J. Geo. Chem. Soc., 2021, Vol. 1, Issue: 1, pp. 5 - 8
მეორადი ცელულოზაშემცველი მასალის ბაზაზე მიღებული გააქტივებული ნახშირბადოვანი მასალა
რაფიელ აგლაძის არაორგანული ქიმიისა და ელექტროქიმიის ინსტიტუტი,
ივანე ჯავახიშვილის სახელობის თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტი
Abstract.
მსოფლიოში ნარჩენების მართვა - ერთ-ერთი უმნიშვნელოვანესი პრობლემაა, რომლის გადაწყვეტაში სულ უფრო მეტი როლი ენიჭება მათგან ახალი მასალების მიღების ტექნოლოგიების შემუშავებას. შექმნილია სხვადასხვა ცელულოზაშემცველი მეორადი ნედლეულიდან მაღალი ხვედრითი ზედაპირის მქონე ნახშირბადოვანი მასალის მიღების ერთსაფეხურიანი, თერმოკონვერსიული მეთოდი. ამ მეთოდის უპირატესობა ერთ სტადიურობისა და სხვადასხვა რეჟიმების განხორციელების შესაძლებლობის გარდა ისაა, რომ პროცესისთვის იყენებენ არა მარტო რეაგენტს, არამედ პროცესში წარმოქმნილ სხვადასხვა აირს, როგორც ენერგეტიკულ წყაროს. აღნიშულ ღუმელში შესაძლებელია სხვადასხვა ცელოზაშემცველი მეორადი ნედლეულის გამოყენება. მიღებულია იაფი, მუდმივად განახლებადი მეორადი ნედლეულიდან (თხილის ნაჭუჭი, ნექტარინის კურკები, ხის ნახერხი) გააქტივებული ნახშირბადოვანი მასალა. შესწავლილია მიღებული პროდუქტის შემადგენლობა და ფიზიკური პარამეტრები. ნახშირბადოვანი მასალა შეიძლება გამოყენებული იქნეს ადსორბენტად, ანტიფრიქციული კომპოზიციური დანაფარების და ელგამტარი პოლიმერული კომპოზიციური მასალის მისაღებად.
Keywords: ეკოლოგია, ნარჩენების მართვა, ნახშირბადოვანი მასალა, ახალი ტექნოლოგია, ახალი მასალები
შესავალი
მსოფლიოში მძიმე ეკოლოგიური სიტუაციის გამოსწორებისათვის იხარჯება დიდი დრო და ენერგია. ნარჩენების მართვა - ერთ-ერთი უმნიშვნელოვანესი პრობლემაა, რომლის გადაწყვეტაში სულ უფრო მეტი როლი ენიჭება მათგან ახალი მასალების მიღების ტექნოლოგიების შემუშავებას.
სახელმწიფოთა უმრავლესობის, მათ შორის საქართველოს, ეკონომიკას მნიშვნელოვან წილად, სოფლის მეურნეობა განსაზღვრავს. იგი განიხილება, როგორც ეკონომიკის ერთ-ერთი მძლავრი ბერკეტი. ნარჩენები, რომლებიც წარმოიქმნება სასოფლო-სამეურნეო საქმიანობის შედეგად, საჭიროებენ განადგურებას ან შემდგომ გადამუშავებას. ამ მხრივ განსაკუთრებით საინტერესოა შედარებით მასშტაბური წარმოებები, მაგალითად, ხის დამუშავება და სოფლის მეურნეობის მცენარეული ნარჩენები (თხილის გადამამუშავებელი ქარხნები), რომელთაგან შესაძლებელია ისეთი მნიშვნელოვანი პროდუქტის მიღება, როგორიცაა გააქტივებული ნახშირბადოვანი მასალა.
გააქტივებული ნახშირების გამოყენების შესაძლებლობები განხილულია ლიტერატურაში [1]. გააქტივებული ნახშირბადოვანი მასალის გამოყენების პროცენტული გადანაწილება ლიტერატურის [2] მიხედვით გამოიყურება შემდეგნაირად (%):საკვები პროდუქტების წარმოება - 42.6;ტექნოლოგია - 38.0; გარემოს დაცვა - 10.0; სასმელი წყლის გაწმენდა - 4.7; სამედიცინო მიზნები - 4.7.
