RU2296708C1 - Method of manufacture of the composite material made on the basis of the expanded graphite - Google Patents

Method of manufacture of the composite material made on the basis of the expanded graphite Download PDF

Info

Publication number
RU2296708C1
RU2296708C1 RU2005120087/15A RU2005120087A RU2296708C1 RU 2296708 C1 RU2296708 C1 RU 2296708C1 RU 2005120087/15 A RU2005120087/15 A RU 2005120087/15A RU 2005120087 A RU2005120087 A RU 2005120087A RU 2296708 C1 RU2296708 C1 RU 2296708C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cellulose
solution
expanded graphite
composite material
metal
Prior art date
Application number
RU2005120087/15A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Надежда Михайловна Микова (RU)
Надежда Михайловна Микова
Николай Васильевич Чесноков (RU)
Николай Васильевич Чесноков
Борис Николаевич Кузнецов (RU)
Борис Николаевич Кузнецов
Original Assignee
Институт химии и химической технологии СО РАН (ИХХТ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт химии и химической технологии СО РАН (ИХХТ СО РАН) filed Critical Институт химии и химической технологии СО РАН (ИХХТ СО РАН)
Priority to RU2005120087/15A priority Critical patent/RU2296708C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2296708C1 publication Critical patent/RU2296708C1/en

Links

Landscapes

  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)

Abstract

FIELD: chemical industry; methods of manufacture of the composite materials on the basis of the expanded graphite.
SUBSTANCE: the invention may be used at manufacture of the adsorbents, the porous carbon carriers and the metal=containing catalytic agents. The method provides, that first prepare the 1-2 % cellulose solution in the 5-8.5 % sodium hydroxide water solution. The produced solution is mixed with the expanded graphite in the mass ratio of the graphite to the cellulose of (1-2.5) : (2-1) accordingly. The composition prepared this way is carbonize with heating rate of 4°C per a minute up to 600°C maintaining this temperature within 1 hour. To impart the composite material the catalytic and adsorption properties the cellulose solution may be added with 2-5 mass % of the modifying compound of the transition metal in terms of the metal. The invention ensures simplification of the composite material production process, the improvement of its quality due to the homogeneity of allocation of the active carbon in the lower die of the expanded graphite.
EFFECT: the invention ensures simplification of the composite material production process, the improvement of its quality.
2 cl, 2 tbl, 10 ex

Description

Изобретение относится к получению композиционных углеродных материалов из терморасширенных природных графитов и целлюлозных материалов, которые могут найти применение в качестве адсорбентов, пористых углеродных носителей и металлсодержащих катализаторов на их основе.The invention relates to the production of composite carbon materials from thermally expanded natural graphites and cellulosic materials, which can be used as adsorbents, porous carbon supports and metal-containing catalysts based on them.

Известны различные способы получения композиционных материалов на основе производных целлюлозы и расширенного графита. Расширенные графиты являются превосходным наполнителем для приготовления композиционных углеродных материалов. Использование вязких растворов металлсодержащих целлюлозных материалов в качестве связующих для композиций на основе расширенных графитов открывает пути получения пористых волокнистых углеродных носителей и катализаторов.Various methods are known for producing composite materials based on cellulose derivatives and expanded graphite. Expanded graphites are an excellent filler for the preparation of composite carbon materials. The use of viscous solutions of metal-containing cellulosic materials as binders for compositions based on expanded graphites opens the way for the production of porous fibrous carbon carriers and catalysts.

Известны способы (US 6689295, 10.02.2004; US 6024900, 15.02.2000; US 4777083, 11.10.1988) получения композиционных материалов на основе расширенных графитов, где в качестве связующих веществ, служащих дополнительным источником активного углерода, используют термопластичные реагенты (полифурфуриловый спирт, фенолальдегидные полимеры и др.).Known methods (US 6689295, 02/10/2004; US 6024900, 02.15.2000; US 4777083, 10/11/1988) for producing composite materials based on expanded graphites, where thermoplastic reagents (polyfurfuryl alcohol are used as binders that serve as an additional source of active carbon) , phenolaldehyde polymers, etc.).

Недостатками приведенных способов является использование термоусадочных связующих и уплотнителей, представляющих взрыво- и пожароопасность, токсичность из-за использования летучих веществ для приготовления растворов. Кроме того, длительные стадии подготовки связующего, импрегнирования компонентов, сушки растворителя, активации и др. ограничивают производственную и экономическую выгоду процесса. К недостаткам нужно отнести и, как правило, необходимое проведение дополнительной стадии активирования, т.к. в ходе первичной термообработки наблюдается блокирование пор углеродного материала, что делает процесс более длительным и энергетически затратным.The disadvantages of the above methods is the use of heat-shrink binders and sealants, representing explosion and fire hazard, toxicity due to the use of volatile substances for the preparation of solutions. In addition, the long stages of preparation of the binder, impregnation of the components, drying of the solvent, activation, etc. limit the production and economic benefits of the process. The disadvantages include and, as a rule, the necessary additional stage of activation, because during the initial heat treatment, blocking of the pores of the carbon material is observed, which makes the process longer and energy-intensive.

