорбент пригоден для пассивной адсорбции органических веществ из газо-воздушной смеси почвогрунта.

В последнее время вкачестве адсорбентов находят применение углеродные материалы (графитированная термическаясажа), содержащие фуллерены - сферические молекулы из нескольких десятков атомов углерода. Такие фуллеренсодержащие углеродные материалы проявляют повышенные сорбционные свойства в отношении ряда сорбируемых веществ.

Известен способ получения углеродного материала, используемого в качестве адсорбента, включающий смешивание активированного древесного угля, фуллерена, фуллереновой сажи и пироуглерода до однородного состава, при массовом соотношении 10-50 мас. ч. смеси на 100 мас. ч. активированного угля (заявка РФ №2000123654, С12Н 1/02, 27.12.2002)

Недостатком известного сорбента и способа его получения является сравнительно невысокая эффективность адсорбента, обусловленная недостаточным взаимодействием фуллерена и угля при их простом смешивании, то есть отсутствие связывания фуллерена с поверхностью угля, что вызывает необходимость в одновременном воздействии электромагнитного и акустического полей при проведении адсорбции.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ получения адсорбента на основе активного угля, содержащего фуллерен (пат. №2322288 С1, 20.04.2008), включающий смешивание фуллерена и стабилизатора, выбранного из группы краун-эфиров, циклических простых диэфиров.

Недостатком прототипа является отрицательная особенность активного угля как адсорбента, а именно его термическая стабильность. При повышенных температурах, характерных для стадии десорбции (например, 250°С) происходит разложение активного угля.

Нерастворимость фуллерена в воде в настоящее время оправдывает использование органических растворителей, обеспечивающих максимальный выход фуллерена в раствор и удерживающих фуллерен в водном растворе, не допуская его выпадения в осадок. Соотношение фуллерен: стабилизатор может составлять от 1:440000 (по массе).

Задачей изобретения является устранение недостатка прототипа, а именно разработка способа, позволяющего модифицировать поверхность углеродного материала (графитированная термическая сажа, предел температуры 360°С) для пассивной адсорбции углеводородов С₅-С₂₀ водным раствором, содержащим фуллерен С₆₀, стабилизатор, выбранный из о-ксилола и толуола.

Указанная задача достигается тем, что в способе получения углеродного адсорбента, включающего обработку углеродного материала раствором, содержащим фуллерен и стабилизатор, поддерживающий фуллерен в растворе в дисперсном виде, проводят при массовом соотношении фуллерен: стабилизатор равном 1:440000 для о-ксилола и фуллерен: стабилизатор 1:435000 для толуола, согласно изобретению, в качестве углеродного материала используют графитированную термическую сажу, для обработки которого, используют 104 г 1Н раствора NaOH, содержащего фуллерен в количестве не более 0,0002 г, в который предварительно добавляют стабилизатор, выбранный из о-ксилола и толуола. Обработку ведут из расчета 1-50 мл раствора на 0,2 г графитированной термической сажи. Стабилизатор удаляют путем промывки или термообработки графитированной термической сажи после ее обработки раствором фуллерена.

Термообработку проводят при температуре 300°С в течение 0,5-3,0 ч в термодесорбере в потоке гелия.

Способ получения адсорбента для пассивной адсорбции органических веществ от С₅ (пентан) до С₂₀ (фитан) включает обработку графитированной термической сажи водным раствором, содержащим фуллерен С₆₀, с органическим растворителем, который выбирают из группы: гексан, хлороформ, бутанол, четыреххлористый углерод, бензол, о-ксилол, толуол.

Фуллерен увеличивает адсорбционную емкость и улучшает кинетику процесса адсорбции при модифицировании поверхности углеродного адсорбента. При этом известно, что молекула фуллерена, из-за особенности своего строения, характеризуется значительным перераспределением электронной плотности, благодаря чему введение фуллерена способно привести к перераспределению заряда на поверхности адсорбента и усилить взаимодействие между адсорбатом и адсорбентом, что приведет к увеличению поглотительной способности материалов.

Способ осуществляется следующим образом. Пример 1.

Фуллерен в количестве 0,0002 г (концентрация 1,042 мкг/г) помещали в 104 г 1Н раствора NaOH, в который предварительно было добавлено 88 г о-ксилола, смесь подвергали перемешиванию с помощью магнитной мешалки в течение 4 часов при температуре 30°С.