საქართველო სუბტროპიკული ზონის ერთ-ერთი ქვეყანაა, მრავალი სახეობის ცელულოზა შემცველი მაღალი ხარისხის ნედლეულის განახლებადი მარაგით, რომელიც შეიძლება წარმატებით გამოყენებული იქნეს გააქტივებული ნახშირბადოვანი მასალის წარმოებისთვის.
ლიტერატურაში [3] მოცემულია, რომ საქართველო თხილის უმსხვილეს მწარმოებელ ქვეყანათა ხუთეულშია. თხილი ძირითადად ევროკავშირისა და ევრაზიური კავშირის ქვეყნებში გადის. საქართველო, თურქეთთან ერთად, თხილის მსხვილ ექსპორტიორად ითვლება. თხილის წარმოებასთან მჭიდროდ არის დაკავშირებული ნარჩენების მართვისა და ნაჭუჭების გამოყენების პრობლემა. 1 კგ. გაუტეხავი თხილიდან დაახლოებით 0.4 კგ. ნაჭუჭი რჩება. გადამამუშავებელი საწარმოები, როგორც წესი, ნაჭუჭს ყიდიან დაბალ ფასად 0.15 - 0.20 ლარი/კგ. თხილის ნაჭუჭი ღირებულ პროდუქტად, მისი მაღალკალორიულობის გამო ძირითადად ენერგოწარმოებაში მიიჩნევა.
საქართველო ასევე ნექტარინის (ვაშლატამა) მწარმოებელ და ექსპორტიორ ქვეყნად ითვლება 2016 წლის იმპორტის რაოდენობამ 424 ტონა შეადგინა. ადგილობრივ წარმოებისთვის (ვაშლატამას წვენები და ჯემი) ნექტარინის ნარჩენი კურკებიც პრობლემას წარმოადგენს. საქართველოსთვის ტყე განსაკუთრებულად ფასეული ბუნებრივი რესურსია, რომელიც ქვეყნის ტერიტორიის მესამედზე მეტს მოიცავს და უმნიშვნელოვანესი სასიცოცხლო და ეკონომიკური ფუნქციები აკისრია, როგორც ეროვნულ, ისე რეგიონალურ ასპექტში. ტყეების საშუალო ასაკი საქართველოში დაახლოებით 100-120 წელია, ამიტომ ხე-ტყის წარმოება-გადამუშავებას სერიოზული პერსპექტივა გააჩნია [4].
გააქტივებული ნახშირი (carbo activatus) წარმოადგენს ძლიერ განვითარებული ზედაპირის მქონე ნივთიერებას, რომელიც მიიღება ორგანული წარმოშობის ნახშირბადშემცველი მასალისაგან (ძირითადად არყის ხის ნახერხი და ქოქოსის ქერქი). ქიმიის თვალსაზრისით, გააქტივებული ნახშირი არის არასრულყოფილი სტრუქტური და დიდი ზედაპირის მქონე, 87-97% შემცველობის ნახშირბადის ფორმა, მცირედი მინარევებით.მიმოხილვაში [5] განხილულია გააქტივებული ნახშირის მიღების ხერხები, პრობლემები და მათი გადაჭრის შესაძლებლობები. გააქტივებული ნახშირბადის წარმოებისთვის გამოიყენება სხვადასხვა ტიპის და კონსტრუქციის ღუმელები. ყველაზე ფართოდ გავრცელებულია: მრავალსაფეხურიანი, ლილვისებური, ჰორიზონტალური და ვერტიკალური ღუმელები. მიღებული გააქტივებული ნახშირბადის ძირითადი თვისებები განისაზღვრება საწყისი ცელულოზაშემცველი ნედლეულის ტიპით, აქტივატორის სახეობით და მისი დამუშავების მეთოდით. ამ მეთოდით მიღებული პროდუქტის- გააქტივებული ნახშირის გამოსავალი ერთ ტონა საწყისი ნედლეულიდან შეადგენს 0.2-0.45 