Способ проведения сорбции и десорбции паров органических соединений при воздействии на сорбент электромагнитного излучения
Предложен способ проведения сорбции и десорбции паров органических соединений при воздействии на сорбент электромагнитного излучения, при этом в качестве сорбента используют фуллереносодержащий материал, а в качестве электромагнитного излучения на стадии сорбции используют видимый свет с длиной волны 400-600 нм или ультрафиолетовое излучение с длиной волны 300-400 нм. Десорбцию проводят при воздействии красного света с длиной волны 610-700 нм или путем снятия излучения. Способ позволяет упростить процесс и повысить его эффективность. 5 з.п. ф-лы, 4 табл., 2 ил.
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;
ФС4,2 - фуллереновая сажа с содержанием фуллеренов 4,2% мас.;
ФС8,2 - фуллереновая сажа с содержанием фуллеренов 8,2% мас.;
ФЧ0,1 - фуллереновая чернь, содержание фуллерена 0,1% мас.;
ФЧ0,1T - 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 ФС4,2, 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 ФС8,2 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 ФС4,2 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.
