Testování nových druhů adsorpčních materiálů pro odstraňování organických látek z plynů



Podobné dokumenty
Sorpce oxidu uhličitého na vápence pocházejících z různých lokalit České republiky

TECHNOLOGIE KE SNIŽOVÁNÍ EMISÍ (SEKUNDÁRNÍ OPATŘENÍ K OMEZOVÁNÍ EMISÍ)

Adsorpční sušení zemního plynu za zvýšeného tlaku

Chemie povrchů verze 2013

Omezování plynných emisí. Ochrana ovzduší ZS 2012/2013

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ ADSORPCE NA AKTIVNÍM UHLÍ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV PROCESNÍHO A EKOLOGICKÉHO INŽENÝRSTVÍ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Omezování plynných emisí. Ochrana ovzduší ZS 2010/2011

Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích. Institute of Technology And Business In České Budějovice

Adsorpce. molekulární adsorpce: (g) (s), (l) (s)/(l),... iontová adsorpce Paneth Fajans. výměnná iontová adsorpce, protionty v aluminosilikátech

Teorie transportu plynů a par polymerními membránami. Doc. Ing. Milan Šípek, CSc. Ústav fyzikální chemie VŠCHT Praha

Kristýna Hádková, Viktor Tekáč, Karel Ciahotný, Zdeněk Beňo, Veronika Vrbová

PROBLÉMY ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ OVZDUŠÍ

Stanovení vnitřního povrchu adsorbentů vhodných k úpravě bioplynu

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123TVVM transport vodní páry

Fotokatalytická oxidace acetonu

PŘÍPRAVA A TESTOVÁNÍ ADSORBENTŮ PRO SEPARACI OXIDU UHLIČITÉHO ZE SPALIN

Vliv chemické aktivace na sorpční charakteristiky uhlíkatých materiálů

Teorie chromatografie - I

Odstraňování Absorption minoritních nečistot z bioplynu

STANOVENÍ MĚRNÉHO POVRCHU VYBRANÝCH ADSORBENTŮ METODOU BET A METODOU DFT

ÚPRAVA VODY V ENERGETICE. Ing. Jiří Tomčala

V PRŮMYSLOVÉM MĚŘÍTKU. KAREL CIAHOTNÝ a ONDŘEJ PROKEŠ. Metody sušení a čištění zemního plynu

Katedra textilních materiálů ENÍ TEXTILIÍ PŘEDNÁŠKA 4

Mol. fyz. a termodynamika

Návrh vhodného aktivního uhlí ve vodárenství

Paliva. nejběžnějším zdrojem tepla musí splňovat tyto podmínky: co nejmenší náklady na těžbu a výrobu snadno uskutečnitelné spalování

ÚPRAVA BIOPLYNU NA BIOMETHAN

Použití přírodních vápenců z lomů v České republice v technologii vysokoteplotní sorpce oxidu uhličitého ze spalin

Nové typy materiálů na bázi uhlíku. Ing. Stanislav Czudek, PhD Třinecké železárny, a.s. Koksochemická výroba

TESTOVÁNÍ ADSORBENTŮ NA BÁZI NANOSTRUKTURNÍHO OXIDU KŘEMIČITÉHO PRO SUŠENÍ PLYNŮ

H H C C C C C C H CH 3 H C C H H H H H H

Název opory DEKONTAMINACE

Skupenské stavy látek. Mezimolekulární síly

Třídění látek. Chemie 1.KŠPA

Počet atomů a molekul v monomolekulární vrstvě

Voda, pára, vypařování,

Model dokonalého spalování pevných a kapalných paliv Teoretické základy spalování. Teoretické základy spalování

Zplyňování biomasy. Sesuvný generátor. Autotermní zplyňování Autotermní a alotermní zplyňování

Testování fotokatalytické aktivity nátěrů FN z hlediska jejich schopnosti odbourávání polutantů ze vzduchu dle následujících ISO standardů:

Vícefázové reaktory. Probublávaný reaktor plyn kapalina katalyzátor. Zuzana Tomešová

