Углеродные молекулярные сита

Среди других видов промышленных углеродных адсорбентов в первую очередь следует назвать углеродные молекулярные сита (УМС). От активированных углей их отличает высокая однородность ультрамикропористой структуры. Молекулярно-ситовые угли по однородности пористой структуры близки к цеолитам. Диффузия адсорбированных молекул в ультрамикропористых материалах определяется не скоростью транспорта в индивидуальных микропорах, а скоростью переноса из одной микропоры в другую, где каждая микропора выступает как адсорбционный центр. Разделение газов при этом происходит за счет различия скоростей диффузии, которое определяется соотношением размера молекул и размера входных окон микропор. Компоненты газовой смеси с меньшими размерами будут свободно проникать в микропоры и адсорбироваться, тогда как диффузия более крупных молекул будет затруднена. При этих условиях крупные молекулы будут попадать только в транспортные поры адсорбента, беспрепятственно в них диффундировать и, освободившись частично или полностью от молекул с меньшими размерами, покидать молекулярное сито.

В отдельных случаях особенности энергетической структуры УМС обусловливают их преимущества перед цеолитовыми молекулярными ситами, так как они – эффективное средство разделения и очистки газовых смесей в присутствии паров воды.

УМС используются в процессах очистки и разделения газов (О₂ и N₂, O₂ и Ar), выделения СО₂, СН₄ в короткоцикловых режимах адсорбции и десорбции при комнатных температурах. Выпускают УМС с определенным размером пор: 0,7; 0,6; 0,5 и 0,4 нм. Промышленное производство освоено в Японии. Германии и США. Цена этих адсорбентов в 2 раза превышает цену активированных углей. В табл. 2 приведены некоторые характеристики УМС фирмы «Такеда» [12].

Таблица 2

Характеристики УМС фирмы «Такеда»

Принципиально возможные способы получения УМС [12]:

1. Селективное удаление части компонентов при карбонизации полимеров.

2. Регулируемое спекание пористых углеродных материалов при температурах, больших 800 ^оС, до создания пор необходимого размера.

3. Регулируемое введение углеродных компонентов в пористые матрицы, например пиролитического углерода из газовой фазы, полимеров и смол из жидкой фазы с их последующей карбонизацией и, при необходимости, активацией.

4. Прямой синтез ультрамикропористых углеродных материалов, например, типа фуллеренов с цеолитоподобной структурой, или направленный синтез предшественников УМС.

Варианты 1 и 2 реализуются с образованием достаточно больших объемов микропор при условии определенного уровня регулярности структуры исходных углеродсодержащих материалов. Супермикропористые и даже мезопористые углеродные материалы могут быть доведены до уровня ультрамикропористых УМС с необходимыми эффективными размерами пор путем регулируемого спекания.

Способом 3, основанном на регулируемом введении углерода в пористые матрицы, получают, в том числе, и УМС для разделения воздуха. На рис. 8 представлен механизм адсорбционного разделения кислорода и азота в поре активного угля, который обусловлен различием в скоростях диффузии молекул этих веществ через пористую структуру.

Сужение при входе в пору представляет собой почти непреодолимый барьер для азота, но позволяет молекуле кислорода проникнуть внутрь поры. При этом равновесные изотермы адсорбции кислорода и азота очень близки и не могут объяснить причину их разделения, тогда как кинетические кривые адсорбции подтверждают, что более мелкие молекулы кислорода сорбируются значительно быстрее, чем молекулы азота.

Оптимальным в этом случае является совмещение способов 1 и 3 путем введения веществ-предшественников, склонных к образованию регулярных структур (например, полимеров) и использования режимов, обеспечивающих образование ламиллярных слоев пироуглерода.

Прямой синтез УМС типа фуллеренов и других систем с ультрамикропорами заданного размера – дело будущего. Но направленный синтез предшественников с упорядочной структурой, обеспечивающей получение УМС при последующей карбонизации, активации или других способах удаления части компонента, уже реализуется в настоящее время.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: