Способ получения углеродного сорбента для поглощения жидкостей

 

Изобретение относится к углеродным сорбентам, а именно к способу получения углеродного сорбента, получаемого из графита, позволяющему упростить его получение и повысить сорбционную емкость путем обработки графита галогенфторидами или их растворами во фтористом водороде с последующим нагреванием полученного продукта до 500^oС. Способ позволяет получать сорбент с высокой поглотительной способностью, достигающей 60-200 г жидкости, в том числе токсикантов и агрессивных жидких сред на 1 г сорбента. 1 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к углеродным сорбентам, а именно к способу получения углеродных сорбентов, получаемых из графита, для поглощения водных и органических жидкостей или их растворов, а также жидких токсикантов и агрессивных жидких сред в случае их пролива или техногенных авариях, в том числе, жидких компонентов (HNO₃, N₂O₄, углеводородов, производных гидразина и др.) ракетных топлив.

Широко известны (Б.Ф. Фенелонов. Пористый углерод, Новосибирск, 1995 г., с. 162-315) способы получения углеродных сорбентов, основанные на карбонизации путем пиролиза при высоких температурах твердых органических веществ (кокс, целлюлоза и др.) или газообразных и жидких углеводородов (этан, этилен, ацетилен, пропан, циклогексан, бензол и др.). Недостатками этих способов является применение высоких температур и образование больших количеств экологически вредных газообразных продуктов, а также их относительно невысокая поглотительная способность жидкостей. Известен (Патент США 3.357.929. С1. 252-444, опубликован 1967 г.) также способ получения углеродного сорбента из графита для поглощения жидкостей. По достигаемому эффекту и использованию графита в качестве исходного продукта для получения углеродного сорбента жидкостей прототипом является второй способ (Патент США 3.357.929 С1. 252-444).

Для приготовления углеродного сорбента для поглощения жидкостей графит помещают в кислотную среду с окислительными свойствами или окисляют электрохимически. Полученные твердые продукты окисления графита нагревают в пропановом пламени. В результате получают углеродный сорбент, 1 г которого поглощает: 46,7 г Н₂О, 57 г концентрированной H₂SO₄, 38 г 50% HF, 29 г керосина, 41,4 г ССl₄ и 49,1 г NH₂OH.

Недостатком известного способа является накопление больших количеств агрессивных (кислотных и окислительных) растворов после стадии кислотного или электрохимического окисления графита. Утилизация этих растворов является технологически трудно решаемой задачей и требует дополнительных затрат, что повышает стоимость конечного продукта.

Задачей изобретения является упрощение способа получения углеродного сорбента путем снижения объема технологических растворов и повышение сорбционной емкости углеродного сорбента, получаемого из графита.

Поставленная задача решается тем, что для получения углеродного сорбента жидкостей графит обрабатывается галогенфторидами или их растворами во фтористом водороде, а полученные твердые продукты окислительного фторирования нагревают до 500^oС.

Отличительными от прототипа признаками являются: использование для окисления графита галогенфторидов или их растворов во фтористом водороде; термическое разложение продуктов окислительного фторирования графита при 500^oС.

Эти признаки являются новыми и существенными, так как использование для окисления графита галологенфторидов или их растворов во фтористом водороде с последующим термическим разложением твердых продуктов окислительного фторирования графита при 500^oС позволяет исключить образование больших количеств агрессивных кислотных растворов с окислительными свойствами, т.е. упростить технологию получения целевого продукта и значительно (в 1,5-2 раза) повысить его сорбционную емкость.

При окислительном форировании графита галогенфторидами твердые продукты окислительного фторирования графита образуются в форме интеркалированных соединений общего состава C₂FxHalF_n, где х=0,08-01, а HalF_n=ClF₃, ClF₅, BrF₃, BrF₅. Термическое разложение этих продуктов при 500^oС сопровождается "выгоранием" части атомов углерода графитовых слоев за счет образования CF₄ и других газообразных фторуглеродов малой молекулярной массы. В результате в графитовых слоях образуются "дырки", т.е. в углеродных гексагональных слоях появляются области различного размера, не занятые атомами углерода. По электронно-микроскопическим данным целевой продукт образуется в форме тонких (200-300 нм) пленок большой (до нескольких микрон) протяженности. Процесс термического разложения сопровождается большим увеличением объема (300-350 раз) исходной твердой массы. Все эти свойства обеспечивают высокую поглотительную емкость получаемого углеродного сорбента.