Ohlašovací prahy pro úniky a přenosy pro ohlašování do IRZ/E PRTR

Adsorpce při úpravě vody

Nedokonalé spalování. Spalování uhlíku C na CO. Metodika kontroly spalování. Kontrola jakosti spalování. Části uhlíku a a b C + 1/2 O 2 CO

FILTRAČNÍ VLOŽKY VS PC POPIS 2. PROVEDENÍ 3.POUŽITÍ PODNIKOVÁ NORMA

Směsi, roztoky. Disperzní soustavy, roztoky, koncentrace

Vysokoteplotní karbonátová smyčka moderní metoda odstraňování CO 2 ze spalin

Nedokonalé spalování. Spalování uhlíku C na CO. Metodika kontroly spalování. Kontrola jakosti spalování. Části uhlíku a a b C + 1/2 O 2 CO

2.4 Stavové chování směsí plynů Ideální směs Ideální směs reálných plynů Stavové rovnice pro plynné směsi

Opakování

Monika Fialová VAKUOVÁ FYZIKA II. ZÍSKÁVÁNÍ NÍZKÝCH TLAKŮ

OBSAH.

CELIO a.s. CZU Linka na úpravu odpadů za účelem jejich dalšího energetického využití SLUDGE

Metody separace. přírodních látek

Inhibitory koroze kovů

1. Látkové soustavy, složení soustav

MODELY SORPCE VOC V ZEMINÁCH VS. METODY STATICKÉ HEAD-SPACE A KAPALINOVÉ EXTRAKCE

Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Výzkumné energetické centrum Zkušební laboratoř 17. listopadu 15/2172, Ostrava - Poruba

F6450. Vakuová fyzika 2. () F / 21

Organická chemie 3.ročník studijního oboru - kosmetické služby.

Nauka o materiálu. Přednáška č.14 Kompozity

Energetické využití odpadu. 200 let První brněnské strojírny

Přednáška 4. Tlak nasycených par, odpařování. Materiály pro vakuovou techniku Procesy ve stěnách vak. systémů. Martin Kormunda

TESTOVÁNÍ ADSORBENTŮ PRO SEPARACI OXIDU UHLIČITÉHO Z PLYNŮ. KAREL CIAHOTNÝ a, EVA ČERNÁ b a MICHALA MACHÁČKOVÁ c. Experimentální část.

Funkční vzorek průmyslového motoru pro provoz na rostlinný olej

Prvky 14. Skupiny (Tetrely)

INDIKATIVNÍ MĚŘENÍ MS HAVÍŘOV Vyhodnocení za rok 2011

NEKONVENČNÍ ZPŮSOBY VÝROBY TEPELNÉ A ELEKTRICKÉ ENERGIE. Ing. Stanislav HONUS

Carbovet - mechanismus vyvazování mykotoxinů neschopných adsorpce

Metody likvidace VOC z průmyslových procesů. Ing. Zbyněk Krayzel zbynek.krayzel@seznam.cz Doc. Ing. Karel Ciahotný, CSc.

Stanovení fotokatalytické aktivity vzorků FN1, FN2, FN3 a P25 dle metodiky ISO :2013

Vazby v pevných látkách

NEGATIVNÍ PŮSOBENÍ PROVOZU AUTOMOBILOVÝCH PSM NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

Základy chemických technologií

JEMNOZRNNÉ BETONY S ČÁSTEČNOU NÁHRADOU CEMENTU PŘÍRODNÍM ZEOLITEM

Sol gel metody, 3. část

VYHLÁŠKA č. 337/2010 Sb. ze dne 22. listopadu 2010

Zvyšování kvality výuky technických oborů

Palivová soustava Steyr 6195 CVT

ODSTRAŇOVÁNÍ BERYLLIA ZE ZDROJŮ PITNÉ VODY

Projekt vysokoteplotní karbonátové smyčky, jeho hlavní aktivity a dosažené výsledky

Acidobazické děje - maturitní otázka z chemie

Tepelně vlhkostní mikroklima. Vlhkost v budovách

PROCESY V TECHNICE BUDOV 8

Sešit pro laboratorní práci z chemie

Stanovení vodní páry v odpadních plynech proudících potrubím

POPIS VYNÁLEZU K AUTORSKÉMU OSVĚDČENÍ

OBECNÁ CHEMIE. Kurz chemie pro fyziky MFF-UK přednášející: Jaroslav Burda, KChFO.

