Способ получения углеродного сорбента

Изобретение относится к углеродным сорбентам, а именно к способу получения углеродных сорбентов для поглощения техногенных жидкостей, в частности к углеродным сорбентам, получаемым из интеркалированных соединений графита. Предложен способ получения углеродного сорбента термическим разложением интеркалированных соединений фторированного графита, содержащих ацетон, или четыреххлористый углерод, или перфторциклогексан. Технический результат - повышение экологической безопасности способа получения углеродного сорбента.

 

Изобретение относится к углеродным сорбентам, а именно к способу получения углеродных сорбентов для поглощения техногенных жидкостей, в частности к углеродным сорбентам, получаемым из интеркалированных соединений графита.

Известен (US 3357929 C1, 252-444, опубл. 1967 г.) способ получения углеродного сорбента для поглощения жидкостей из интеркалированных соединений графита, получаемого окислением графита в кислых средах кислородсодержащими окислителями или электрохимическим окислением графита с последующим термическим разложением образующихся твердых продуктов в пропан-бутановом пламени. Однако его сорбционная емкость недостаточно высока. Так, 1 г полученного этим способом углеродного сорбента поглощает 57 г концентрированной серной кислоты, 38 г 50% плавиковой кислоты, 29 г керосина, 41 г четыреххлористого углерода и 49 г нашатырного спирта.

Известен также (RU 2202409 C1, В01J 20/20, опубл. 20.04.2003 г., БИ №11) способ получения углеродного сорбента для поглощения жидкостей термическим разложением при нагревании до 500°С интеркалированных соединений фторированного графита с галогенфторидами, образующихся при фторировании графита галогенфторидами или их растворами во фтористом водороде. По достигаемому эффекту - сорбционной емкости получаемого углеродного сорбента и использованию интеркалированных соединений фторированного графита (ИСФГ) в качестве исходных продуктов для получения углеродного сорбента для поглощения жидкостей этот способ наиболее близок к заявляемому.

Графит обрабатывают жидкими галогенфторидами (трифторид хлора, пентафторид хлора, трифторид брома, пентафторид брома) или их растворами во фтористом водороде. В результате получают ИСФГ общего состава C₂F·xHalF_n, где х=0,08-0,1, а HalF_n=ClF₃, ClF₅, BrF₃, BrF₅. Полученные твердые C₂F·xHalF_n нагревают до 500°С. В результате получают углеродный сорбент, 1 г которого поглощает 80-81 г концентрированной серной кислоты, 65-70 г четыреххлористого углерода, 61-62 г керосина, 123-125 г нашатырного спирта, 201-202 г H₂NC₂H₄OH.

Недостатком известного способа является выделение при термическом разложении исходных ИСФГ с галогенфторидами состава C₂F·xHalF_n при нагревании до 500°С для получения углеродного сорбента высокотоксичного газообразного хлора (ПДК = 1 мг/м³) или брома (ПДК=0,5 мг/м³). Это связано с тем, что по масс-спектрометрическим данным (А.С.Назаров, А.Ф.Антимонов, И.И.Яковлев и др. «Термическое разложение соединений внедрения трифторида хлора во фторграфитовую матрицу», Журн. неорган. химии. 1980. Т.25. №6. С.1506-1510) при деструктивном термическом разложении ИСФГ с фторидами хлора с образованием твердого углерода основными газообразными продуктами являются малотоксичный тетрафторид углерода (ПДК = 3000 мг/м³) и высокотоксичный хлор. При термическом разложении ИСФГ с фторидами брома будет выделяться бром. Это повышает экологическую опасность способа получения углеродного сорбента нагреванием ИСФГ с галогенфторидами до 500°С. В частности, выделение при термическом разложении ИСФГ с галогенфторидами хлора или брома затрудняет применение известного способа для получения углеродного сорбента в оперативных условиях, т.е. на месте техногенной аварии.

Задачей изобретения является повышение экологической безопасности способа получения углеродного сорбента путем устранения образования при нагревании ИСФГ высокотоксичных веществ.

Поставленная задача решается тем, что в способе получение углеродного сорбента для поглощения жидких техногенных токсикантов термическим разложением интеркалированных соединений фторированного графита в качестве интеркалированного соединения используют интеркалированные соединения фторированного графита, содержащие ацетон, или четыреххлористый углерод, или перфторциклогексан.

Отличительными от прототипа признаками являются использование для получения углеродного сорбента интеркалированных соединений фторированного графита, содержащих ацетон, или четыреххлористый углерод, или перфторциклогексан.

Эти признаки являются новым и существенными, т.к. использование ИСФГ, содержащих ацетон, или четыреххлористый углерод, или перфторциклогексан, позволяет исключить выделение высокотоксичных газообразных продуктов при их термическом разложении при получении углеродного сорбента. Газообразными продуктами термического разложения предлагаемых ИСФГ при их нагревании до 500°С являются малотоксичные тетрафторид углерода и менее токсичные, чем хлор и бром, соответственно, ацетон (ПДК = 200 мг/м³), четреххлористый углерод (ПДК=20 мг/м³) и нетоксичный перфторциклогексан, что позволяет значительно повысить экологичность способа получения углеродного сорбента из ИСФГ их термическим разложением. В частности, предлагаемые ИСФГ, как исходные продукты, по экологическому критерию уже могут быть использованы для оперативного получения углеродного сорбента на месте техногенной аварии.