ტონას [6] გააქტივებული ნახშირის მისაღებად საწყისი პროდუქტი გადის გადამუშავების შემდეგ სტადიებს. პირველ რიგში, ნახშირბადის შემცველი ნედლეული იფქვება (ნაწილაკების ზომა ~ 3-5 სმ), შემდეგ იგი ექვემდებარება კარბონიზაციას (პიროლიზი - მაღალ ტემპერატურაზე ინერტული ატმოსფერო). მიღებული ნახშირბადოვანი მასალის (კარბონიზატი) ფორების ზომები და ზედაპირი ძალიან მცირეა. ამიტომ, კონკრეტული სტრუქტურის მისაღებად კარბონიზატი ექვემდებარება შემდგომ გააქტიურებას.აქტივაციის პროცესი ემსახურება ნახშირბადოვან მასალაში არსებულ, დახურულ მდგომარეობაში მყოფი ფორების გახსნას. ეს პროცესი ხორციელდება თერმოქიმიურად: მასალა წინასწარ იჟღინთება თუთიის ქლორიდით (ZnCl2), კალიუმის კარბონატით (K2CO3) ან სხვა ნაერთებით და ხურდება 400 - 600°C ტემპერატურაზე ჰაერის გარეშე. ყველაზე გავრცელებული მეთოდი კი არის ნახშირბადოვანი მასალის დამუშავება ნაჯერი ორთქლით, ნახშირორჟანგით (CO2) ან მათი ნარევით 700-900°C ტემპერატურაზე, მკაცრი კონტროლის პირობებში. ამ დროს მიმდინარეობს რეაქცია რეაგენტსა და ნახშირბადოვან მასალას შორის, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ფორების განვითარებული სტრუქტურა და იზრდება მისიშიდა ზედაპირი. ესოპერაცია საშუალებას იძლევა მიღებული იქნეს ნახშირებადოვანი მასალა, რომელთა ზედაპირმა შეიძლება 1500 სმ2-ს მიაღწიოს (1 გრამი ნახშირის). ამ ხერხებით მიღებული გააქტივებული ნახშირბადი უნდა აკმაყოფილებდეს გარკვეულ სტანდარტს [7].
შედეგები და მათი განსჯა
რაფიელ აგლაძის სახელობის არაორგანული ქიმიის და ელექტროქიმიის ინსტიტუტში შემუშავებულია სხვადასხვა ცელულოზაშემცველი მეორადი ნედლეულიდან (თხილისა და კაკლის ნაჭუჭი, ნექტარინისა და ატმის კურკები, ხის ნახერხი, ბამბუკი) მაღალი ხვედრითი ზედაპირის მქონე ნახშირბადოვანი მასალის მიღების ერთსაფეხურიანი, თერმო კონვერსიული ტექნოლოგია. ამ მეთოდის უპირატესობა ერთ სტადიურობისა და სხვადასხვა რეჟიმების შესაძლებლობის გარდა ისაა, რომ პროცესისთვის იყენებენ არა მარტო რეაგენტს, არამედ პროცესში წარმოქმნილ აირს, როგორც ენერგეტიკულ წყაროს. აღნიშულ ღუმელში შესაძლებელია სხვადასხვა ცელულოზაშემცველი მეორადი ნედლეულის გამოყენება. მეთოდზე მიღებულია საქართველოს პატენტი [9]. დამზადებულია ჰორიზონტალური ღუმელი რეგულირებადი რეჟიმის შესაძლებლობით (სურ.1).
სურათი 1. ცელულოზაშემცველი მეორადი ნედლეულიდან მაღალი ხვედრითი ზედაპირის მქონე ნახშირბადოვანი მასალის მიღების ლაბორატორიული დანადგარი 1 - ღუმელი; 2 - მართვის ბლოკი; 3 - ინერტული აირის ბალონი;
4 - გაზური ფრაქციის დაყოფის სისტემა; 5 - წყლის მიწოდების სისტემა.