ZŠ ÚnO, Bratří Čapků 1332

Superkritická fluidní extrakce (SFE) Superkritická fluidní extrakce

Autokláv reaktor pro promíchávané vícefázové reakce

Termodynamika. T [K ]=t [ 0 C] 273,15 T [ K ]= t [ 0 C] termodynamická teplota: Stavy hmoty. jednotka: 1 K (kelvin) = 1/273,16 část termodynamické

Sekundární elektrochemické články

FAKTORY VNITŘNÍHO PROSTŘEDÍ STAVEB

Příprava materiálu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253

LEPENÉ SPOJE. 1, Podstata lepícího procesu

Název odpadu N Jiné odpady z fyzikálního a chemického zpracování rudných nerostů obsahující nebezpečné látky x

Látky, jejich vlastnosti, skupenství, rozpustnost

PŘÍPRAVA SORBENTŮ PRO ČIŠTĚNÍ GENERÁTOROVÉHO PLYNU

1) Skupenství fáze, forma, stav. 2) 3 druhy skupenství (1 látky): pevné (led) kapalné (voda) plynné (vodní pára)

Transkript:

Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší Technická 5, 166 28 Praha 6 Testování nových druhů adsorpčních materiálů pro odstraňování organických látek z plynů Semestrální projekt Vypracoval: Veronika Vrbová Školitel: Doc. Ing. Karel Ciahotný, CSc. Praha, květen 2007

Souhrn V poslední době se v nabídce komerčně vyráběných adsorpčních materiálů objevily nové adsorbenty na bázi gumy a grafitu. Cílem semestrálního projektu bylo porovnání adsorpčních vlastností těchto nových adsorbentů s vlastnostmi klasických adsorpčních materiálů na bázi aktivního uhlí, silikagelu nebo zeolitů při odstraňování par organických látek z odpadního vzduchu. Za použití průtočné metody byly zjištěny adsorpční izotermy toluenu a vody pro několik zvolených adsorpčních materiálů za různých experimentálních podmínek. Na základě získaných výsledků byla posouzena vhodnost použití nových typů adsorbentů k odstraňování par organických látek z odpadního vzduchu. Adsorpční izotermy byly měřeny v laboratoři průtočnou gravimetrickou metodou. Tato metoda umožňuje měření několika paralelně zapojených vzorků současně za naprosto stejných podmínek.

Obsah 1 Úvod...2 2 Teoretická část...3 2.1 Metody odstraňování organických látek z odpadního vzduchu...3 2.2 Adsorpce...3 2.2.1 Adsorpční rovnováha...5 2.3 Desorpce...7 2.4 Adsorpční materiály...7 2.4.1 Vlastnosti adsorpčních materiálů...7 2.4.2 Druhy adsorpčních materiálů...8 3 Cíle práce...11 4 Experimentální část...12 4.1 Použité adsorbenty...12 4.2 Použité adsorptivy...16 4.3 Měření adsorpčních izoterem...16 5 Výsledky a diskuze...18 5.1 Výsledky měření...18 5.1.1 Adsorpce toluenu...18 5.1.2 Adsorpce vody...21 5.2 Diskuze výsledků...23 5.2.1 Adsorpce toluenu...23 5.2.2 Adsorpce vody...24 6 Závěr...25 Seznam symbolu...27 Seznam obrázku...28 Seznam tabulek...29 1

