Спосіб активації волокнистого вуглецевого матеріалу марки “борисфен”

1. Спосіб активації волокнистого вуглецевого матеріалу, що включає активування волокна початкового вуглецевого карбонізованого матеріалу в печі в температурному діапазоні, верхнє значення якого не перевищує 1000 °С в атмосфері, що містить наперед задану мінімальну кількість пари, що утворюється в результаті подачі води в піч, до досягнення ступеня обгару активованих полімерних волокон, вимірюваного у %, в наперед заданих межах, який відрізняється тим, що активування карбонізованого волокна в печі здійснюють періо U 2 (19) 1 3 наннями, карбонізацію волокон при температурі від 200 до 350°С до втрати маси від 40 до 75% від початкової маси волокна, подальше активування карбонізованого волокна в діапазоні від 450 до 1000°С в атмосфері, що містить не менше 5% водяної пари, до втрати маси волокном від 65 до 95% від її початкового значення. При цьому залишковий вміст фосфору в порівнянні з його початковим значенням складає не більше 70% при нагріванні на етапі карбонізації і не більше 10% після операції активування [2]. Недоліком способу найбільш близького аналога є високі енерговитрати на його реалізацію, порівняно невисока отримувана сорбційна ємкість (тобто гранична можлива кількість сорбуємих домішок) і недостатня глибина очищення (тобто повнота видалення небажаних домішок), що обмежують можливість одержання високоочищених речовин і матеріалів. Окрім цього, при отриманні активованих вуглецевих матеріалів за способом найбільш близького аналога на їх поверхні утворюється обмежена кількість кислотних функціональних груп, а кількість основних іонообмінних груп відомими методами аналізу не визначається, тобто відомі способи дозволяють отримувати матеріали тільки з незначними кислотними властивостями. При цьому використання при карбонізації й активуванні фосфоровміщуючих з'єднань обумовлює присутність цих фосфорних й інших небажаних функціональних груп в активованому матеріалі, що різко знижує можливість використання матеріалу для одержання з'єднань з високим ступенем очищення. Задачею корисної моделі є розробка ефективного способу активації волокнистих вуглецевих матеріалів, що дозволяє отримувати високу сорбційну ємкість по бензолу при технічно допустимому ступені обгару активованих полімерних волокон шляхом вибору ефективних режимних параметрів активації. Вказана задача досягається тим, що у способі активації волокнистого вуглецевого матеріалу марки «Борисфен», що включає активування волокна початкового вуглецевого карбонізованого матеріалу в печі в температурному діапазоні, верхнє значення якого не перевищує 1000°С, в атмосфері, що містить наперед задану мінімальну кількість пари, що утворюється в результаті подачі води в піч, до досягнення ступеня обгару активованих полімерних волокон, вимірюваного у %, в наперед заданих межах, новим є те, що, активування карбонізованого волокна в печі здійснюють періодичним способом і одночасно для декількох шарів волокна початкового карбонізованого вуглецевого матеріалу, подачу води в піч здійснюють по досягненню температури нагріву в печі від 100 до 120°С, після цього протягом 5-8 год підвищують температуру в печі до температури витримки, що становить від 750 до 1000°С, проводять витримку при цій температурі протягом 2-3 год, після чого охолоджують піч при вимкненому нагріві, а при досягненні температури від 100 до 120°С відключають подачу води у піч. 47069 4 Отримують волокнистий активований вуглецевий матеріал, який характеризується значенням сорбційної ємкості по бензолу в межах від 1,2 до 3 2,4см /г при значенні ступеня обгару активованих полімерних волокон в межах від 50 до 70%. Кожне з полімерних волокон виконують у вигляді целюлозних або поліакрилонітрильних чи вуглецевих волокон діаметром 0,09-11,0мкм з ха2 рактеристикою поверхневої щільності 50-180г/м і з розподілом значень розміру діаметру пор по розмірах в області переважно 15-210 Ангстрем. 