Известно получение пористых композиционных материалов на основе целлюлозы или ее производных (RU 2134701, 20.08.1999; RU 2109767, 27.04.1998) с применением графита в качестве наполнителя и термопластичного полимера в качестве связующего. В получаемых композициях и волокнистый материал, и неорганический заполнитель однородно диспергированы по всему объему формовочной массы. После прессования массы под давлением, сушки при нагревании и термообработки отформованного материала при температуре расплава термопластичного полимера получают пористые композитные материалы широкого назначения, стойкие к истиранию, со структурой пор, обеспечивающей очистку газов и жидкостей.It is known to obtain porous composite materials based on cellulose or its derivatives (RU 2134701, 08.20.1999; RU 2109767, 04.04.1998) using graphite as a filler and a thermoplastic polymer as a binder. In the resulting compositions, both the fibrous material and the inorganic aggregate are uniformly dispersed throughout the bulk of the molding material. After pressing the mass under pressure, drying by heating and heat treatment of the molded material at the melt temperature of the thermoplastic polymer, porous composite materials of general purpose, resistant to abrasion, with a pore structure providing the purification of gases and liquids, are obtained.

Однако данные способы предполагают длительную стадию измельчения исходных целлюлозных материалов в микроволокнистую пульпу. Продолжительное экстремальное размалывание исходных компонентов делает необходимым применение специального технологического оборудования и устройств, таких как волокнистые мельницы, рафинеры, устройства дефибриллизации, а также ряд вспомогательных средств для проведения процесса. Все это требует высоких энергетических затрат и, в значительной мере, приводит к удорожанию стоимости конечного продукта.However, these methods suggest a long stage of grinding the original cellulosic materials into microfiber pulp. Continuous extreme grinding of the starting components makes it necessary to use special technological equipment and devices, such as fiber mills, refiners, defibrillation devices, as well as a number of auxiliary tools for carrying out the process. All this requires high energy costs and, to a large extent, leads to an increase in the cost of the final product.

Наиболее близким по технической сущности и назначению является способ получения композиционного материала на основе расширенного графита и активного углерода (US 6790390, 14.09.2004). Указанный композит получают термической обработкой (350-900°С) со скоростью нагрева 4°С/мин смеси расширенного графита, активирующего агента и предшественника активного углерода при температуре и за время, достаточные, чтобы обеспечить скорость потери углеродного предшественника между 5 и 70 масс.%. Предшественником активного углерода служат целлюлозные материалы (древесина, скорлупа орехов) или смолы с высоким уровнем углерода. Активирующие агенты представляют собой химические вещества (гидроксид калия, фосфорная кислота, кислоты Льюиса), используемые как в чистом виде, так и в форме концентрированных растворов или расплавов.The closest in technical essence and purpose is a method for producing a composite material based on expanded graphite and active carbon (US 6790390, 09/14/2004). The specified composite is obtained by heat treatment (350-900 ° C) with a heating rate of 4 ° C / min of a mixture of expanded graphite, an activating agent and an active carbon precursor at a temperature and time sufficient to provide a carbon precursor loss rate between 5 and 70 masses. % Cellulosic materials (wood, nutshells) or high carbon resins are a precursor to active carbon. Activating agents are chemicals (potassium hydroxide, phosphoric acid, Lewis acids), used both in pure form and in the form of concentrated solutions or melts.

Недостатками приведенного способа являются многостадийность и длительность приготовления композиции на начальных стадиях. Так, исходный целлюлозный материал измельчают в пылеобразный порошок и перемешивают с активирующим химическим агентом при температуре 80°С в течение 21 часа, что требует больших затрат энергии. Кроме того, механическое перемешивание компонентов с расширенным графитом не обеспечивает в полной мере получения гомогенной однородной смеси из-за недостаточного контакта между ними. Продолжительное выдерживание композитного блока на заключительной стадии термообработки в течение 5 часов в совокупности с приведенными выше недостатками делает реализацию поставленной технической задачи затруднительной с технологической и экономической точек зрения.The disadvantages of this method are multi-stage and the duration of the preparation of the composition in the initial stages. So, the source cellulosic material is pulverized into a dusty powder and mixed with an activating chemical agent at a temperature of 80 ° C for 21 hours, which requires a large expenditure of energy. In addition, the mechanical mixing of components with expanded graphite does not fully provide a homogeneous homogeneous mixture due to insufficient contact between them. The prolonged curing of the composite block at the final stage of heat treatment for 5 hours, together with the above disadvantages, makes the implementation of the technical task difficult from a technological and economic point of view.

Задачей изобретения является:The objective of the invention is:

- Упрощение технологии получения композиционного материала- Simplification of the technology for producing composite material

- Улучшение качества композиционного материала путем обеспечения однородности распределения активного углерода в матрице расширенного графита- Improving the quality of the composite material by ensuring a uniform distribution of active carbon in the expanded graphite matrix

- Придание композиционному материалу каталитических и адсорбционных свойств за счет введения модифицирующих соединений металлов- Giving the composite material catalytic and adsorption properties through the introduction of modifying metal compounds

