Волокнистий активований вуглецевий матеріал марки “борисфен”

1. Волокнистий активований вуглецевий матеріал, переважно поліамфолітний, що містить вуглецеву матрицю у вигляді карбонізованих і активованих полімерних волокон, що мають на поверхні кислотні і основні функціональні групи, який відрізняється тим, що матеріал характеризується U 1 3 кривленими шарами вуглецю з товщиною шарів 100-10000 Ангстрем і радіусом кривизни 100100000 Ангстрем. При цьому дійсна щільність ма3 теріалу складає 1,8-2,1г/см , його рентгенівська щільність складає 2,112-2,236г/см3, а розподіл пор за розміром має max в області 200-2000 Ангстрем [6]. Як аналог вибраний поліамфолітний волокнистий вуглецевий матеріал, що містить вуглецеву матрицю, яка має на поверхні кислотні й основні функціональні групи. Матеріал відрізняється тим, що як матрицю він містить карбонізовані й активовані полімерні волокна, що характеризується значенням сорбційної ємкості по метиленовому блакитному не менше 350мг/г при відношенні маси активованого матеріалу до маси карбонізованого волокна не менше 60%, а також характеризується величиною об'єму пор по бензолу не менше 3 0,52см /г. [7]. Технічними недоліками відомих вищезгаданих активованих вуглецевих матеріалів, в т.ч. і матеріалу аналога, є порівняно невисока сорбційна ємкість (тобто гранична можлива кількість сорбуємих домішок) і недостатня глибина очищення (тобто повнота видалення небажаних домішок), що обмежують можливість отримання високоочищених речовин і матеріалів. Як найбільш близький аналог вибраний волокнистий вуглецевий матеріал, поверхня якого, разом з кислотними, містить й основні функціональні групи, тобто поліамфолітний матеріал, який одержують обробкою волокон розчином суміші NAOH і гідразину [8]. Даний поліамфолітний матеріал володіє порівняно високою обмінною ємкістю: сумарна ємкість складає 6,5-4,5мекв/г, на частку кислотних припадає 2,3-3,5мекв/г. Недоліком матеріалу найбільш близького аналога є порівняно невисока сорбційна ємкість (тобто гранична можлива кількість сорбуємих домішок) і недостатня глибина очищення (тобто повнота видалення небажаних домішок), що обмежують можливість отримання високоочищених речовин і матеріалів. Задачею корисної моделі є отримання волокнистого активованого вуглецевого матеріалу високої сорбційної ємкості по бензолу при технічно допустимому ступені обгару активованих полімерних волокон шляхом ефективного вибору структури, структурних параметрів, а також складових компонентів матеріалу. Вказана задача досягається тим, що у волокнистому активованому вуглецевому матеріалі марки «Борисфен», переважно поліамфолітному, що містить вуглецеву матрицю у вигляді карбонізованих і активованих полімерних волокон, що мають на поверхні кислотні і основні функціональні групи, новим є те, що, матеріал характеризується значенням сорбційної ємкості по бензолу в межах від 3 1,2 до 2,4см /г при значенні ступеня обгару активованих полімерних волокон в межах від 50 до 70%. Як полімерні волокна матеріал містить полімерні волокна з поверхневою щільністю 502 180г/м , наприклад, у вигляді целюлозних або поліакрилонітрильних чи вуглецевих волокон діаме 47068 4 тром 0,09-11,0мкм, які характеризуються розподілом значень розміру діаметра пор за розміром в ділянці переважно 15-210 Ангстрем і величиною 2 питомої поверхні після активації 2500-3000м /г. Як полімерні волокна матеріал містить полімерні волокна матеріалів у вигляді ниток або текстильних волокон типу тканин, джгутів, трикотажу, нетканих полотен, матів або повсті, однонаправлених волокон, а також стрічок з одним напрямом волокнистих елементів. Перераховані ознаки способу складають сутність корисної моделі. Наявність причинно-наслідкового зв'язку між сукупністю істотних ознак корисної моделі і технічним результатом, що