1 Úvod Mezi látky nejvíce znečišťující ovzduší patří oxid siřičitý, oxidy dusíku a organické látky. Právě emise těkavých organických látek se stávají předmětem stále většího zájmu, zejména díky svému negativnímu vlivu na ozónovou vrstvu a tvorbu přízemního ozónu. Velká množství látek znečišťujících, zapáchajících a ohrožující životní prostředí jsou produkována z průmyslových výrob, ze zemědělství a potravinářství. Dále v technologických procesech, ve kterých se používají organická rozpouštědla, jako například lakovny, barvírny a tiskárny. Dalšími významnými zdroji jsou procesy výroby a zpracování paliv, skladování pohonných hmot a těkavých organických látek a výrobní procesy používající lepidel ředěných organickými rozpouštědly, ale také spalovací motory používané v dopravě. V mnoha technologických procesech se uvolňují páry organických látek, které je třeba z procesu odstraňovat, protože vykazují škodlivé účinky na lidské zdraví. Mnoho z nich má prokázané karcinogenní, mutagenní i teratogenní účinky. Některé organické látky mají narkotické účinky a poškozují centrální nervovou soustavu. Jednou z metod často používaných k odstraňování par organických látek z odpadních plynů je adsorpce. Účinnost a provozní náklady konkrétního adsorpčního zařízení závisejí mimo jiné také na typu použitého adsorbentu. V poslední době bylo vyvinuto a zavedeno do průmyslové výroby několik typů nových adsorbentů, které dle tvrzení jejich výrobců mají svými užitnými vlastnostmi předčit tradiční adsorbenty na bázi aktivního uhlí, silikagelu nebo zeolitických molekulových sít. Cílem této semestrální práce bylo provést porovnání několika nových adsorbentů s tradičními adsorpčními materiály při adsopci par organických látek a adsorpci vodní páry za srovnatelných podmínek. 2

2 Teoretická část 2.1 Metody odstraňování organických látek z odpadního vzduchu Jedním ze způsobů odstraňování par organických látek z pracovního i venkovního ovzduší je jejich adsorpce na pevných adsorbentech. Nejvíce používány jsou průmyslově vyráběné uhlíkaté adsorbenty, ale jejich vysoká cena a použitelnost nás vede k hledání nových adsorpčních materiálů. Využívají se také zeolity, které vykazují vysoké adsorpční schopnosti pro organické látky s malými molekulovými hmotnostmi. V současné době se objevují nové adsorbenty na bázi gumy a grafitu. 2.2 Adsorpce Adsorpce je separační proces, při kterém dochází ke hromadění plynné nebo kapalné látky na povrchu pevné látky účinkem mezipovrchových přitažlivých sil. Adsorpcí lze z plynů a par odstraňovat některé látky v nich přítomné. Základní pojmy Adsorbent pevná látka, která je schopna na svůj povrch vázat molekuly či atomy jiné látky Adsorptiv - látka v tekuté nebo plynné fázi, která se může adsorbovat na povrchu adsorbentu Adsorpt molekula, která je navázána na povrchu adsorbentu Adsorbát společný komplex adsorptu a adsorbentu Definice základních pojmů vysvětlena na Obr. 1 3

adsorptiv adsorbent adsorbát adsorpt Obr. 1. Definice základních pojmů. Při adsorpci látek na povrchu adsorbentu rozlišujeme fyzikální a chemickou adsorpci, tzv. chemisorpci. Při fyzikální adsorpci jsou molekuly adsorptu vázány poměrně slabými mezimolekulárními van der Waalsovými silami. Při chemisorpci dochází mezi adsorbovanými molekulami a adsorbentem k chemické vazbě. Vytvoří se pouze jedna vrstva adsorbovaných molekul na aktivních centrech. Bývá pomalejší než fyzikální adsorpce, ale její rychlost s rostoucí teplotou roste. Průběh adsorpce je charakterizován adsorpční rovnováhou, která určuje maximální množství látky, které je za daných podmínek možné adsorbovat a rychlostí adsorpce, která určuje rychlost tohoto děje. Na sílu vazby má velký vliv velikost pórů, protože k adsorpci dochází právě na povrchu porézního systému [1]. Póry rozdělujeme podle jejich velikostí: mikropóry s průměrem menším než 2 nm mezopóry s průměrem 2 až 50 nm makropóry s průměrem větším než 50 nm 4

