Способ проведения сорбции и десорбции паров органических соединений при воздействии на сорбент электромагнитного излучения

Способ проведения сорбции и десорбции паров органических соединений при воздействии на сорбент электромагнитного излучения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к способу проведения сорбции и десорбции паров органических соединений, в частности к процессам сорбции и десорбции с помощью углеродных сорбентов, содержащих фуллерены, с использованием при этом воздействия светового, ультрафиолетового или рентгеновского излучения.

Пористые материалы, обладающие высокой удельной поверхностью, используют в качестве сорбентов для широкого ряда веществ. В качестве таких материалов часто используют углеродные материалы, иногда именуемые термином «активный уголь». В последнее время в качестве сорбентов находят применение углеродные материалы, содержащие фуллерены - новый вид углеродного материала, молекулы которого имеют вид сферы из нескольких десятков атомов углерода и проявляют ряд интересных свойств. Такие фуллереносодержащие углеродные материалы проявляют повышенные сорбционные свойства в отношении ряда сорбируемых веществ. В частности, фуллерен и фуллереносодержащие материалы находят применение в качестве сорбентов для удаления из очищаемых сред, например, органических веществ, тяжелых металлов и токсичной микрофлоры.

С целью интенсификации процессов сорбции-десорбции ранее предлагалось воздействовать на сорбенты электромагнитным излучением в ходе процесса сорбции или десорбции. Такое воздействие повышает сорбционную емкость, но требует наличия устройств, создающих необходимое излучение.

Известен, например, способ сорбции и десорбции с использованием для очистки жидкости сорбента при одновременном воздействии на него электромагнитного и акустического полей (заявка РФ №2000123654, опубл. 27.12.2002). В известном способе в качестве сорбента используют углеродный материал, включающий активированный древесный уголь и смесь фуллеренов, фуллереновой сажи и пироуглерода при массовом соотношении 10-50 мас.ч. смеси на 100 мас.ч. активированного угля; его получают путем смешивания активированного угля, фуллеренов, фуллереновой сажи и пироуглерода до однородного состава.

Недостатками известного способа сорбции и десорбции является сравнительно невысокая его эффективность, обусловленная необходимостью одновременного воздействия электромагнитного и акустического полей при проведении сорбции, что делает ее сложной и дорогостоящей процедурой, а также сложностью получения сорбента в виде однородной смеси разных компонентов и необходимостью отдельного предварительного получения каждого из этих компонентов. Кроме того, известный способ предназначен только для сорбции жидкостей.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ сорбции и десорбции паров воды с использованием пористых и импрегнированных сорбентов, интенсифицированного наложением электрофизического воздействия (патент РФ №2215570, 2003 г). В этом способе процессы сорбции и десорбции осуществляют с воздействием на сорбент источника электрического или электромагнитного поля, в качестве которого предусмотрено использование конденсатора или соленоида, обеспечивающих создание электрического поля или импульсного электромагнитного поля промышленной частоты 50 Гц с напряженностью 1-5 А/м. В это поле помещают адсорбер с сорбентом, подвергающимся насыщению или регенерации, в зависимости от типа воздействия, что обеспечивает повышение скорости сорбции или десорбции, а также высокой или низкой сорбционной емкости сорбента, также в зависимости от типа электрофизического воздействия.

Недостатками этого известного способа сорбции и десорбции является необходимость в воздействии при проведении сорбции электрического или электромагнитного полей, создаваемых специальными устройствами, что делает этот способ сложным и не всегда технически применимым. К тому же эффективность известного способа, то есть увеличение сорбционной емкости при таком воздействии, сравнительно невелика (примерно 15-30%).

Задачей настоящего изобретения является способ сорбции и десорбции паров органических соединений, проводимый с более высокой, чем в известных способах, эффективностью и сорбционной емкостью, с использованием сравнительно несложного способа воздействия на сорбент.

Для решения указанной задачи предложен способ проведения сорбции и десорбции паров органических соединений, осуществляемый при воздействии на сорбент электромагнитного излучения, где в качестве сорбента используют фуллереносодержащий материал, а в качестве электромагнитного излучения используют видимый свет или ультрафиолетовое излучение, при этом проведение сорбции осуществляют при использовании излучения видимого света в диапазоне длин волн 400-600 нм или ультрафиолетового излучения в диапазоне длин волн 300-400 нм.