досягається, полягає в наступному. У відомих технологіях початковий поліамфолітний вуглецевий матеріал, одержаний карбонізацією полімерних волокон, переважно целюлозних чи поліакрилнітрильних, просочують водним розчином добавки. Внаслідок цього поверхня цього матеріалу, разом з кислотною, містить основні функціональні групи. Досягненню вказаної мети сприяє те, що як полімерні волокна матеріал містить полімерні волокна з поверхневою щільністю 50-180г/м2, наприклад у вигляді целюлозних або поліакрилонітрильних чи вуглецевих волокон діаметром 0,0911,0мкм, які характеризується розподілом значень розміру діаметру пор по розмірах в області переважно 15-210 Ангстрем, і характеризується питомою поверхнею після активації 2500-3000м2/г. Крім того, вибір структури, структурних параметрів,складаючи компонентів і властивостей матеріалу, а також особливості його активації є ноу-хау авторів даного технічного рішення, тому ці аспекти в описі розкриваються тільки частково. До того ж обробка створеного матеріалу проводиться без добавки азотовміщуючих й інших з'єднань, указаних в [1-8], що здешевлює процес одержання та підвищує якість одержуваного активованого матеріалу. Як полімерні волокна матеріал містить полімерні волокна матеріалів у вигляді ниток або текстильних волокон типу тканин, джгутів, трикотажу, нетканих полотен, матів або повсті, однонаправлених волокон, а також стрічок з одним напрямом волокнистих елементів, тобто охоплює широкий спектр структур і видів волокнистих матеріалів. Ці відмітні особливості в сукупності з використовуваними режимами і розробленим пристроєм для активаційної обробки дозволяють набувати необхідних значень сорбційної активності по бензолу, що перевершують аналогічні значення відомих сорбційно-активних вуглецевих матеріалів при технічно допустимому ступені обгару активованих полімерних волокон. Матеріал по корисній моделі одержують таким чином. Як добавку для просочення волокон використовують з'єднання, переважно органічні (наприклад, суміші NAOH і гідразину, кремнійорганічні й ін.). Просочене волокно піддають активуванню при температурі 750-1000°С, а потім охолоджують на 5 повітрі. Процес в камері активування регулюють так, щоб в результаті проведення цього процесу активування втрата маси початкового волокна (ступінь обгару) знаходилася в межах 50-70%. При перевищенні цього значення механічна міцність активованого матеріалу різко падає, і він стає непридатним для подальшої переробки. Одержане вуглецеве активоване волокно аналізують на сорбційну активність по бензолу. Для отримання інформації про пористість матеріалу використовують методи електронної мікроскопії, малокутового рентгенівського розсіяння, визначення загального об'єму пор ізопієстичним методом по воді, етиловому спирту і бензолу. Окислюваність матеріалу визначають по кількості відновленого перманганату калія у нейтральному розчині. Для доказу можливості промислової застосовності матеріалу по технічному рішенню, що заявляється, проводили порівняння властивостей відомих сорбційних волокнистих вуглецевих матеріалів і матеріалу по корисній моделі, одержаного при різних варіантах реалізації корисної моделі. Далі прийняті такі позначення: АУВМ - активований волокнистий вуглецевий матеріал (за відомими технічними); ВАУМ - волокнистий активований вуглецевий матеріал (за розробленим технічним рішенням). Нижченаведені приклади №№1-2 і №№7-10 відповідають відомим АУВМ, а приклади №№3-6 розробленим ВАУМ марки «Борисфен». При цьому вихідною сировиною для АУВМ медичного призначення, марки «Днепр»-МН (прототип ВАУМ марки «Борисфен»-МН), що промислово випускається, була тканина технічна УУТ-2 по ТУ 6-06-И78-85 або тканина технічна «ДЕСНА» по ТУ 6-12-4691259-38. ВАУМ марки «Борисфен» виготовлявся на базі полотна вуглецевого листового нетканого