Поставленная задача решается тем, что в способе получения композиционного материала, включающего приготовление композиции, состоящей из расширенного графита, целлюлозы и водного раствора активирующего агента, и ее последующую карбонизацию со скоростью нагрева 4°С/мин до 600°С, согласно изобретению сначала готовят 1-2% раствор целлюлозы в активирующем агенте, в качестве которого используют 5-8,5% раствор гидроксида натрия, для приготовления композиции полученный раствор смешивают с расширенным графитом в массовом соотношении 1-2,5:2-1 соответственно, а карбонизацию ведут, выдерживая полученную композицию при вышеуказанной температуре в течение 1 ч. Кроме того, в раствор целлюлозы добавляют 2-5% модифицирующего соединения переходного металла в пересчете на металл для придания композиционному материалу каталитических и адсорбционных свойств.The problem is solved in that in the method for producing a composite material, comprising preparing a composition consisting of expanded graphite, cellulose and an aqueous solution of an activating agent, and its subsequent carbonization with a heating rate of 4 ° C / min to 600 ° C, according to the invention, first 1 A -2% solution of cellulose in an activating agent, which is used as a 5-8.5% sodium hydroxide solution, to prepare the composition, the resulting solution is mixed with expanded graphite in a mass ratio of 1-2.5: 2-1, respectively That is, carbonization is carried out by keeping the obtained composition at the above temperature for 1 hour. In addition, 2-5% of the transition metal modifying compound in terms of metal is added to the cellulose solution to impart catalytic and adsorption properties to the composite material.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в отличие от прототипа в заявляемом изобретении предварительно готовят раствор целлюлозы в водном растворе щелочи. Использование целлюлозного материала и активирующего агента в композиции в виде раствора позволяет значительно сократить стадию смешивания целлюлозного материала и активирующего агента (с 21 часа до 1 часа). Благодаря данному отличительному признаку удалось повысить эффективность контакта компонентов композиции без дополнительного использования связующего и достичь однородности распределения активного углерода в матрице расширенного графита, что способствует равномерному развитию пористой структуры в композиционном материале.Comparative analysis with the prototype shows that, unlike the prototype, the claimed invention preliminarily prepares a solution of cellulose in an aqueous alkali solution. The use of cellulosic material and an activating agent in the composition in the form of a solution can significantly reduce the stage of mixing the cellulosic material and activating agent (from 21 hours to 1 hour). Due to this distinguishing feature, it was possible to increase the contact efficiency of the components of the composition without additional use of a binder and to achieve uniform distribution of active carbon in the expanded graphite matrix, which contributes to the uniform development of the porous structure in the composite material.

Кроме того, отличительным от прототипа признаком является добавление соединений переходных металлов в целлюлозный раствор, что позволяет сообщить композиционному углеродному материалу каталитические и адсорбционные свойства, а также снизить длительность процесса карбонизации.In addition, a distinctive feature of the prototype is the addition of transition metal compounds to the cellulose solution, which allows the composite carbon material to inform the catalytic and adsorption properties, as well as to reduce the duration of the carbonization process.

Ускорение процесса карбонизации с 5 часов до 1 часа наблюдается в результате действия различных факторов: из-за свойства хорошей термопроводимости расширенного графита, однородности распределения компонентов композиции по всему объему образца и каталитического влияния вводимых активирующих добавок металлов.The acceleration of the carbonization process from 5 hours to 1 hour is observed as a result of various factors: due to the good thermal conductivity of expanded graphite, the uniform distribution of the components of the composition over the entire volume of the sample, and the catalytic effect of the introduced activating metal additives.

Введение в щелочной раствор целлюлозы водного раствора соединений переходных металлов (Ni, Cu, Pd) приводит к тому, что ассоциаты сольватированных макромолекул целлюлозы находятся в тесном контакте с вводимыми комплексами. Взаимодействие преимущественно осуществляется за счет водородных связей, образующихся между гидроксилами щелочи и целлюлозы. Ионы модифицирующих металлов также могут удерживаться на поверхности молекулярной сетки из растворенных волокон элементами надмолекулярных структур.The introduction into the alkaline cellulose solution of an aqueous solution of transition metal compounds (Ni, Cu, Pd) leads to the fact that the associates of solvated cellulose macromolecules are in close contact with the introduced complexes. The interaction is mainly carried out due to hydrogen bonds formed between the hydroxyls of alkali and cellulose. Ions of modifying metals can also be retained on the surface of a molecular network of dissolved fibers by elements of supramolecular structures.

Обработка раствором металлзамещенных целлюлоз расширенного графита приводит к однородному распределению волокон целлюлозы и удерживаемых ею ионов металлов за счет дополнительного электростатического взаимодействия полярных молекул с богатой электронами поверхностью частиц графита.The treatment of expanded graphite with metal-substituted cellulose solution leads to a uniform distribution of cellulose fibers and metal ions held by it due to the additional electrostatic interaction of polar molecules with the electron-rich surface of graphite particles.

Способ подтверждается конкретными примерами.The method is confirmed by specific examples.