Фуллереносодержащий материал, используемый в качестве сорбента, может представлять собой любой тип сорбента, содержащий фуллерены, в частности углеродный материал или неуглеродный материал, например силикагель. Авторы неожиданно обнаружили, что при воздействии на такой материал светового или ультрафиолетового излучения его сорбционная емкость существенно повышается (в 1,5-9 раз), а при снятии этого воздействия емкость вновь падает. Благодаря этому процессы сорбции и десорбции становятся намного более эффективными и при этом не требуют использования сложных устройств. В качестве излучения можно использовать видимый свет в диапазоне длин волн 400-600 нм, предпочтительно фиолетовый свет в диапазоне длин волн 400-460 нм, или ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн 300-400 нм. Эффект повышения сорбционной способности наблюдается в отношении широкого ряда органических соединений в парообразном виде.

Дополнительное преимущество в виде более полной десорбции можно получить при использовании в процессе десорбции красного света в диапазоне длин волн 610-700 нм или при проведении десорбции в отсутствие источника излучения.

Процессы сорбции и десорбции можно преимущественно проводить в одном устройстве. Это позволяет упростить их проведение путем воздействия светом на сорбент при сорбции и снятия этого воздействия (или, в альтернативном случае, воздействуя другим светом) при десорбции, что повышает технологичность и экономичность всего цикла.

С целью достижения ощутимого эффекта количество фуллеренов в фуллереносодержащем материале предпочтительно составляет не менее 0,1% мас.

На фиг.1 приведено схематичное изображение устройства, в котором в статических условиях проводились процессы сорбции и десорбции в отсутствие облучения и при облучении видимым светом или УФ-излучением: а) - при облучении; б) - в отсутствие облучения. Цифрами обозначены: 1 - источник излучения; 2 - черная непроницаемая для излучения защитная оболочка; 3 - стеклянный эксикатор с гладкой крышкой; 4 - стеклянный контейнер (бюксы) со слоем исследуемого материала - сорбента; 5 - адсорбат в жидком состоянии в эксикаторе, обеспечивающий генерацию паров сорбируемых молекул в газовую фазу.

На фиг.2 приведено схематичное изображение устройства для проведения процессов сорбции и десорбции при облучении (а) и в отсутствие облучения (б) в динамических условиях опыта, например, для создания «концентраторов», используемых в хроматографии. Цифрами обозначены: 1 - источник излучения; 2 - черная непроницаемая для излучения защитная оболочка; 4 - стеклянный контейнер (адсорбер) со слоем исследуемого материала - сорбента; 5 - адсорбат в виде пара в смеси с воздухом, подаваемый в адсорбер.

Авторами настоящего изобретения установлено, что степень повышения сорбционной емкости сорбентов, содержащих фуллерены, при воздействии на сорбент светового или УФ-излучения оказывается значительно большей, чем при воздействии магнитного поля. Например, воздействие на фуллерен С₆₀ магнитного поля повышает его сорбционную емкость примерно на 15%, а воздействие видимого света - на 110-180%, то есть примерно в 2-3 раза. Аналогичные результаты получены и при испытаниях других фуллереносодержащих сорбентов. Таким образом, сорбционная емкость может быть повышена простым и дешевым способом, просто путем освещения сорбента дневным светом. В качестве излучения можно использовать излучение видимого света в области длин волн 400-600 нм, при этом предпочтительно использование фиолетового света с длиной волны 400-460 нм либо ультрафиолетовое излучение с длиной волны 300-400 нм. Воздействие УФ-излучения является весьма эффективным, хотя создание такого излучения требует специального источника (УФ-генератора), что связано с повышенными затратами.

Что не менее важно, данный эффект является обратимым, то есть при снятии воздействия света или УФ-излучения сорбционная емкость резко падает, что дает возможность проведения десорбции и регенерации сорбента простым выключением света или УФ-источника. Для обычных углеродных сорбентов, таких как активный уголь или графит, проведение десорбции и регенерации сорбента требует нагревания при температуре около 150°С, что связано с большими энергозатратами и необходимостью в отдельном нагревательном устройстве. Кроме того, авторы установили, что десорбция может протекать более полно и интенсивно при воздействии сравнительно менее энергетичного красного света, например красного света с длиной волны 610-700 нм.

Предложенный в настоящем изобретении способ предусматривает возможность проведения процессов сорбции и десорбции в одном и том же устройстве, что является удобным с точки зрения периодической регенерации сорбента. Устройство может представлять собой емкость с сорбентом, имеющую прозрачные стенки для попадания внутрь него видимого света или УФ-излучения (при десорбции с использованием красного света - и этого света). Сорбент, содержащий фуллерены, может находиться в виде порошка, гранул различного вида и размера либо в нанесенном на подложку виде для более высокоэффективного использования фуллеренов, находящихся на подложке в тонком слое.

Авторы предполагают, не ограничивая данное изобретение теоретическими соображениями, что при обработке фуллереносодержащих материалов указанным световым или УФ-излучением повышение их сорбционной емкости может быть обусловлено как изменением свойств поверхности молекул фуллерена, так и ассоциатов данной модификации углерода при искривлении плоскости слоя фуллерена, с увеличением, например, толщины и емкости монослоя сорбируемых веществ, и при увеличении расстояний между сфероподобными молекулами фуллерена.

Далее изобретение иллюстрируется не ограничивающими его примерами.

Примеры

Испытывали следующие образцы материалов:

С₆₀ - фуллерен С₆₀ в кристаллическом виде (фуллерит);

С_∑ - смесь фуллеренов разных молекулярных масс;

ФС_4,2 - фуллереновая сажа с содержанием фуллеренов 4,2% мас.;

ФС_8,2 - фуллереновая сажа с содержанием фуллеренов 8,2% мас.;

ФЧ_0,1 - фуллереновая чернь, содержание фуллерена 0,1% мас.;

ФЧ_0,1T - фуллереновая чернь после термообработки при 150°С в течение 4 ч;

СГ+4% C_∑ - мелкопористый силикагель марки КСМГ с добавкой 4% С_∑;

АУ - активный уголь СКТ-6А.

Пример 1 - определение сорбционной емкости по бензолу

Испытывали образцы углеродных материалов С₆₀, C_∑ и ФС_4,2, каждый из которых массой 5 г помещали в стеклянный сосуд, подавали в него пары бензола и выдерживали в них в течение 5 ч (до достижения насыщения). При проведении сорбции согласно изобретению образцы одновременно облучали белым светом от лампы мощностью 60 Вт, в контрольных опытах облучение не проводили. Сорбционную емкость образцов по парам бензола определяли путем их периодического взвешивания. Аналогичным образом на ФС_8,2 определяли величину сорбционной емкости (А) в отношении различных классов органических веществ.

Результаты приведены в табл.1 и 2. Видно, что сорбционная емкость облученных образцов в 1,5-2 раза выше, чем необлученных.

Таблица 1
Влияние освещенности (60 Вт) на величину сорбционной емкости (А) фуллеренсодержащих материалов по отношению к бензолу
Образец	Освещенность	А, г/г
ФС4д	Белый свет	0,63
ФС4д	Отсутствует	0,40
СΣ	Белый свет	0,35
СΣ	Отсутствует	0,17
С60	Белый свет	0,17
С60	Отсутствует	0,10
Таблица 2
Влияние освещенности (60 Вт) на величину сорбционной емкости (А) по адсорбатам различных классов органических веществ на ФС8,2
	А, г/г
Адсорбат
	Освещение, белый свет	Без освещения
Бензол	0,32	0,15
Хлорбензол	0,27	0,20
Гексан	0,49	0,24
Четыреххлористый углерод	0,72	0,53
Хлороформ	0,65	0,52
Этанол	0,24	0,18
Ацетон	0,26	0,20
Уксусная кислота	0,04	0,03

Пример 2

Испытывали более широкий спектр образцов, повторяя условия примера 1 с теми отличиями, что использовали излучение видимого света разной длины волны или УФ-излучение при разной мощности источника. Результаты приведены в табл.3.

Видно, что воздействие излучения повышает сорбционную емкость фуллереносодержащих материалов, в особенности под действием УФ-излучения, в то время как активность угля СКТ остается на одном и том же уровне.