марки УНП, яке відповідало умовам ТУ 14-147-40-91. Приклад 1. Проводили аналіз АУВМ медичного призначення марки «Днепр»-МН (прототип ВАУМ марки «Борисфен»-МН), що промислово випускається. Температура обробки складала 750°С. Активований матеріал характеризується значенням 3 сорбційної ємкості по бензолу 0,9см /г при ступені обгару активованих полімерних волокон 50%, а також питомою поверхнею після активації 2 2300м /г. Приклад 2. Проводили аналіз АУВМ медичного призначення марки «Днепр»-МН (прототип ВАУМ марки «Борисфен»-МН), що промислово випускається. Температура обробки складала 900°С. Активований матеріал характеризується значенням 3 сорбційної ємкості по бензолу 1,1см /г при ступені обгару активованих полімерних волокон 60%, а також питомою поверхнею після активації 2 2000м /г. Приклад 3. Проводили аналіз ВАУМ марки «Борисфен» на базі промислово випускаємого полотна вуглецевого листового нетканого марки УНП. 47068 6 Температура обробки складала 750°С. Активований матеріал характеризується значенням сорбційної ємкості по бензолу 1,2см3/г при ступені обгару активованих полімерних волокон 50%, а також питомою поверхнею після активації 2500м2/г. Приклад 4. Проводили аналіз ВАУМ марки «Борисфен» на базі промислово випускаємого полотна вуглецевого листового нетканого марки УНП. Температура обробки складала 1000°С. Активований матеріал характеризується значенням 3 сорбційної ємкості по бензолу 2,4см /г при ступені обгару активованих полімерних волокон 55%, а також питомою поверхнею після активації 2 3000м /г. Приклад 5. Проводили аналіз ВАУМ марки «Борисфен» на базі промислово випускаємого полотна вуглецевого листового нетканого марки УНП. Температура обробки складала 900°С. Активований матеріал характеризується значенням сорбційної ємкості по бензолу 2,1см3/г при ступені обгару активованих полімерних волокон 60%, а також питомою поверхнею після активації 2600м2/г. Приклад 6. Проводили аналіз ВАУМ марки «Борисфен» на базі промислово випускаємого полотна вуглецевого листового нетканого марки УНП. Температура обробки складала 850°С. Активований матеріал характеризується значенням сорбційної ємкості по бензолу 2,0см3/г при ступені обгару активованих полімерних волокон 70%, а також питомою поверхнею після активації 2 2500м /г. Приклад 7. Проводили аналіз АУВМ у вигляді вуглецевої тканини марки УУТ-2, що промислово випускається. Температура обробки складала 750°С. Активований матеріал характеризується значенням сорбційної ємкості по бензолу 0,6см3/г при ступені обгару активованих полімерних волокон 30%, а також питомою поверхнею після активації 2 1500м /г. Приклад 8. Проводили аналіз АУВМ у вигляді вуглецевої тканини марки УУТ-2, що промислово випускається. Температура обробки складала 900°С. Активований матеріал характеризується значенням 3 сорбційної ємкості по бензолу 0,9см /г при ступені обгару активованих полімерних волокон 35%, а також питомою поверхнею після активації 1800м2/г. Приклад 9. Проводили аналіз АУВМ у вигляді вуглецевої тканини марки УУТ-2, що промислово випускається. Температура обробки складала 800°С. Активований матеріал характеризується значенням сорбційної ємкості по бензолу 0,75см3/г при ступені обгару активованих полімерних волокон 32%, а також питомою поверхнею після активації 2 1600м /г. Приклад 10. Проводили аналіз АУВМ у вигляді вуглецевої тканини марки УУТ-2, що промислово 7 випускається. Температура обробки складала 850 °С. Активований матеріал характеризується значенням 3 сорбційної ємкості по бензолу 0,8см /г при ступені обгару активованих полімерних волокон 33%, а також питомою поверхнею після активації 47068 8 2 1700м /г. Показники одержаних АУВМ марки «Дніпро»МН (прототип ВАУМ марки «Борисфен»-МН), ВАУМ марки «Борисфен» на базі полотна вуглецевого листового нетканого марки УНП, а також тканини марки УУТ-2 приведені в таблиці 1. Таблиця 1 Властивості волокнистого активованого вуглецевого матеріалу по прикладах № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 поверхнева ступінь обгару значення сорбційволокнистий вуглецевий матері- щільність полі- питома поверактивованих ної ємкості по беал мерних волокон, хня, м2/г полімерних во3 нзолу, см /г 2 г/см локон, % АУВМ «Днепр»-МН 300 2300 0,9 50% АУВМ «Днепр»-МН 250 2000 1,1 60% ВАУМ марки «Борисфен» на базі полотна вуглецевого лис180 2500 1,2 50% тового нетканого марки УНП ВАУМ марки «Борисфен» на базі полотна вуглецевого лис50 3000 2,4 55% тового нетканого марки УНП ВАУМ марки «Борисфен» на базі полотна вуглецевого лис70 2600 2,1 60% тового нетканого марки УНП ВАУМ марки «Борисфен» на базі полотна вуглецевого лис85 2500 2,0 70% тового нетканого марки УНП Тканина УУТ-2 210 1500 0,6 30% Тканина УУТ-2 230 1800 0,9 35% Тканина УУТ-2 330 1600 0,75 32% Тканина УУТ-2 290 1700 0,80 33% Експериментальне дослідження по використанню пропонованого матеріалу для очищення питної води показало можливість видалення до 99,5% фенолів, 96% нафтопродуктів, 98% пестицидів, 99% іонів важких металів. Пропонований ВАУМ може бути використаний при очищенні рідких середовищ від небажаних домішок, зокрема при очищенні питної води, стічних вод, при попередній підготовці вод виробничих циклів, а також для видалення небажаних домішок з газоподібних середовищ, для використання у електротехнічній промисловості, зокрема, як основний елемент (матриця) суперконденсаторів, який просочують розчином електроліту, а також для медичних цілей, оскільки отримуваний активований матеріал володіє вираженим гемостатичним і бактеріологічним ефектом, високою капілярністю і гігроскопічністю, що більш ніж у 3,5 рази перевищує гігроскопічність марлі. Крім того, можливе використання ВАУМ і в інших сферах (гідрометалургія, очищення стічних вод промислових виробництв тощо). ВАУМ марки «Борисфен» може маркуватися залежно від його призначення (сфери використання), наприклад: «Борисфен»-МН (де скорочення «МН» означає «медицинского назначения» (рос), тобто це матеріал для використання у медицині); «Борисфен»-СК (де скорочення «СК» означає «суперконденсатор», тобто це матеріал для приготування суперконденсаторів в електротехніці); «Борисфен»-Ф (де скорочення «Ф» означає «фільтр», тобто це матеріал для фільтрівсорбентів); «Борисфен»-ТВС (де скорочення «ТВС» означає «ТехВоєнСервіс», тобто це група матеріалів спеціального призначення для використання у сфері технічного військового сервісу, наприклад, засоби захисту - респіратори, протигази, виготовлення захисних елементів спецодягу для уловлювання рідинних і газоподібних отруюючих речовин, різноманітні поглиначі запахів у салонах військових транспортних засобів) й ін. Пропоноване технічне рішення пройшло успішну апробацію протягом 2009 року на базі Казенного заводу порошкової металургії Міністерства промислової політики України (м. Бровари Київської області) та Філії «Науковий центр Концерну «Техвоєнсервіс» (м. Київ) Міністерства оборони України. Джерела інформації: 1. Заявка Японии №61-58404, МПК С01В31/08, опубл. 1986. 2. Заявка Японии №3-10566, МПК С01В31/02, опубл. 1991. 3. Заявка Японии №1-31449, МПК С01В31/08, опубл. 1989. 4. Заявка Германии №3525961, МПК С 01 В 31/08, В 01 J 20/20, опубл. 1987. 5. Заявка Японии №62-61529, МПК С01В31/08, B01D53/02, B01D53/34, опубл. 1987. 6. Заявка Германии №3912886, МПК 9 47068 С01В31/00, С01В31/08, опубл. 1989. 7. RU №2070436, МПК (2006) B01J20/20, С01В31/08. Опубл. 20.12.1996. 8. Аширов А. Ионообменная очистка сточных Комп’ютерна верстка Л. Купенко 10 вод, растворов и газов. Химия, Ленинградское отделение, Л.: 1983. - С. 100-101. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601