Пример 1. 1 г целлюлозы (осина) перемешивают в 29.4 мл 8.5% водного раствора NaOH, полученную суспензию замораживают при температуре жидкого азота в течение 2 минут, массу оттаивают при комнатной температуре, после чего к вязкому гелеобразному раствору приливают 20.6 мл дистиллированной воды и перемешивают, получают 50 мл гомогенного раствора, содержащего 2% целлюлозы в 5% растворе NaOH. Приготовленный раствор целлюлозы смешивают с расширенным графитом марки ОГ-4 в соотношении 1:1 в течение часа при комнатной температуре. Затем полученную массу перемешивают при пониженном давлении для удаления пустот в порах графита. После фильтрования и высушивания при 110°С композицию в атмосфере инертного газа подвергают термообработке со скоростью нагрева 4°С/мин до температуры 600°С, с выдержкой при конечной температуре в течение 1 часа.Example 1. 1 g of cellulose (aspen) is mixed in 29.4 ml of 8.5% aqueous NaOH solution, the resulting suspension is frozen at liquid nitrogen temperature for 2 minutes, the mass is thawed at room temperature, after which 20.6 ml of distilled water is added to a viscous gel-like solution and mixed get 50 ml of a homogeneous solution containing 2% cellulose in 5% NaOH solution. The prepared cellulose solution is mixed with expanded graphite grade OG-4 in a ratio of 1: 1 for one hour at room temperature. Then the resulting mass is stirred under reduced pressure to remove voids in the pores of graphite. After filtering and drying at 110 ° C, the composition in an inert gas atmosphere is subjected to heat treatment at a heating rate of 4 ° C / min to a temperature of 600 ° C, with exposure at a final temperature for 1 hour.

Полученный композиционный материал имеет микропористую структуру (диаметр пор 16,5 нм), удельную поверхность SБЭТ 55,4 м2/г и следующие сорбционные характеристики: активность по йоду - 38,38 мг/г, по метиленовому голубому - 63,80 мг/г (см. табл.1 и 2).The resulting composite material has a microporous structure (pore diameter 16.5 nm), specific surface area S BET 55.4 m 2 / g and the following sorption characteristics: iodine activity - 38.38 mg / g, methylene blue - 63.80 mg / g (see tables 1 and 2).

Пример 2. Предварительно готовят 1% раствор целлюлозы в водном растворе гидроксида натрия, для чего 0,3 г целлюлозы (осина) перемешивают в 29.4 мл 8.5% NaOH. Дальнейшее приготовление композиции осуществляют аналогично примеру 1, но без дополнительного разбавления водой. Получающийся композиционный материал в значительной степени микропористый, но обладает меньшей удельной поверхностью (около 42 м2/г). Вероятно, при большем содержании активирующего агента в ходе карбонизации происходит частичное удерживание выделяющегося диоксида углерода (СО2) продуктами трансформации щелочного компонента (оксиды, карбонаты), что подавляет развитие пористости в конечном продукте.Example 2. Pre-prepare a 1% solution of cellulose in an aqueous solution of sodium hydroxide, for which 0.3 g of cellulose (aspen) is mixed in 29.4 ml of 8.5% NaOH. Further preparation of the composition is carried out analogously to example 1, but without additional dilution with water. The resulting composite material is largely microporous, but has a lower specific surface area (about 42 m 2 / g). It is likely that with a higher content of activating agent during carbonization, a partial retention of the released carbon dioxide (CO 2 ) occurs by the products of transformation of the alkaline component (oxides, carbonates), which inhibits the development of porosity in the final product.

Пример 3. Способ получения композиционного материала проводят аналогично примеру 1, но композиционную смесь перед высушиванием во влажном, слегка вязком состоянии подвергают формованию в виде гранул размером 5×5×8 мм с применением трехкратной степени уплотнения. Сформованный композитный материал обладает лучшими сорбционными качествами по отношению к поглощению йода (69,44 мг/г), чем порошкообразный, что происходит вследствие увеличения количества сорбирующих пор в единице объема.Example 3. The method for producing the composite material is carried out analogously to example 1, but the composite mixture is subjected to molding in the form of granules with a size of 5 × 5 × 8 mm using a triple degree of compaction before drying in a wet, slightly viscous state. The formed composite material has better sorption qualities with respect to the absorption of iodine (69.44 mg / g) than powder, which occurs due to an increase in the number of sorbing pores per unit volume.

Пример 4. Композицию готовят в условиях примера 3, но берут соотношение целлюлозы (промышленная целлюлоза, Братск) и расширенного графита 2,5:1. Наблюдаемое в ходе термической обработки разрыхление и частичное разрушение гранул является результатом снижения когезионной способности раствора целлюлозы из-за возросшего уровня активирующего щелочного агента. Заметная сорбционная активность в отношении йода (224,12 мг/г) обусловлена, вероятно, увеличением общей пористости материала, вызванной расклиниванием слабо связанных между собой адгезионными силами сплющенных пор.Example 4. The composition is prepared under the conditions of example 3, but take the ratio of cellulose (industrial cellulose, Bratsk) and expanded graphite 2.5: 1. The loosening and partial destruction of the granules observed during the heat treatment is the result of a decrease in the cohesiveness of the cellulose solution due to the increased level of activating alkaline agent. A noticeable sorption activity with respect to iodine (224.12 mg / g) is probably due to an increase in the total porosity of the material caused by the wedging of weakly bonded adhesive forces of flattened pores.

Пример 5. Приготовление композиции осуществляют в условиях примера 1, но вводят ацетат меди в качестве модифицирующей добавки к раствору целлюлозы в количестве 2% в расчете на вводимый металл. Дальнейшее взаимодействие растворов Cu-содержащей целлюлозы с терморасширенным графитом ГСМ-1 (НГА) осуществляют в соответствии с примером 1. Получаемый пористый (SБЭТ=120 м2/г) медьсодержащий углеродный материал обладает каталитическими свойствами и проявляет сорбционную активность по отношению к йоду и метиленовому голубому (табл.2). Описанным способом были приготовлены композитные системы, содержащие в составе наносимых растворов целлюлозы от 2 до 5% меди.Example 5. The preparation of the composition is carried out under the conditions of example 1, but copper acetate is introduced as a modifying additive to the cellulose solution in an amount of 2% based on the introduced metal. Further interaction of solutions of Cu-containing cellulose with thermally expanded graphite GSM-1 (NGA) is carried out in accordance with example 1. The resulting porous (S BET = 120 m 2 / g) copper-containing carbon material has catalytic properties and exhibits sorption activity with respect to iodine and methylene blue (Table 2). In the described manner, composite systems were prepared containing from 2 to 5% copper in the composition of the applied cellulose solutions.