მიმდინარე სამუშაოში შესადარებლად აღებული გვაქვს ჩვენს ხელთ არსებული რუსული წარმოების გააქტივებული ნახშირი (bau-a). ცხრილში 1 მოცემულია აღნიშნული მეთოდით სხვადასხვა ცელულოზაშემცველი ნედლეულიდან მიღებული ნახშირბადოვანი მასალის და ქარხნული წარმოების გააქტივებული ნახშირის, ჩვენს მიერ, მასკანირებელ ელექტრონულ მიკროსკოპზე (HITACHI TM 3000), გაზომილი შემადგენლობა.
ცხრილი 1. ნახშირბადოვანი მასალის პროცენტული შემადგენლობა
| ნიმუში | ნიმუშების ქიმიური შემადგენლობა % | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
C |
O | Ca | Si | K | Al | Fe | S | Zn | Cr | Ni | Cu | F | |
| bau-a | 86.8 - 91.16 |
7.36 - 11.18 |
0 - 0.56 |
0.64 - 0.74 |
0.04 - 0.4 |
0.22 - 0.36 |
0.09 - 0.3 |
0.02 - 0.08 |
0.01 - 0.3 |
0.01 - 0.15 |
0 - 0.03 |
0.04 - 0.38 |
0.4 - 0.3 |
|
თხილის ნაჭუჭი |
82.03 - 83.55 |
11.49 - 12.76 |
0.3
- 0.09 |
2.09 - 2.66 |
0.23 - 0.56 |
0.92
- 0.77 |
0.39 - 0.63 |
0.19
- 0.29 |
0.2 - 0.3 |
0.01 - 0.08 |
0.09 - 0.27 |
0.13
- 0.2 |
- |
|
ხის ნახერხი |
87.70
- 94.67 |
5.95 - 10.55 |
0.00 - 0.25 |
0.45 - 0.63 |
0.00 - 0.36 |
0.04 - 0.31 |
0.00 - 0.27 |
- |
0.00 - 0.32 |
0.01 - 0.05 |
0.03
- 0.07 |
0.03 - 0.13 |
0.01 - 0.06 |
| ნექტარინი |
91.21 - 92.50 |
6,33 - 7.49 |
0.07 - 0.2 |
0.09
- 0.13 |
0.14 - 0.22 |
0.16 - 0.25 |
0.24 - 0.34 |
0.07
- 0.12 |
0.09 - 0.16 |
0.01 - 0.16 |
0.02 - 0.12 |
0.03 - 0.07 |
0.00 - 0.03 |
ცხრილში 2 და 3 მოცემულია ნახშირბადოვანი მასალის ფიზიკური პარამეტრები. ნაცრიანობა გაზომილია ტექნიკურ ნახშირბადში ნაცრიანობის შემცველობის სტანდარტ მეთოდით (ASTM D1506-15 USA) ანალიზატორ Gemini VII-ზე გაზომილია (მეთოდი დამყარებულია მყარ ზედაპირზე გაზის, კერძოდ აზოტის, ადსორბციის უნარზე) ნახშირბადოვანი მასალისა და ქარხნული ნიმუშის ზედაპირისა და მიკროფორების ფართობი, მიკროფორების მოცულობა. ლიტერატურის [8] მიხედვით ქარხნული წარმოების გააქტივებული ნახშირის (bau-a) ზედაპირის ფართობია - 700-800 მ2/გ.