Избыток галогенфторидов или их растворов во фтористом водороде на стадии окислительного фторирования удаляется методом дистилляции с конденсацией в сосуд, охлаждаемый жидким азотом до температуры плавления галогенфторида, а затем может использоваться повторно для окислительного фторирования графита. Этим создаются условия для организации замкнутого технологического цикла.

Изобретение осуществляется следующим образом. Сначала получают по известным методам твердые продукты окислительного фторирования графита галогенфторидами или их растворами во фтористом водороде. Избыток галогенфторидов или их растворов во фтористом водороде отгоняются методом дистилляции в сосуд (приемник), охлаждаемый жидким азотом до температуры, меньшей температуры плавления глогенфторида. Сконденсированная фаза используется для последующих синтезов. Полученный твердый продукт окислительного фторирования графита нагревают на воздухе до 500^oС. В результате в качестве твердого продукта образуется углеродный сорбент для поглощения жидкостей с повышенной поглотительной способностью.

Пример 1. 5 г природного графита помещают в сосуд из фторопласта и добавляют 30 г трифторида хлора. Смесь выдерживают при 22^oС в течение 5 часов. Избыток трифторида хлора отгоняют в никелевый сосуд, охлаждаемый жидким азотом до 0^oС. В результате получают 11 г твердого продукта окислительного фторирования графита. Полученный твердый продукт нагревают до 500^oС. В результате получают 3,3 г углеродного сорбента, 1 г которого поглощает: 80 г концентрированной Н₂SO₄, 70 г CCl₄, 61 г керосина, 125 г NH₄OH, 202 г H₂NC₂Н₄OH.

Пример 2. 5 г природного графита обрабатывают, как описано в примере 1, 30 г раствора трифторида брома во фтористом водороде (1:1 по объему). После нагревания полученного твердого продукта окислительного фторирования графита до 500^oС получают 3,1 г углеродного сорбента, 1 г которого поглощает: 81 г концентрированной H₂SO₄, 65 г CCl₄, 62 г керосина, 123 г NH₄OH, 201 г H₂NC₂H₄OH.

Таким образом, предлагаемый способ получения из графита углеродного сорбента жидкостей позволяет: 1 - упростить получение из графита углеродного сорбента жидкостей за счет устранения образования на стадии окисления графита больших количеств агрессивных кислотных окисляющих растворов, требующих дорогостоящих методов их утилизации; 2 - значительно (в 1,5-2 раза) повысить поглотительную способность углеродного сорбента жидкостей, получаемого из графита; 3 - повторно использовать сконденсированные галогенфториды или их растворы, что позволяет создать замкнутый технологический цикл.

Получаемый сорбент обладает высокой поглотительной способностью (60-200 г жидкости на 1 г сорбента).

Предлагаемый углеродный сорбент жидкостей может найти широкое применение для поглощения жидких токсикантов и агрессивных жидких сред в случае их пролива или техногенных авариях, в том числе, жидких компонентов (HNO₃, N₂O₄, углеводородов, производных гидразина и др.) ракетных топлив. Особенно важно отметить, что исходные продукты окислительного фторирования графита могут храниться на воздухе в течение многих лет, устойчивы к действию воды и хорошо прессуются до плотности 2,2 г/см³ без изменения своих термических свойств, т.е. удобны для транспортировки. Это позволяет их использование для оперативного получения углеродного сорбента непосредственно на месте его применения, что особенно важно для труднодоступных районов.

Формула изобретения

1. Способ получения углеродного сорбента жидкостей из графита путем обработки графита окислительной средой и последующего термического разложения твердого продукта, отличающийся тем, что графит обрабатывают галогенфторидами или их растворами во фтористом водороде с последующим нагреванием продукта окислительного фторирования графита до 500^oС.

2. Способ получения по п.1, отличающийся тем, что сконденсированный избыток галогенфторида используют повторно для окислительного фторирования графита.