Исследования структуры композитных образцов показали, что матрица углеродного носителя, определяющая текстурные характеристики в готовом композите, представлена двумерными хорошо окристаллизованными слоями графита и графитизированной слоистой структурой, образованной из целлюлозного предшественника. Дисперсная фаза кристаллитов меди в композиционном материале, приготовленном с использованием 2-3% модифицирующей добавкой меди, представлена преимущественно частицами металла размером 2-5 нм. В случае использования 5% содержания меди в исходной композиции конечный углеродный материал содержал частицы меди размером до 20 нм. Возрастание размеров происходит за счет слияния частиц в ходе карбонизации.Studies of the structure of composite samples showed that the matrix of the carbon carrier, which determines the texture characteristics in the finished composite, is represented by two-dimensional well crystallized layers of graphite and a graphitized layered structure formed from a cellulose precursor. The dispersed phase of copper crystallites in a composite material prepared using a 2-3% modifying copper additive is mainly represented by metal particles 2-5 nm in size. In the case of using 5% of the copper content in the initial composition, the final carbon material contained copper particles up to 20 nm in size. The increase in size occurs due to the fusion of particles during carbonization.

Пример 6. Приготовление композитного материала проводят в условиях примера 4, отличающихся тем, что в качестве щелочного агента используют 20% раствор тетраэтиламмония гидроокиси (ТУ 6-00-05-132-78). Полученный продукт имеет более развитую удельную поверхность (SБЭТ=108,55 м2/г), чем полученный с использованием гидроокиси натрия в качестве щелочного агента, за счет промотирующего влияния выделяющихся в ходе карбонизации летучих продуктов разложения.Example 6. The preparation of the composite material is carried out under the conditions of example 4, characterized in that as an alkaline agent using a 20% solution of tetraethylammonium hydroxide (TU 6-00-05-132-78). The resulting product has a more developed specific surface area (S BET = 108.55 m 2 / g) than that obtained using sodium hydroxide as an alkaline agent, due to the promoting effect of volatile decomposition products released during carbonization.

Высокая стоимость тетраэтиламмония гидроокиси и значительная ее реакционноспособность в отношении целлюлозы ограничивает практическое использование этого реагента для приготовления композиций на основе растворов целлюлозы.The high cost of tetraethylammonium hydroxide and its significant reactivity with respect to cellulose limits the practical use of this reagent for the preparation of compositions based on cellulose solutions.

Пример 7. Приготовление композиционной смеси и ее термическую обработку проводят в соответствии с примером 3, но конечную температуру карбонизации увеличивают до 800°С. Наблюдаемое незначительное снижение прочности гранул вызвано интенсивным процессом выгорания активного углерода в матрице расширенного графита, приводящим к текстурным изменениям в получаемом адсорбенте. К аналогичным результатам приводит осуществление процесса карбонизации при 600°С, когда время выдержки композиции было увеличено до 3 часов, либо когда применяли высокие скорости подъема температуры (10°С/мин). Установлено, что высокие скорости нагрева (>10°С/мин) и/или длительное выдерживание композиции при Т≥800°С приводят к разупорядочению, ослаблению и даже к разрушению структуры блоков.Example 7. The preparation of the composite mixture and its heat treatment is carried out in accordance with example 3, but the final carbonization temperature is increased to 800 ° C. The observed slight decrease in the strength of the granules is caused by the intense process of burning active carbon in the expanded graphite matrix, leading to texture changes in the resulting adsorbent. The carbonization process at 600 ° C leads to similar results when the exposure time of the composition was increased to 3 hours, or when high rates of temperature rise (10 ° C / min) were used. It was found that high heating rates (> 10 ° C / min) and / or prolonged curing of the composition at T≥800 ° C lead to disordering, weakening, and even destruction of the structure of the blocks.

Пример 8. Приготовление композиции осуществляют в условиях примера 5, но вводят никель азотнокислый Ni(NO3)2 в качестве модифицирующей добавки к раствору целлюлозы в количестве 2% на вводимый металл. Дальнейшее взаимодействие раствора Ni-содержащей целлюлозы с терморасширенным графитом осуществляли в соответствии с примером 1. В результате термообработки получали порошкообразный композиционный углеродный материал (SБЭТ=57,5 м2/г), способный найти свое применение в катализе. Активность Ni-содержащего композитного материала по отношению к метиленовому голубому и йоду не является хуже адсорбционной способности индивидуальных составляющих благодаря тому факту, что доступность пор к адсорбированию жидкостей не понижается в ходе процесса приготовления композиции.Example 8. The preparation of the composition is carried out under the conditions of example 5, but nickel nitrate nitrate Ni (NO 3 ) 2 is introduced as a modifying additive to the cellulose solution in an amount of 2% per metal to be introduced. Further interaction of the solution of Ni-containing cellulose with thermally expanded graphite was carried out in accordance with Example 1. As a result of the heat treatment, a powdery carbon composite material was obtained (S BET = 57.5 m 2 / g), which could find its application in catalysis. The activity of the Ni-containing composite material with respect to methylene blue and iodine is not worse than the adsorption capacity of the individual components due to the fact that the availability of pores for the adsorption of liquids does not decrease during the preparation of the composition.

