Инновации в технологиях активированного связывания углерода для повышения механической прочности

Введение в технологии активированных углеродных биндеров

Активированный уголь является краеугольным материалом в широком спектре промышленных применений, от очистки воды и фильтрации воздуха до систем хранения энергии и разделения газа.Эффективность активированного угля в этих ролях часто диктуется не только присущими ему адсорбционными свойствами, но и механической целостностью образующихся композитов.Пеллеты, гранулы и монолитные структуры требуют достаточной прочности, чтобы выдерживать суровые условия производства, обработки и обслуживания, такие как перепады давления, тепловой цикл и механическая вибрация.

Технологии биндеров являются невоспетыми героями, которые превращают свободный активированный угольный порошок в надежные, пригодные для использования формы. Традиционные связующие вещества служили этой цели в течение десятилетий, но они приходят с компромиссами с точки зрения термической стабильности, воздействия на окружающую среду, а иногда и адсорбционной способности. Последние инновации в связующих материалах и составах направлены на устранение этих ограничений лоб в лоб, предлагая повышенную механическую прочность, не жертвуя основными показателями активированного угля.

В этой статье рассматриваются современные технологии связывания с активированным углем, рассматривается, как новые материалы и подходы повышают механическую прочность, долговечность и устойчивость. Мы рассмотрим традиционные методы, инновационные семейства связующих, их влияние на свойства композитов, производственные соображения и будущую траекторию этой критической области.

Традиционные технологии биндеров и их ограничения

В течение многих лет промышленность активированного угля полагалась на несколько типов связующего вещества для агломерации мелких частиц углерода.

• Уголь-тарная и нефтяная смолы: Эти углеродистые связующие вещества недороги и обеспечивают хорошую зеленую прочность. Однако они требуют высокотемпературной карбонизации, высвобождения летучих органических соединений (ЛОС) и могут вводить примеси, которые блокируют поры.
• Асфальт и битум: Подобно смоле, они предлагают связывание, но страдают от плохой термической стабильности и могут смягчаться при повышенных температурах обслуживания.
• Синтетические полимерные смолы:] Фенольные смолы, поливиниловый спирт (PVA) и полиакрилонитрил (PAN) используются для создания прочных связей. Хотя они эффективны, они часто уменьшают доступный объем пор и могут быть дорогостоящими или экологически проблематичными во время утилизации.
• Глины и неорганические глины: Бентонит и каолин обеспечивают недорогое связывание, но обычно дают меньшую механическую прочность и могут добавлять значительное содержание золы, что может мешать в определенных приложениях, таких как обработка воды высокой чистоты.

Ограничения этих традиционных связующих хорошо документированы. Многие требуют высокотемпературной обработки, которая является энергоемкой и может изменять структуру пор углерода. Другие вводят нежелательные элементы или уменьшают конкретную площадь поверхности, доступную для адсорбции. Кроме того, экологические нормы все чаще ограничивают использование связующих веществ, полученных из ископаемого топлива, подталкивая отрасль к более экологичным альтернативам. Эти проблемы катализировали исследования в новых связующих системах, которые могут соответствовать современным требованиям производительности и устойчивости.

Инновационные биндерные материалы для активированного углерода

Последние достижения позволили создать разнообразный набор связующих материалов, которые обладают превосходными механическими свойствами, экологическими преимуществами или и тем, и другим.

Полимерные биндеры

Синтетические полимеры остаются сильным фокусом, но со значительными улучшениями термостабильности и совместимости с активированным углем. Термально стабильные полимеры, такие как полимид и полибензимидазол, могут образовывать прочные сети, которые выдерживают высокие температуры без ухудшения. Фенольные смолы были переформулированы для получения меньшего количества угля и сохранения большей открытой пористости. Другим перспективным подходом является использование прецерамических полимеров, таких как полисилоксаны и поликарбосиланы, которые превращаются в карбид кремния или оксикарбид кремния при пиролизе. Эти керамико-подобные связующие придают отличную механическую прочность и термическое сопротивление при минимизации блокировки пор.