2.2.1 Adsorpční rovnováha Adsorpční rovnováha je popsána funkční závislostí vyjadřující množství adsorptu zachycené na adsorbentu jednotkové hmotnosti v závislosti na koncentraci daného adsorptivu v okolí adsorbentu, tedy adsorpčními izotermami nebo izobarami. Nejpoužívanějšími adsorpčními izotermami jsou Freundlichova, Langmuirova, Dubininova a BET. Freundlichova adsorpční izoterma Freundlichova adsorpční izoterma předpokládá adsorpci ve více vrstvách a v logaritmickém tvaru představuje přímkovou závislost [2]. X = K F. p m (1) X p K F m skutečně adsorbované množství adsorptu [mmol/g] tlak v plynné fázi [Pa] Freundlichova konstanta exponent Langmuirova adsorpční izoterma Předpokládá adsorpci pouze v monovrstvě. Všechna adsorpční centra jsou si energeticky rovna a každé adsorpční centrum může být obsazeno pouze jednou molekulou. Adsorbované molekuly se navzájem neovlivňují [2]. X m K L = s X m, mono (2). 1+ K p p p. p L s X m skutečně množství adsorptu vztažené na jednotkovou hmotnost adsorbenty [mmol/g] X m,mono množství, které odpovídá monomolekulárnímu pokrytí celého povrchu [mmol/g] p tlak par adsorptivu [Pa] p s K l tlak sytých par adsorptivu [Pa] konstanta Langmuirovy teorie 5

Dubininova adsorpční izoterma Umožňuje odhad průběhu adsorpčních izoterem libovolných látek v podkritické oblasti ze znalosti průběhu adsorpční izotermy jedné látky. Vystihuje také teplotní závislost adsorpce. Z adsorpční izotermy konkrétní látky je možné vypočíst průběh adsorpčních izoterem této látky na stejném adsorbentu pro jiné teploty v podkritické oblasti. Takto vypočtené hodnoty se poměrně dobře shodují s experimentálním měřením [2]. W a = V T 0 n T p0 exp B log β p n (3) a adsorbované množství látky [kmol/kg] W o limitní objem adsorpčního prostoru [m 3 /kg] V t molární objem adsorptu [m 3 /kmol] B konstanta specifická pro adsorbent [K -n ] β afinitní koeficient p o tenze sytých par adsorptivu za dané teploty [Pa] p tlak par adsorptivu [Pa] T teplota adsorpce [K] BET teorie Předpokládá adsorpci ve více vrstvách. Pro adsorpci v první vrstvě platí stejné podmínky jako u Langmuirovy teorie. Molekuly adsorbované v dalších vrstvách mají vlastnosti kapaliny [2]. x C V V m V V Cx = 1 (4) ( x)( 1 x Cx) m + relativní tlak konstanta související s adsorpčním teplem množství adsorptu [mmol/g] množství adsorptu potřebné pro vytvoření monomolekulární vrstvy [mmol/g] 6

2.3 Desorpce Desorpce je opačný proces než adsorpce. Dochází k uvolnění adsorbovaných molekul z povrchu pevné látky (adsorbentu) zpět do mobilní fáze. Desorpce se dosahuje: zvýšením teploty adsorbentu zmenšením koncentrace (snížením parc. tlaku) adsorptivu v okolním prostředí proplachováním proudem neutrálního plynu 2.4 Adsorpční materiály 2.4.1 Vlastnosti adsorpčních materiálů Specifickým povrchem se rozumí celkový povrch pórů nacházejících se uvnitř adsorpčního materiálu. Vnitřním povrchem adsorbentů se rozumí celkový povrch kanálků, které se nacházejí uvnitř adsorpčního materiálu. Objem adsorpčních pórů je objem, který se zaplní adsorptem při úplném nasycení až do rovnovážného stavu. Polarita adsorpčního materiálu vyjadřuje schopnost poutat polární či nepolární látky. Polární adsorbenty adsorbují polární látky a nepolární adsorbenty jsou vhodné pro nepolární látky. Sypná hmotnost je hmotnost adsorpčního materiálu naplněného v nádobě o jednotkovém objemu, včetně nevyplněného prostoru mezi zrny. Zdánlivá hustota vyjadřuje hmotnost jednotkového objemu adsorbentu, kdy je objem vztažen k adsorpčnímu materiálu, včetně objemu pórů, avšak bez objemu volného prostoru mezi jednotlivými zrny adsorbentu. Skutečná hustota je hmotnost pouze adsorpčního materiálu bez objemu pórů. 7