Пример 9. Приготовление композиции осуществляют в условиях примера 5, но вводят хлористоводородный комплекс палладия H2PdCl4 в качестве модифицирующей добавки к щелочному раствору целлюлозы в количестве 2% на вводимый металл. Приготовленный Pd-содержащий раствор целлюлозы смешивают с расширенным графитом марки НГА в массовом соотношении 2:1. Полученные микропористые образцы имеют существенно более низкие значения удельной поверхности (SБЭТ~20 м2/г) и высокие значения поверхности микропор (Sмикро=300 м2/г). Наличие в композиционных Pd-содержащих образцах большого количества ультрамикропор, недоступных для адсорбции крупных молекул, объясняет невысокие значения сорбционной активности по отношению к йоду и метиленовому голубому. Палладий-содержащий углеродный материал проявляет активность в реакциях гидрирования гексена-1 и циклогексена.Example 9. The preparation of the composition is carried out under the conditions of example 5, but the hydrochloric complex of palladium H 2 PdCl 4 is introduced as a modifying additive to the alkaline cellulose solution in an amount of 2% per metal to be introduced. Prepared Pd-containing cellulose solution is mixed with expanded graphite brand NGA in a mass ratio of 2: 1. The obtained microporous samples have significantly lower specific surface values (S BET ~ 20 m 2 / g) and high micropore surface values (S micro = 300 m 2 / g). The presence of a large number of ultramicropores in composite Pd-containing samples, inaccessible for adsorption of large molecules, explains the low values of sorption activity with respect to iodine and methylene blue. Palladium-containing carbon material is active in the hydrogenation of hexene-1 and cyclohexene.

Пример 10. Приготовление композиционного материала проводят в условиях прототипа, т.е. хлопковую целлюлозу в форме порошка смешивают с активирующим агентом и расширенным графитом ОГ-4. Введение модифицирующего раствора Cu(СН3СОО)2 в полученную суспензию приводит к неоднородному распределению металла среди компонентов композиции. Осуществление процесса карбонизации с выдерживанием при конечной температуре (600°С) в течение 5 часов приводит к значительной потере в составе композиции активного углерода. Текстурные и сорбционные характеристики конечного продукта близки к параметрам расширенного графита, т.е., приготовление композиции в условиях прототипа дает худшие результаты по сравнению с предлагаемым способом.Example 10. The preparation of the composite material is carried out under the conditions of the prototype, i.e. powdered cotton pulp is mixed with an activating agent and expanded graphite OG-4. The introduction of a modifying solution of Cu (CH 3 COO) 2 in the resulting suspension leads to an inhomogeneous distribution of the metal among the components of the composition. The implementation of the carbonization process with aging at a final temperature (600 ° C) for 5 hours leads to a significant loss of active carbon in the composition. The texture and sorption characteristics of the final product are close to the parameters of expanded graphite, i.e., preparation of the composition under the conditions of the prototype gives worse results compared to the proposed method.

Анализ представленных результатов свидетельствует о том, что оптимальными условиями для приготовления композиционного материала являются: применение 1-2% раствора целлюлозы, скорость подъема температуры 4°С/мин, конечная температура 600°С и время выдержки при ней 1 час. На основании экспериментальных данных установлено, что для случаев применения разбавленных растворов целлюлозы, концентрацией менее 1%, сцепление композитного материала снижается, блочный композит становится менее плотным и менее твердым.An analysis of the presented results indicates that the optimal conditions for the preparation of composite material are: the use of a 1-2% solution of cellulose, a temperature rise rate of 4 ° C / min, a final temperature of 600 ° C and a holding time of 1 hour. Based on experimental data, it was found that for cases of diluted cellulose solutions with a concentration of less than 1%, the adhesion of the composite material decreases, the block composite becomes less dense and less solid.

Таким образом, использование предлагаемого способа приготовления композиции на основе раствора целлюлозы и расширенного графита позволяет упростить приготовление композиционного материала и получать его за значительно более короткое время по сравнению с прототипом. Использование целлюлозного материала в виде раствора обеспечивает получение однородной смеси расширенного графита, растворенных волокон целлюлозы и модифицирующей добавки без применения связующего. Введение модифицирующих металлов в состав композиции в форме металлзамещенных целлюлоз придает композиционным материалам каталитические и адсорбционные свойства, что позволяет использовать их как пористые углеродные адсорбенты, носители и металлсодержащие катализаторы, например, для реакций олигомеризации и гидрирования олефинов.Thus, the use of the proposed method of preparing a composition based on a solution of cellulose and expanded graphite makes it possible to simplify the preparation of a composite material and to obtain it in a much shorter time compared to the prototype. The use of cellulosic material in the form of a solution provides a homogeneous mixture of expanded graphite, dissolved cellulose fibers and a modifying additive without the use of a binder. The introduction of modifying metals into the composition in the form of metal-substituted celluloses gives the composite materials catalytic and adsorption properties, which makes it possible to use them as porous carbon adsorbents, carriers, and metal-containing catalysts, for example, for oligomerization and hydrogenation of olefins.