Таблица 3
Влияние света видимого спектра с различной длиной волны и УФ-излучения на сорбционную емкость фуллеренсодержащих материалов по отношению к бензолу, г/г (в скобках - % от предельной емкости, достигаемой при облучении белым светом).
Образец	Характеристика светового спектра / мощность источника
Без света	Красный	Фиолетовый	Белый	УФ
25 Вт*	60 Вт*	25 Вт	60 Вт	60 Вт	25 Вт	60 Вт	60 Вт
С60	0,06(35)	0,07(39)	0,06(35)	0,08(44)	0,12(67)	0,17(100)	0,18(100)	0,24(133)
C∑	0,03(10)	0,03(10)	0,06(20)	0,12(40)	0,20(67)	0,30(100)	0,30(100)	0,35(117)
ФС4,2	0,10(33)	0,07(19)	0,10(33)	0,09(25)	0,22(61)	0,30(100)	0,36(100)	0,40(111)
ФЧ0,1	0,10(50)	0,09(32)	0,15(75)	0,10(36)	0,20(71)	0,20(100)	0,28(100)	0,30(107)
ФЧ0,1Т	0,16(76)	-	0,18(86)	0,08(35)	0,20(87)	0,21(100)	0,23(100)	-
СГ + 4% С∑	0,35(73)	-	0,38(79)		0,45(94)	0,48(100)	-	0,53(110)
АУ	0,40(103)	0,39(98)	0,40(100)	0,40(100)	0,40(100)	0,39(100)	0,40(100)	0,41(103)
* источник света закрыт черным экраном (чтобы уравнять интенсивность теплового воздействия на сорбент для контрольного опыта по сравнению с другими).

Пример 3

Для образцов С_∑ и ФС_4,2 было исследовано влияние длительности освещения, частоты светового излучения и температуры на сорбцию бензола, а также влияние освещения красным светом при десорбции. Как видно из данных табл.4, воздействие красным светом заметно повышает степень десорбции.

Таблица 4
Проведение процессов сорбции - десорбции паров бензола (А, г/г) путем изменения освещенности сорбентов (τ=4 ч, Т=25°С).
Образец	Номер цикла	Сорбция	Десорбция
Свет	А, г/г	Свет	А, г/г (% десорбции)
C∑	1	Фиолетовый	0,22	Красный	0,10 (55)
1	Фиолетовый	0,25	Красный	0,08 (68)
1*	Фиолетовый	0,21	Красный	0,10(48)
2*	Фиолетовый	0,18	Красный	0,08 (44)
1	Белый	0,28	Без света	0,22 (21)
1	Белый (16°С)	0,35	Без света	0,30 (14)
ФС4,2	1	Фиолетовый	0,30	Красный	0,05 (83)
1*	Фиолетовый	0,23	Красный	0,02 (91)
2*	Фиолетовый	0,23	Красный	0,01 (96)
1	Белый (9°С)	0,50	Без света	0,20 (60)
* - длительность процесса сорбции 2 ч.

Таким образом, воздействие видимого света или ультрафиолетового излучения обеспечивает повышение эффективности сорбции на фуллереносодержащих материалах, а применение красного света или полное снятие освещения ведет к более эффективной десорбции органических соединений.

1. Способ проведения сорбции и десорбции паров органических соединений при воздействии на сорбент электромагнитного излучения, отличающийся тем, что в качестве сорбента используют фуллереносодержащий материал, а в качестве электромагнитного излучения используют видимый свет или ультрафиолетовое излучение, при этом проведение сорбции осуществляют при использовании излучения видимого света в диапазоне длин волн 400-600 нм или ультрафиолетового излучения в диапазоне с длиной волны в диапазоне 300-400 нм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процессы сорбции и десорбции проводят в одном устройстве.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество фуллеренов в фуллереносодержащем материале составляет не менее 0,1 мас.%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве видимого света при проведении сорбции используют фиолетовый свет с длиной волны в диапазоне 400-460 нм.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при проведении десорбции используют красный свет с длиной волны в диапазоне 610-700 нм.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при проведении десорбции используют прием полного снятия светового или иного электрофизического воздействия.