Химия и Химики № 1 2014. Химическая Лаборатория, Посуда, Оборудование, Реактивы

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Активированный уголь и фосфаты титана (разное)

Ниже показаны образцы сорбентов - активированного угля и фосфатов титана. Нижний ряд - гранулы аморфного фосфата титана, полученные реакцией растворов фосфорной кислоты и технического сульфата титана (который содержит большое количество железа и алюминия). Гранулы получены на установке, которая описана в статье [1]. Разные образцы отличаются соотношением титан / фосфор в исходных веществах. Открою большой секрет: какой состав этих гранул никто не знает, т.к. в химическом институте нет ни одного человека, способного сделать анализ. Можно только сказать, то в процессе получения гранул часть фосфорной кислоты вымывается, т.е. фосфора в гранулах меньше, чем в исходных веществах.

Чем больше количество фосфорной кислоты в исходных реагентах, тем лучше сорбционные свойства полученных "шариков" (сорбция тяжелых металлов), но если дать фосфорной кислоты слишком много - вместо гранул получится "каша".

Справа сверху расположен т.н. окисленный уголь. Подобные образцы получают обработкой угля различными окислителями в мягких условиях, например, разбавленной азотной кислотой. В результате на поверхности угля появляются различные группы, содержащие кислород. Например: -OH и -COOH. Благодаря этим группам окисленный уголь обладает ионообменными свойствами. В частности, такой уголь используется для глубокой очистки реактивов.

Два пакетика слева и по центру (верхний ряд) - активированный уголь с фосфатом титана. Зачем понадобилось получать "смесь бульдога с носорогом", я не знаю, но сорбционные свойства у этих образцов отвратительные (по-видимому, фосфат титана забил поры активированного угля).

__________________________________________________
¹ Гели и гелеобразование (Колонна для получения гранулированных сорбентов) [ссылка]

На фотографиях ниже показан еще один образец фосфата титана, полученный аналогичным методом.

Значительная часть двигателей внутреннего сгорания работает на дизельном топливе. Очевидный недостаток "традиционного" дизельного топлива (солярки) состоит в том, что нефть является невосстанавливаемым ресурсом: ее запасы ограничены. Логичным было бы использовать для дизельных двигателей виды топлива, которые способны восстанавливаться. Например, растительное масло. Идея не нова: первый рабочий дизельный двигатель использовал арахисовое масло. Проблема в том, что подсолнечное, рапсовое и другие виды растительных масел имеют слишком высокую вязкость и не подходят в качестве топлива для большинства дизельных двигателей.

Один из выходов из ситуации - реакция переэтерификации растительных масел, при которой глицерин замещается на этиловый или метиловый спирт. Технология этого процесса хорошо отработана [2]. Катализаторами этого процесса служат кислоты и щелочи. Применение дешевых гомогенных катализаторов вроде едкого натра или фосфорной кислоты легко позволяет достичь выхода процесса 80-90%. Во всем мире уже давно построены заводы... Но зам. директора по науке сказал: "Едкий натр - это дорого!". Так он обосновал необходимость разработки гетерогенных катализаторов для биодизеля.

Сама идея неплохая: ведь гетерогенный катализатор можно отделить от реакционной смеси и использовать многократно. Проблема в том, что все испробованные катализаторы давали низкий выход (величина 50% считалась хорошим выходом). И что еще хуже, такие катализаторы после нескольких циклов теряли активность.

В качестве катализаторов были испробованы разные продукты - всё, что смогли приготовить в институте. Например, композит оксида циркония и оксида вольфрама. Были и многочисленные попытки использовать в качестве катализатора уголь. В частности - уголь с фосфорной кислотой. Идея простая: многоатомные спирты - глицерин, углеводы и т.д. образуют с фосфорной кислотой соединения. Смеси фосфорной кислоты с глицерином, углеводами и даже с эпоксидной смолой нагревали до обугливания и испытывали в качестве катализатора. Планировалось получить уголь, на поверхности которого расположены кислотные группы -PO₄H₂ (и аналогичные). Проблема в том, что такие катализаторы быстро теряли активность: фосфорная кислота из них вымывалась. По-видимому, она содержалась в образцах не в виде групп, химически связанных с поверхностью, а в виде полифосфорных кислот. Фотография одного из таких катализаторов дана ниже.

Логичный вопрос: зачем проводить подобные исследования? Ответ банален: ради получения государственного финансирования. Чиновники от науки привыкли выдавать (в своих внутренних отчетах) самую провальную работу за большой успех. Разумеется, до статей в солидных журналах дело не доходит.

__________________________________________________
² См. статью Принцип получения биодизеля [ссылка]

Ниже показаны некоторые стадии работы по получению активированного угля с "бутылочными" порами - широкими порами с узким отверстием ("бутылочным горлышком"). Такой уголь, в частности, необходим для получения "шахтного метана". При добыче каменного угля в воздух шахт выделяется метан. Это служит причиной многочисленных взрывов, которые уносят жизни большого числа шахтеров.

В то же время, шахтный метан - не только причина постоянной опасности, а и перспективный источник топлива. Для того чтобы выделять метан из смеси с воздухом нужны специальные сорбенты. С этой целью прекрасно справляются некоторые марки активированного угля. Одна из донецких шахт закупила установку для получения шахтного метана у японской фирмы. Установка прекрасно работала, но со временем оказалось, что сорбент нужно менять, причем новый сорбент стоит почти сколько же, столько новая установка.

Принцип получения угля с порами "бутылочное горлышко" следующий. В легколетучем растворителе растворяют небольшое количество труднолетучего углеводорода. Раньше в качестве легколетучего растворителя использовали ацетон, труднолетучего - ундекан (примерно соответствует керосину). В данном случае ацетона не было ("прекурсор"), поэтому пришлось использовать "растворитель 647" [3].

Далее уголь заливают раствором ундекана в летучем растворителе, перемешивают и оставляют медленно испаряться. Когда низкокипящий растворитель улетучится, уголь помещают в кварцевую трубку печи. Включают ток аргона и быстро вносят уголь в заранее нагретую (до 800°С) печь. Ундекан, который находился в порах, от резкого нагрева частично испаряется, а частично разлагается с образованием углерода. Уголь забивает отверстия пор, но не полностью (это обеспечивается режимом эксперимента). В результате устья пор сужаются, образуя подобие бутылочного горлышка.

Интересное явление происходит, когда активированный уголь (в данном случае - СКН) залить растворителем 647. Уголь резко "вскипает" - происходит активное выделение газа, как от реакции уксусной кислоты с содой. Но в данном случае химической реакции не происходит: органический растворитель вытесняет воздух из пор активированного угля.

Кстати, аналогичное явление имеет место, если высыпать активированный уголь в горячую воду. Один из распространенных приемов в органической химии - очистка растворов веществ путем добавления активированного угля. Если раствор горячий - уголь нужно добавлять осторожно, небольшими порциями - в противном случае возможно бурное выделение воздуха и выплескивание раствора из сосуда.

Также заметил, что при добавлении растворителя 647 к активированному углю происходит разогрев, иногда - довольно сильный. По-видимому, это теплота сорбции.

__________________________________________________
³ Согласно ГОСТ растворитель 647 - смесь толуола и других углеводородов, но сейчас под этим названием может продаваться что угодно.

Смотреть Видео (16 Мб, .avi )