ცხრილი 2. ნახშირებადოვანი მასალის ფიზიკური პარამეტრები
|
ნიმუში |
ტენიანობა, % |
ნაცრიანობა, % |
ნაყარი სიმკვრივე, გ/სმ3 |
|---|---|---|---|
|
სტანდარტი |
არაუმეტეს |
არაუმეტეს |
არაუმეტეს |
|
"bau-a" |
8.95 |
3.55 |
0.23 |
|
თხილის ნაჭუჭი |
8.4 |
2.95 |
0.24 |
|
ნექტარინი |
9.3 |
0.2 |
0.22 |
|
ხის ნახერხი |
9.7 |
1.3 |
0.21 |
ცხრილი 3. ნახშირებადოვანი მასალის ფიზიკური პარამეტრები
|
ნიმუში |
ზედაპირის ფართობი, მ2/გ |
მიკროფორების ფართობი, |
მიკროფორების მოცულობა, |
|---|---|---|---|
|
" bau-a" |
708.70 |
473.78 |
0.21 |
|
თხილის ნაჭუჭი |
637.33 |
427.65 |
0.20 |
|
ნექტარინი |
520.10 |
434.67 |
0.19 |
|
ხის ნახერხი |
492.95 |
391.76 |
0.18 |
დასკვნა.
მიღებული ნახშირბადოვანი მასალები ძირითადად აკმაყოფილებენ გააქტივებული ნახშირბადისათვის წაყენებულ მოთხოვნებს. მათი პრაქტიკული გამოყენების მიზნით შესწავლილი იქნა ნახშირბადოვანი მასალის ადსორბციის უნარი მძიმე ლითონების მიმართ [10]. მიღებული იქნა ნახშირბადშემცველი სპილენძის კომპოზიციური დანაფარები და შესწავლილი იქნა მათი ანტიფრიქციული თვისებები [11]. მიღებული ნახშირბადოვანი მასალის ბაზაზე დამზადებულია ელგამტარი კომპოზიციური პოლიმერები [12,13].
ლიტერატურა
[1] Х. Кинле и Э. Базер , Активные угли и их промышленное применение., Л: Химия, 1984, p. 215.
[2] Е. Ю. Беляев, “Получение и применение древесных активированных углей в экологических целях“, Химия растительного сырья., vol. 2, pp. 5-15, 2000.
[3] M. Chavleishvili, “Georgian Hazelnut Market: Assessment, Perspectives,“ Economics and Business, vol. 11, pp. 84-97, 2019.
[4] მ. ზარნაძე, „ხე-ტყის მრეწველობის პერსპექტივები საბაზრო ურთიერთობების პირობებში.,“ საქართველოს ეკონომიკა, 2009.
[5] А. Протасов, В. Козлова, В. Азаров и В. Пиялкин, «Получение и применение древесных активированных углей в экологических целях.,» Науч.тр. Моск. гос. ун-тета, т. 227, pp. 73-78, 1995.
[6] В. А. Столярова, «Новый справочник химика и технолога. Справочное издание,» в Сырье и продукты промышленности органических и неорганических веществ., 2006, p. 1142.
[7] Уголь активный (активированный) БАУ-А ГОСТ 6217-74..
[8] თ. მარსაგიშვილი, გ. ტატიშვილი, ნ. ანანიაშვილი, ბ. გაჩეჩილაძე, ჯ. მეტრეველი, მ. მაჭავარიანი, ე. ცხაკაია, ნ. გიორგაძე, ზ. სამხარაძე და მ. გ., „პლასტმასებისა და ცელულოზის შემცველი ნარჩენებიდან სორბენტების მიღების ხერხი“. საქართველო პატენტი 15030, 2021.
[9] T. Marsagishvili, G. Tatishvili, N. Ananiashvili, N. Giorgadze, E. Tskhakaia, J. Metreveli, M. Gachechiladze and M. Machavariani, “Adsorption of leadionson carbonaceous sorbents of nutshellobtained from secondary raw material.,“ in 4th International Conference on Nanotechnologies and Biomedical Engineering, , 2019.
[10] Z. Samkharadze, T. Marsagishvili, G. Tatishvili, M. Gachechiladze, J. Metreveli, N. Ananiashvili, M. Matchavariani, E. Tskhakaia and N. Giorgadze, “Copper composition electrochemical coatings with carbon material obtained from secondary raw materials.,“ International Journal of Green and Herbal Chemistry. Section A: Green Chemistry., vol. 10, no. 1, pp. 53-59, 2021.
Recieved: 02-04-2021 | Web published: 30-04-2021 | Views 531