При фторировании графита образуется ИСФГ с трифторидом хлора состава С₂F·xClF₃, где х=0,08-0,1. При обработке ИСФГ с трифторидом хлора ацетоном образуется ИСФГ с ацетоном состава C₂F·х(СН₃)₂СО, где х=0,09-0,12. При обработке ИСФГ с ацетоном четыреххлористым углеродом образуется ИСФГ с четыреххлористым углеродом состава C₂F·xCCl₄, где х=0,06-0,08. При обработке ИСФГ с ацетоном перфторциклогексаном образуется ИСФГ с перфторциклогексаном состава C₂F·xC₆F₁₂, где х=0,04-0,05. Такие обменные реакции для получения ИСФГ с органическими веществами с использованием в качестве исходного соединения ИСФГ с трифторидом хлора хорошо изучены (Макотченко В.Г., Назаров А.С., Яковлев И.И. «Интеркалированные соединения фторированного графита с ароматическими углеводородами». Т.42. №4. 1997. С.584-587). При нагревании ИСФГ с ацетоном, или четыреххлористым углеродом, или перфторциклогексаном до 500°С, как и при нагревании ИСФГ с трифторидом хлора, происходит деструктивное разложение ИСФГ с образованием углеродного сорбента (твердого углерода) и выделение газообразного тетрафторида углерода и, соответственно, ацетона, или четыреххлористого углерода, или перфторциклогексана. Это значительно повышает экологичность способа получения углеродного сорбента нагреванием предлагаемых ИСФГ до 500°С, т.к. токсичность ацетона и четыреххлористого углерода значительно меньше токсичности хлора и брома, а перфторциклогексан относится к нетоксичным веществам.

Изобретение осуществляется следующим образом. Сначала графит по известному методу обрабатывают трифторидом хлора и получают ИСФГ с трифторидом хлора. Затем ИСФГ с трифторидом хлора обрабатывают ацетоном и получают ИСФГ с ацетоном. ИСФГ с ацетоном для проведения обменных реакций обрабатывают четыреххлористым углеродом или перфторциклогексаном и получают ИСФГ, соответственно, с четыреххлористым углеродом или перфторциклогексаном. Полученные ИСФГ с ацетоном, четыреххлористым углеродом или перфторциклогексаном нагревают до 500°С и получают углеродный сорбент для поглощения жидких техногенных токсикантов.

Пример 1. В реактор из фторопласта заливают 30 г трифторида хлора и охлаждают жидким азотом. К замороженному трифториду хлора добавляют 5 г природного графита. Реактор герметично закрывают, медленно поднимают температуру до 22°С и выдерживают в течение 5 часов. Затем избыток трифторида хлора отгоняют в никелевый сосуд, охлаждаемый жидким азотом. В результате получают 11 г ИСФГ с трифторидом хлора, который помещают в стакан из фторопласта и добавляют 20 мл ацетона. Стакан закрывают и выдерживают при 22°С 8 часов. Твердый продукт отфильтровывают на стеклянном фильтре, два раза промывают на фильтре ацетоном порциями по 20 мл и высушивают на воздухе до постоянной массы. В результате получают 9,3 г ИСФГ с ацетоном. ИСФГ с ацетоном нагревают до 500°С и получают 3,5 г углеродного сорбента, 1 г которого поглощает 80-85 г концентрированной серной кислоты, 80-85 г четыреххлористого углерода, 75-80 г керосина, 90-100 г безводной азотной кислоты, 80-90 г тетраоксида диазота и 250-300 г несимметричного диметилгидразина.

Пример 2. 9,3 г ИСФГ с ацетоном помещают на стеклянный фильтр и три раза промывают четыреххлористым углеродом порциями по 20 мл. В результате получают 10,8 г ИСФГ с четыреххлористым углеродом. ИСФГ с четыреххлористым углеродом нагревают до 500°С и получают 4,4 г углеродного сорбента, 1 г которого поглощает 80-85 г концентрированной серной кислоты, 80-85 г четыреххлористого углерода, 75-80 г керосина, 90-100 г безводной азотной кислоты, 80-90 г тетраоксида диазота и 250-300 г несимметричного диметилгидразина.

Пример 3. 9,3 г ИСФГ с ацетоном помещают на стеклянный фильтр и три раза промывают перфторциклогексаном порциями по 20 мл. В результате получают 11,4 г ИСФГ с перфторциклогексаном. ИСФГ с перфторциклогексаном нагревают до 500°С и получают 4,1 г углеродного сорбента, 1 г которого поглощает 80-85 г концентрированной серной кислоты, 80-85 г четыреххлористого углерода, 75-80 г керосина, 90-100 г безводной азотной кислоты, 80-90 г тетраоксида диазота и 250-300 г несимметричного диметилгидразина.

Высокоэффективный углеродный сорбент, полученный нагреванием до 500°С ИСФГ, содержащих ацетон, или четыреххлористый углерод, или перфторциклогексан, может найти широкое применение для поглощения жидких токсикантов и агрессивных сред, в том числе компонентов жидких ракетных топлив.

Способ получения углеродного сорбента термическим разложением интеркалированного соединения фторированного графита, отличающийся тем, что в качестве интеркалированного соединения используют интеркалированные соединения фторированного графита, содержащие ацетон, или четыреххлористый углерод, или перфторциклогексан.