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. При температурі витримки, що становить менше 750°С, спостерігається зниження ступеня активації вуглецевого матеріалу. А при температурі витримки, що становить більше 1000°С, спостерігається велика величина угару, збільшення числа функціональних груп, руйнування структури і матеріалу в цілому. Початковий поліамфолітний вуглецевий матеріал, одержаний карбонізацією полімерних волокон, переважно целюлозних, поліакрилонітрильних, просочують водним розчином добавки, внаслідок чого поверхня цього матеріалу, разом з кислотною, містить й основні функціональні групи. Як полімерні волокна матеріал містить полімерні волокна з поверхневою щільністю 50180г/м2, наприклад у вигляді целюлозних або поліакрилонітрильних чи вуглецевих волокон діаметром 0,09-11,0мкм, які характеризуються розподілом значень розміру діаметру пор по розмірах в області переважно 15-210 Ангстрем. Як полімерні волокна матеріал містить полімерні волокна матеріалів у вигляді ниток або текстильних волокон типа тканин, джгутів, трикотажу, нетканих полотен, матів або повсті, однонаправлених волокон, а також стрічок з одним напрямом волокнистих елементів, тобто використовується широкий спектр структур і структурних організацій волокнистих матеріалів. Просочене волокно піддають активуванню при температурі 750-1000°С, а потім охолоджують на повітрі. Як добавку використовують з'єднання, переважно органічні (наприклад, суміші NAOH і гідразину, кремнійорганічні і ін.). Процес в камері активування регулюють так, щоб в результаті проведення цього процесу 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 одержання інформації про пористість матеріалу використовують методи електронної мікроскопії, малокутового рентгенівського розсіяння, визначення загального об'єму пор ізопієстичним методом по воді, етиловому спирту і бензолу. 5 Окислюваність матеріалу визначають по кількості відновленого перманганату калія в 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. Спосіб по корисній моделі реалізують таким чином. Здійснюють активування волокна початкового карбонізованого вуглецевого матеріалу в печі в температурному діапазоні, верхнє значення якого не перевищує 1000°С, в атмосфері, що містить наперед задану мінімальну кількість пари, що утворюється в результаті подачі води у піч, до досягнення ступеня обгару активованих полімерних волокон, вимірюваного у %, в наперед заданих межах. При цьому активування карбонізованого волокна в печі здійснюють періодичним способом і одночасно для декількох шарів волокна початкового карбонізованого вуглецевого матеріалу. Подачу води у піч здійснюють по досягненню температури нагріву в печі від 100 до 120°С, після чого протягом 5-8 год підвищують температуру в печі до температури витримки, що складає від 750 до 1000°С, проводять витримку при цій температурі протягом 2-3 год, після чого охолоджують піч при вимкненому нагріві, а досягши температури від 100 до 120°С, відключають подачу води. Отримують волокнистий активований вуглецевий матеріал, який характеризується значенням сорбційної ємкості по бензолу в межах від 1,2 до 2,4см3/г при значенні ступеня обгару активованих полімерних волокон в межах від 50 до 70%. Кожне з полімерних волокон виконують у вигляді целюлозних або поліакрилонитрильних чи вуглецевих волокон діаметром 0,09-11,0мкм з характеристикою поверхневої щільності 50-180г/м2 і з розподілом значень розміру діаметру пор по розмірах в області переважно 15-210 Ангстрем. Останнє дає наступні переваги: 1). Доступність на ринку, в т.ч. і за рахунок нижчої вартості початкового матеріалу у порівнянні з матеріалом аналога і найближчого аналога (прототипа). 2). Простіше стає переробка початкового матеріалу, в т.ч. і за рахунок меншої її трудомісткості. 