2.4.2 Druhy adsorpčních materiálů 2.4.2.1 Uhlíkaté adsorpční materiály Mezi hlavní druhy uhlíkatých adsorbentů patří aktivní koks, aktivní uhlí a uhlíkatá molekulová síta. Všechny tyto materiály mají stejný vzhled, ale liší se svými fyzikálními vlastnostmi, např. velikostí vnitřního povrchu a svými adsorpčními schopnostmi. Aktivní koks je adsorpční materiál s méně rozvinutým adsorpčním povrchem, který se nejčastěji vyrábí z hnědého a černého uhlí. Při výrobě se většinou neprovádí jeho aktivace a adsorpční povrch se vytváří jen v procesu karbonizace suroviny. Má vysokou mechanickou pevnost, proto je možné ho opakovaně použít [1]. Aktivní uhlí se vyrábí v několika formách, např. práškové, kusové, extrudované nebo impregnované. V oblasti čištění plynu se používá především kusové nebo formované aktivní uhlí. Vnitřní povrch aktivního uhlí je větší, než u aktivního koksu [1]. Uhlíkatá molekulová síta se označují sorbety s převládající jednotkovou velikostí vstupních otvorů do porézního systému. Adsorpční povrch těchto materiálů se pohybuje ve stovkách m 2 na jeden gram materiálu [1]. Základní vlastnosti nejběžnějších druhů uhlíkatých adsorbentů uvádí tabulka 1. Tabulka 1 Základní vlastnosti uhlíkatých adsorbentů Uhlíkatý adsorpční materiál Vnitřní povrch (m 2 /g) Sypná hmotnost (g/dm 3 ) Zdánlivá hustota (g/dm 3 ) Skutečná hustota (g/dm 3 ) Objem ads. pórů (cm 3 /g) Aktivní koks 50-400 450-600 800-1000 2000-2400 do 0,15 Aktivní uhlí 400-1500 350-500 600-800 2000-2400 0,2-0,8 Molekulové síto 400-600 600-890 975-1200 2100-2500 0,2-0,4 Uhlíková vlákna a tkaniny 1000-1400 150-300 500-900 2000 0,4-1,0 8

2.4.2.2 Silikagel Silikagel je granulovitá, pórovitá forma SiO 2 vyráběná synteticky z křemičitanu sodného. Má vysokou porozitu, vnitřní povrch kolem 800 m 2 /g, což umožňuje adsorbovat vodu a další polární látky. Po nasycení vodou může být regenerován ohřátím na 150 C. Silikagel je netoxický, nehořlavý a chemicky vysoce odolný. 2.4.2.3 Zeolity Zeolity nacházejí stále nové možnosti využití v ochraně životního prostředí. Mají schopnost selektivně adsorbovat molekuly plynů a par, vratně adsorbovat a desorbovat vodu a vyměňovat vlastní kationty za kationty z roztoku na základě iontové selektivity. Ve struktuře zeolitu může být zachycena pouze taková molekula, jejíž průměr je menší než průměr kanálků. Adsorpčních vlastností zeolitů se využívá například k pohlcování nepříjemných zápachů v pracovním prostředí, protože jsou schopné dobře adsorbovat různé polární látky, jako je např. amoniak a sulfan. Zeolity jsou přírodní nebo uměle vyrobené krystalické látky na bázi hydratovaných hlinitokřemičitanů, jejichž mimořádné vlastnosti jsou dány specifickou krystalickou stavbou. Základní stavební jednotkou je tetraedr [SiO 4 ] spolu s tetraedrem [AlO 4 ]. Tetraedr [AlO 4 ] nese záporný náboj, který je vyrovnáván kationty alkalických kovů a kovů alkalických zemin, převážně Li +, Na +, K +, Ca 2+ a Sr 2+ [3]. Chemické složení zeolitů je možné popsat sumárním vzorcem: Me z+ (m/z)[al m. Si n. O 2(n+m) ]. q H 2 O 2.4.2.4 Granulovaná pryž Granulovaná pryž má velkou přilnavost, ošetřený povrch není kluzký, nepráší. Znečišťující látky zůstanou pevně vázány, čistá voda je propouštěna. Po použití stačí materiál sebrat a uložit jej do původního obalu. Dodává se v podobě plovoucích polštářů, koberců a norných stěn. Po nasycení se materiál likviduje spalováním ve vysokých pecích, cementárnách nebo k tomu určených spalovnách. Granulovaná pryž se připravuje mletím 9