Например, исследователи продемонстрировали, что монолиты активированного угля, связанные с прецерамическим полимером, могут достигать прочности на сжатие, превышающей 20 МПа, сравнимой со многими конструкционными материалами. Полученные композиты также демонстрируют незначительные потери в площади поверхности БЭТ, поскольку связующее занимает только тонкое покрытие на поверхностях частиц, а не наполнение микропор.

Биополимерные биндеры

Устойчивость является основным фактором в связующих инновациях, что приводит к повышенному интересу к возобновляемым, биоразлагаемым материалам. Биополимеры, такие как лигнин , целлюлоза , крахмал и хитозан , исследуются в качестве связующих альтернатив. Лигнин, побочный продукт целлюлозы бумаги, особенно привлекателен, потому что он обилен, недорог и имеет высокое содержание углерода, что способствует окончательной структуре углерода после пиролиза.

Целлюлозные нанокристаллы (CNC) и нанофибрилляционная целлюлоза (NFC) могут образовывать прочные водородно-связанные сети, которые механически блокируют частицы углерода вместе. Вяжущие вещества на основе крахмала эффективны в водной обработке и могут быть сшитыми для повышения водостойкости. Хитозан, полученный из хитина, обладает дополнительными антимикробными свойствами, что делает его пригодным для применения в очистке воды. Проблема с биополимерами часто достигает достаточной механической прочности без обширной перекрестной сшивки или термической обработки, но текущие исследования дают многообещающие составы.

Одно исследование показало, что замена 30% связующего лигнином в фенольной смоле увеличивает прочность сжатия активированных угольных гранул более чем на 40%, в то же время уменьшая углеродный след связующего на 50%.

Неорганические биндеры

Неорганические связующие вещества обеспечивают исключительную термическую и химическую стабильность. Для создания механически прочных композитов без необходимости высокотемпературной карбонизации используются кремниевые (SiO2) соли, гели из глинозема (Al2O3) и системы на основе фосфатов. Эти связующие вещества могут образовывать керамические мостики между углеродными частицами, обеспечивая высокую прочность на измельчение и устойчивость к агрессивным химическим средам.

Вяжущие вещества из фосфата алюминия, в частности, привлекли внимание своей способностью связываться при относительно низких температурах (около 200°C) и достигать прочности, сравнимой с органическими вяжущими веществами. Они также демонстрируют отличную устойчивость к окислению, продлевая срок службы активированного угля в высокотемпературных приложениях для фильтрации газа. Вяжущие вещества на основе силикатов, такие как силикат натрия, могут применяться в качестве водных растворов, делая обработку простой и экологически доброкачественной. Однако необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать избытка щелочи, которая может выщелачиваться в продукт.

Другой инновационный подход предполагает использование углеродных нанотрубок (CNT) или оксида графена в качестве связующих добавок.Небольшие количества этих наноматериалов могут значительно улучшить механическую блокировку и перенос нагрузки между активированными частицами углерода. В то время как стоимость наноматериалов остается барьером, их высокая эффективность означает, что для достижения значительных улучшений прочности на растяжение и сжатие необходимы только очень низкие нагрузки (0,1-1 мас.%).

Влияние новых биндеров на механическую силу

Основная цель инноваций в области связывания заключается в увеличении механической прочности композитов с активированным углем. Здесь мы рассмотрим конкретные улучшения свойств, достигнутые с помощью новых связующих.

Сжимающая и прочность на растяжение

Прочность на сжатие имеет решающее значение для применения на стационарных слоях, где углерод должен поддерживать свой собственный вес и противостоять дроблению под давлением. Прочность на растяжение важна для гранулированных и экструдированных форм, которые подвергаются обработке и транспортировке. Новые связующие продемонстрировали заметные улучшения в обеих метриках.

• Прецерамные полимерные связующие вещества дают прочность на сжатие, превышающую 25 МПа , по сравнению с 10-15 МПа для обычных систем на основе шага.
• Модифицированные лигнином фенольные смолы показали 30-50-процентное увеличение прочности на растяжение по сравнению с чистыми фенольными смолами.
• Неорганические фосфатные связующие вещества могут производить гранулы с прочностью на дробление, превышающей 4 кгс на частицу, пригодные для применения под высоким давлением.