Таблица 1
Характеристика исходных компонентов графита и целлюлозы
Table 1
Characterization of the starting components of graphite and cellulose
ОбразецSample ОбработкаTreatment C* C * Н* N * N* N * Графит** интеркалированный (Ногинск); ОГ-4Graphite ** intercalated (Noginsk); OG-4 NHO3 (конц.)NHO 3 (conc.) 94,51-94,9094.51-94.90 0,17-0,190.17-0.19 0,78-1,010.78-1.01 Расширенный графит ОГ-4Expanded graphite OG-4 900°С, 1 мин900 ° C, 1 min 96,96-97,2096.96-97.20 0,06-0,090.06-0.09 0,030,03 Графит ГСМ-1 интеркалированный (Завальевск); НГВGSM-1 graphite intercalated (Zavalevsk); NGV NHO3+CH3СООНNHO 3 + CH 3 COOH 94,98-95,2094.98-95.20 0,36-0,420.36-0.42 0,580.58 Расширенный графит НГВNGV expanded graphite 900°С, 1 мин900 ° C, 1 min 97,94-98,5897.94-98.58 0,09-0,150.09-0.15 00 Графит ГСМ-1 интеркалированный; НГАGSM-1 graphite intercalated; Nga NHO3 (конц.)NHO 3 (conc.) 94,85-95,5794.85-95.57 0,18-0,150.18-0.15 0,97-1,100.97-1.10 Расширенный графит НГАExpanded Graphite NGA 900°С, 1 мин900 ° C, 1 min 96,54-98,0296.54-98.02 0,12-0,180.12-0.18 0,030,03 Промышленная целлюлоза (Братск), ХЧIndustrial cellulose (Bratsk), ChP Волокна 7×1,0×1,5 ммFibers 7 × 1.0 × 1.5 mm 44,4944.49 6,216.21 00 Микрокристаллическая целлюлоза (осина)Microcrystalline Cellulose (Aspen) Частицы 0,5×1,0×1,5 ммParticles 0.5 × 1.0 × 1.5 mm 45,6945.69 6,316.31 00 Хлопковая целлюлоза (Avicel)Cotton Cellulose (Avicel) порошокpowder 45,5645.56 6,286.28 00 Примечание: * содержание элементов, масс.%;
** Использовались обеззоленные природные графиты, содержание примесей не превышало 0,05 масс.%.
Note: * content of elements, wt.%;
** Natural anesthetized graphites were used, the content of impurities did not exceed 0.05 wt.%.

Таблица 2
Сорбционные характеристики углеродных материалов
table 2
Sorption characteristics of carbon materials
№ опытаExperience number ОбразецSample Удельная поверхность; SБЭТ, м2Specific surface area; S BET , m 2 / g Активность по йоду; мг/гIodine activity; mg / g Активность по метиленовому голубому; мг/гActivity on methylene blue; mg / g ОГ-4OG-4 36,536.5 менее 10less than 10 менее 10less than 10 НГАNga 12,712.7 11,8311.83 17,2717.27 НГВNGV 3333 25,4525.45 21,1721.17 1one 2% раствор целлюлозы, осина (5% NaOH) + ОГ-4 (1:1). Порошок2% solution of cellulose, aspen (5% NaOH) + OG-4 (1: 1). Powder 55,455,4 38,3838.38 63,8063.80 22 1% раствор целлюлозы, осина (8,5% NaOH) + ОГ-4 (1:1). Порошок1% solution of cellulose, aspen (8.5% NaOH) + OG-4 (1: 1). Powder 42,042.0 35,8635.86 45,1745.17 33 2% раствор целлюлозы, осина (5% NaOH) + ОГ-4 (1:1). Гранулы2% solution of cellulose, aspen (5% NaOH) + OG-4 (1: 1). Granules 60,7560.75 69,4469.44 41,0241.02 4four 2% раствор целлюлозы (Братск) + НГВ (2,5:1). Гранулы2% cellulose solution (Bratsk) + NGV (2.5: 1). Granules 94,0694.06 224,12224.12 13,3013.30 55 Cu/2% p-p целлюлозы (осина), 5% p-p NaOH + НГА (2:1:1). ПорошокCu / 2% p-p cellulose (aspen), 5% p-p NaOH + HGA (2: 1: 1). Powder 120,10120.10 71,8071.80 38,6238.62 66 2% p-p целлюлозы хлопок, (C2H5)4NOH, + НГВ (2,5:1). Гранулы2% pp cellulose cotton, (C 2 H 5 ) 4 NOH, + HBV (2.5: 1). Granules 108,55108.55 148,29148.29 37,7237.72 77 Образец 3, 800°СSample 3, 800 ° C 51,7051.70 28,3828.38 65,4865.48 88 Ni/2% p-p целлюлозы (осина), 5% p-p NaOH + НГА (2:1:1). ПорошокNi / 2% p-p cellulose (aspen), 5% p-p NaOH + HGA (2: 1: 1). Powder 57,557.5 48,2048,20 36,8736.87 99 Pd/2% p-p целлюлозы (осина), 5% p-p NaOH + НГА (2:1:1). ПорошокPd / 2% p-p cellulose (aspen), 5% p-p NaOH + HGA (2: 1: 1). Powder 20,4020.40 22,1322.13 24,8024.80 10 Прото тип10 Proto Type Целлюлоза (хлопок) + ОГ-4 (1:1)Cellulose (cotton) + OG-4 (1: 1) 45,9045.90 27,1227.12 33,4133.41