3). Досягається вища сорбційна ємкість проактивованого матеріалу. Далі прийняті такі позначення: АУВМ - активований волокнистий вуглецевий матеріал (за відомими технічними рішеннями); ВАУМ - волокнистий активований вуглецевий матеріал (за розробленим технічним рішенням). Нижченаведені приклади №№ 1-2 і №№ 7-10 відповідають відомим способам активації відомих вуглецевих матеріалів, а приклади №№ 3-6 - розробленому способу активації ВАУМ марки «Борисфен». При цьому вихідною сировиною для промислово АУВМ медичного призначення, що випуска 47069 6 ється, марки «Днепр»-МН (прототип ВАУМ марки «Борисфен»-МН) 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 нагріву в печі склала 100°С, після чого протягом 5 год підвищують температуру в печі до температури витримки. Температура обробки (витримки) складала 750°С протягом 2 год, після чого охолоджують піч при вимкненому нагріві, а досягши температури 100°С відключають подачу води. Активований матеріал характеризується зна3 ченням 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 нагріву в печі склала 120°С, після чого протягом 8 год підвищують температуру в печі до температури витримки. Температура обробки (витримки) складала 900°С протягом 3 год, після чого охолоджують піч при вимкненому нагріві, а досягши температури 120°С, відключають подачу води. Активований матеріал характеризується значенням сорбційної ємкості по бензолу 1,1см3/г при ступені обгару активованих полімерних волокон 60%, а також питомою поверхнею після активації 2000м2/г. Приклад 3. Проводили аналіз ВАУМ марки «Борисфен» на базі промислово випускаємого полотна вуглецевого листового нетканого марки УНП. Температура нагріву в печі склала 100°С, після чого протягом 5 год підвищують температуру в печі до температури витримки. Температура обробки (витримки) складала 750°С протягом 2 год, після чого охолоджують піч при вимкненому нагріві, а досягши температури 100°С, відключають подачу води. Активований матеріал характеризується зна3 ченням сорбційної ємкості по бензолу 1,2см /г при ступені обгару активованих полімерних волокон 50%, а також питомою поверхнею після активації 2 2500м /г. Приклад 4. Проводили аналіз ВАУМ марки «Борисфен» на базі промислово випускаємого полотна вуглецевого листового нетканого марки УНП. Температура нагріву в печі склала 120°С, після чого протягом 8 год підвищують температуру в печі до температури витримки. Температура обробки (витримки) складала 1000°С протягом 3 год, після чого охолоджують піч при вимкненому нагріві, а досягши температури 120°С, відключають подачу води. Активований матеріал характеризується зна3 ченням сорбційної ємкості по бензолу 2,4см /г при ступені обгару активованих полімерних волокон 7 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 нагріву в печі склала 115°С, після чого протягом 7 год підвищують температуру в печі до температури витримки. Температура обробки (витримки) складала 900°С протягом 2,5 год, після чого охолоджують піч при вимкненому нагріві, а досягши температури 115°С, відключають подачу води. Активований матеріал характеризується зна3 ченням сорбційної ємкості по бензолу 2,1см /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 нагріву в печі склала 110°С, після чого протягом 6 год підвищують температуру в печі до температури витримки. Температура обробки (витримки) складала 850°С протягом 2,3 год, після чого охолоджують піч при вимкненому нагріві, а досягши температури 110°С, відключають подачу води. Активований матеріал характеризується значенням сорбційної ємкості по бензолу 2,0см3/г при ступені обгару активованих полімерних волокон 70%, а також питомою поверхнею після активації 2500м2/г. Приклад 7. Проводили аналіз АУВМ у вигляді вуглецевої тканини марки УУТ-2, що промислово випускається. Температура нагріву в печі склала 100°С, після чого протягом 5 год підвищують температуру в печі до температури витримки. Температура обробки (витримки) складала 750°С протягом 2 год, після чого охолоджують піч при вимкненому нагріві, а досягши температури 100°С, відключають подачу води. Активований матеріал характеризується значенням сорбційної ємкості по бензолу 0,6см3/г при ступені обгару активованих полімерних волокон 30%, а також питомою поверхнею після активації 1500м2/г. 47069 8 Приклад 8. Проводили аналіз АУВМ у вигляді вуглецевої тканини марки УУТ-2, що промислово випускається. Температура нагріву в печі склала 120°С, після чого протягом 8 год підвищують температуру в печі до температури витримки. Температура обробки (витримки) складала 900°С протягом 3 год, після чого охолоджують піч при вимкненому нагріві, а досягши температури 120°С, відключають подачу води. 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 1800м /г. Приклад 9. Проводили аналіз АУВМ у вигляді вуглецевої тканини марки УУТ-2, що промислово випускається. Температура нагріву в печі склала 105°С, після чого протягом 6 год підвищують температуру в печі до температури витримки. Температура обробки (витримки) складала 800°С протягом 2,5 год, після чого охолоджують піч при вимкненому нагріві, а досягши температури 105°С, відключають подачу води. Активований матеріал характеризується значенням сорбційної ємкості по бензолу 0,75см3/г при ступені обгару активованих полімерних волокон 32%, а також питомою поверхнею після активації 1600м2/г. Приклад 10. Проводили аналіз АУВМ у вигляді вуглецевої тканини марки УУТ-2, що промислово випускається. Температура нагріву в печі склала 110°С, після чого протягом 7 год підвищують температуру в печі до температури витримки. Температура обробки (витримки) складала 850°С протягом 2,5 год, після чого охолоджують піч при вимкненому нагріві, а досягши температури 110°С, відключають подачу води. Активований матеріал характеризується зна3 ченням сорбційної ємкості по бензолу 0,8см /г при ступені обгару активованих полімерних волокон 33%, а також питомою поверхнею після активації 1700м2/г. Показники одержаних АУВМ марки «Днепр»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. Таблиця Властивості волокнистого активованого вуглецевого матеріалу по прикладах № 1 2 3 поверхнева значення сорбволокнистий вуглецевий матері- щільність по- питома поверційної ємкості по 2 ал лімерних волохня, м /г бензолу, см3/г 2 кон, г/см АУВМ «Днепр»-МН 300 2300 0,9 АУВМ «Днепр»-МН 250 2000 1,1 ВАУМ марки «Борисфен» на базі полотна вуглецевого лис180 2500 1,2 тового нетканого марки УНП ступінь обгару активованих полімерних волокон, % 50% 60% 50% 9 47069 10 Продовження таблиці № 4 5 6 7 8 9 10 поверхнева значення сорбволокнистий вуглецевий матері- щільність по- питома поверційної ємкості по 2 ал лімерних волохня, м /г 3 бензолу, см /г 2 кон, г/см ВАУМ марки «Борисфен» на базі полотна вуглецевого лис50 3000 2,4 тового нетканого марки УНП ВАУМ марки «Борисфен» на базі полотна вуглецевого лис70 2600 2,1 тового нетканого марки УНП ВАУМ марки «Борисфен» на базі полотна вуглецевого лис85 2500 2,0 тового нетканого марки УНП Тканина УУТ-2 210 1500 0,6 Тканина УУТ-2 230 1800 0,9 Тканина УУТ-2 330 1600 0,75 Тканина УУТ-2 290 1700 0,80 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. Таким чином, пропонований спосіб характеризується зниженими енерговитратами на його реалізацію у порівнянні з відомими способами, високим значенням отримуваної сорбційної ємкості і достатньою глибиною очищення. ВАУМ, одержаний за розробленим способом, 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: Комп’ютерна верстка А. Крулевський ступінь обгару активованих полімерних волокон, % 55% 60% 70% 30% 35% 32% 33% «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. Авторское свидетельство СССР №1279960, кл. С1В 31/08, 1986. 2. Патент США №3969268, кл. B05J 21/18, НКИ 252/423, 444, 445, 423/447, 460, опубл. 1976. 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