В полученный раствор поместили 0,2 г углеродного адсорбента (графитированная термическая сажа) и выдерживали в нем в течение 3 часов, отфильтровали через бумажный фильтр, отделили адсорбент, затем жидкость испарили, при необходимости, применяя нагревание. После испарения растворителя образец был подвергнут термической обработке в термодесорбере в течение 0,5-3,0 часов при температуре 300°С в потоке гелия. Скорость потока составляла 1,3 мл/мин. Полученный материал был промыт дистиллированной водой до получения нейтральной реакции смывных вод.

Предложенный адсорбент пригоден для адсорбции органических веществ, тяжелых металлов и микрофлоры из воды и водных растворов. Фуллерен может быть введен в адсорбент путем его нанесения на графитированную термическую сажу из водного раствора, также содержащего стабилизатор.

Пример 2.

Аналогично примеру 1, но с использованием в качестве стабилизатора толуола в количестве 87 г (по массе).

Сорбционные характеристики исходного и модифицированного углеродного адсорбента представлены в таблице.

Как видно из таблицы, при концентрации фуллерена в растворе выше 1,042 мкг/гс использованием в качестве растворителя о-ксилола в количестве 88 г по массе, происходит снижение величины адсорбции пористого модифицированного углеродного адсорбента к фитану С₆₀. При концентрации фуллерена выше 1,047 мкг/г с использованием в качестве растворителя толуола в количестве 87 г (по массе) также происходит снижение величины адсорбции пористого модифицированного углеродного адсорбента к фитану С₂₀. Оптимальными являются концентрация фуллерена 1,042 мкг/г, при количественном содержании о-ксилола 88 г и концентрация фуллерена 1,047 мкг/г при содержании толуола в растворе 87 г (по массе).

Дальнейшее увеличение концентрации фуллерена и количества введенного растворителя в растворе снижает сорбционную активность данного углеродного адсорбента. Скорее всего, в данном случае, фуллерен является своего рода катализатором, который модифицирует свойства поверхности адсорбента путем перераспределения на ней электронной плотности. При высокой концентрации фуллерена в растворе повышение сорбционной способности замедляется, поэтому более высокое содержание фуллерена нецелесообразно и экономически не выгодно.

Изобретение относится к области получения углеродных адсорбентов для адсорбции органических веществ, тяжелых металлов и микрофлоры из воды и водных растворов на основе графитированной термической сажи, содержащей фуллерен С₆₀. Также адсорбент пригоден для пассивной адсорбции органических веществ из газовоздушной смеси почвогрунта. Способ получения углеродного адсорбента включает обработку углеродного материала раствором, содержащим фуллерен и стабилизатор, поддерживающий фуллерен в растворе в дисперсном виде, при массовом соотношении фуллерен:стабилизатор, равном 1:440000 для о-ксилола, и фуллерен:стабилизатор 1:435000 для толуола. В качестве углеродного материала используют графитированную термическую сажу, для обработки которого используют 104 г 1Н раствора NaOH, содержащего фуллерен в количестве не более 0,0002 г, в который предварительно добавляют стабилизатор, выбранный из о-ксилола и толуола. Способ позволяет модифицировать поверхность углеродного материала для пассивной адсорбции углеводородов С₅-С₂₀ водным раствором, содержащим фуллерен С₆₀ и стабилизатор, выбранный из группы ароматических соединений. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 пр.

1. Способ получения углеродного адсорбента, включающий обработку углеродного материала раствором, содержащим фуллерен и стабилизатор, поддерживающий фуллерен в растворе в дисперсном виде, при массовом соотношении фуллерен:стабилизатор равном 1:440000 для о-ксилола и фуллерен:стабилизатор 1:435000 для толуола, отличающийся тем, что в качестве углеродного материала используют графитированную термическую сажу, для обработки которого используют 104 г 1Н раствора NaOH, содержащего фуллерен в количестве не более 0,0002 г, в который предварительно добавляют стабилизатор, выбранный из о-ксилола и толуола.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку ведут из расчета 1-50 мл раствора на 0,2 г графитированной термической сажи.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стабилизатор удаляют путем промывки или термообработки графитированной термической сажи после ее обработки раствором фуллерена.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что указанную термообработку проводят при температуре 300°С в течение 0,5-3,0 ч в термодесорбере в потоке гелия.