Claims (2)

1. Способ получения композиционного материала, включающий приготовление композиции, состоящей из расширенного графита, целлюлозы и водного раствора активирующего агента, и ее карбонизацию со скоростью нагрева 4°С/мин до 600°С, отличающийся тем, что сначала готовят 1-2%-ный раствор целлюлозы в активирующем агенте, в качестве которого используют 5-8,5%-ный раствор гидроксида натрия, для приготовления композиции полученный раствор смешивают с расширенным графитом в массовом соотношении (1-2,5):(2-1) соответственно, а карбонизацию ведут, выдерживая полученную композицию при вышеуказанной температуре в течение 1 ч.1. A method of obtaining a composite material, comprising preparing a composition consisting of expanded graphite, cellulose and an aqueous solution of an activating agent, and its carbonization with a heating rate of 4 ° C / min to 600 ° C, characterized in that 1-2% are first prepared - cellulose solution in an activating agent, which is used as a 5-8.5% sodium hydroxide solution, to prepare the composition, the resulting solution is mixed with expanded graphite in a mass ratio of (1-2.5) :( 2-1), respectively, and carbonization is carried out, keeping the irradiated composition at the above temperature for 1 hour 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в раствор целлюлозы добавляют 2-5 мас.% модифицирующего соединения переходного металла в пересчете на металл для придания композиционному материалу каталитических и адсорбционных свойств.2. The method according to claim 1, characterized in that 2-5 wt.% Of a transition metal modifying compound in terms of metal are added to the cellulose solution to impart catalytic and adsorption properties to the composite material.
RU2005120087/15A 2005-06-28 2005-06-28 Method of manufacture of the composite material made on the basis of the expanded graphite RU2296708C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005120087/15A RU2296708C1 (en) 2005-06-28 2005-06-28 Method of manufacture of the composite material made on the basis of the expanded graphite

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005120087/15A RU2296708C1 (en) 2005-06-28 2005-06-28 Method of manufacture of the composite material made on the basis of the expanded graphite

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2296708C1 true RU2296708C1 (en) 2007-04-10

Family

ID=38000286

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005120087/15A RU2296708C1 (en) 2005-06-28 2005-06-28 Method of manufacture of the composite material made on the basis of the expanded graphite

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2296708C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2576637C1 (en) * 2014-10-07 2016-03-10 Виктор Дмитриевич Ерошенко Method of producing composite material based on modified thermally expanded graphite

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2576637C1 (en) * 2014-10-07 2016-03-10 Виктор Дмитриевич Ерошенко Method of producing composite material based on modified thermally expanded graphite

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Azmi et al. Mesoporous adsorbent for CO2 capture application under mild condition: a review
KR101396374B1 (en) Tungsten carbide catalyst supported on mesoporous carbon, preparation and application thereof
US9566563B2 (en) Method for preparing carbon dioxide absorbent based on natural biomass and carbon dioxide absorbent based on natural biomass prepared by the same
CN105283245B (en) Novel carbon molecular sieve and pellet composition suitable for the separation of C2-C3 alkane/olefin
KR102409766B1 (en) Metal composite carbon material, fuel cell catalyst, fuel cell, hydrogen-occluding material, hydrogen tank, and production method for metal composite carbon material
Fonseca et al. Fabrication of metal-organic framework architectures with macroscopic size: A review
KR101753905B1 (en) Polyvinyl alcohol composite foam comprising lithium ion sieve and preparing method thereof
CN105214615A (en) A kind of moulding process of composite absorbent material
KR100766748B1 (en) Fabrication of the catalytic complex with the spherical carbon/silica nano-complex support
CN1151870C (en) Micropore carbon adsorbent for storing natural gas and its preparation method
Zhang et al. Facilely controlled synthesis of a core-shell structured MOF composite and its derived N-doped hierarchical porous carbon for CO 2 adsorption
Yoosuk et al. Binary sorption of CO2 and H2S over polyamine modified fumed silica pellets in a double stage fixed-bed system
RU2393111C1 (en) Method of producing microporous carbon material from lignocellulose material
WO2020165048A1 (en) Shaped cellulose article comprising activated carbon, in particular as support for co2 adsorbents
RU2359904C1 (en) Method for preparation of porous carbon materials from brown coal
RU2296708C1 (en) Method of manufacture of the composite material made on the basis of the expanded graphite
He et al. Preparation of macroscopic spherical porous carbons@ carboxymethylcellulose sodium gel beads and application for removal of tetracycline
CN110272034B (en) Preparation method of crosslinked polyamino acid-based porous carbon material
Ryu et al. Characterization of silver-containing pitch-based activated carbon fibers
CN113117732B (en) Active carbon composite material with three-dimensional pore channel structure and preparation method thereof
KR102571710B1 (en) Method for producing activated carbon
JP6926521B2 (en) Silver-supported zeolite molded product
CN105621386A (en) Method for preparing carbon material
JP3125808B2 (en) Activated carbon honeycomb structure and manufacturing method thereof
CN116529207A (en) Carbonaceous material, process for producing the same, fluorine-containing organic compound removing material, filter for water purification, and water purifier

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090629