pryže v mlýnech s rýhovanými válci, vzniká jemná nešpinící netoxická drť, která plave na vodě a má velkou adsorpční schopnost. Pryžová drť vzniklá z recyklace pneumatik je vhodná k sorpci benzínu, nafty, olejů, methanolu, ethanolu, butylalkoholů, parafínů, pyridinu, ftalátů. Někdy bývá ve směsi se struskovým pískem [4]. 2.4.2.5 Adsorbent na bázi grafitu Vysoce účinný sorbent s hydrofobním povrchem tmavě šedé až černé barvy, s vysokou tepelnou a zvukovou izolační schopností, vysokou tepelnou odolností a nízkou objemovou hmotností. Tyto adsorbenty mají obsah uhlíku 90 99 % hm. Jsou schopny sorbovat petrochemické a ropné látky nerozpustné ve vodě, ale i látky těžší než voda. Účinně sorbují i jiné toxické látky, kyseliny, alkoholy, dále těžké kovy, škodlivé plyny, oleje. Většinu sorbovaných látek je možné působením tlaku nebo odstředivé síly získat ve stavu vhodném pro další použití [5]. 10

3 Cíle práce na průtočné laboratorní aparatuře proměřit adsorpční izotermy par toluenu a vody na souboru adsorpčních materiálů obsahujícím nové typy adsorbentů na bázi gumy a grafitu a dále klasické adsorbenty na bázi aktivního uhlí, silikagelu a zeolitických adsorbentů na základě získaných výsledků posoudit vhodnost použití nových typů adsorbentů k odstraňování par org. látek z odpadního vzduchu 11

4 Experimentální část Cílem semestrálního projektu bylo porovnat adsorpční vlastnosti různých typů adsorbentů. pomocí adsorpčních izoterem pro vybranou organickou látku a vodní páru. K práci bylo použito celkem deset různých druhů komerčně dostupných adsorpčních materiálů. 4.1 Použité adsorbenty K testování byly použity následující druhy komerčně dostupných adsorpčních materiálů: Polycomp adsorbent na bázi gumy, vyráběný firmou PolyComp. Vyřazené pneumatiky se zpracovávají termolýzou při teplotě 650 C bez přístupu vzduchu, čímž vzniká výhřevný energetický plyn a pevný zbytek. Dodáván ve formě pryžové drtě. Obr. 3. Polycomp Sorbeum adsorbent na bázi grafitu s vysokou tepelnou odolností. Adsorbent s hydrofobním povrchem ve tvaru vloček. 12

Obr. 4. Sorbeum Silcarbon (SC) 40 uhlíkatý adsorpční materiál (aktivní uhlí), dodávaný ve formě lisovaných válečků o průměru 4 mm firmou Silcarbon. Obr. 5. Silcarbon (SC) 40 Envisorb B+ - kombinovaný adsorbent složený z aktivního uhlí a silikagelu. Je určen pro adsorpci polárních a nepolárních látek. Je dodáván ve formě kuliček o průměru 4 mm firmou Engelhard Process Chemicals GmbH. 13

Obr. 6. Envisorb B+ Trockenperlen H adsorbent na bázi silikagelu. Je dodáván ve formě kuliček o průměru 3 mm firmou Engelhard Process Chemicals GmbH. Obr. 7. Trockenperlen H Klinoptilolit přírodní zeolit pocházející z ložiska Nižný Hrabovec na Slovensku. Obr. 8. Klinoptilolit 14

Chezacarb B 6 vysocevodivé saze vyráběné ve tvaru nepravidelných granulí o velikosti 0,5 2,5 mm firmou Chemopetrol. Jsou produktem zplyňovacího procesu těžkých ropných zbytků parciální oxidací při teplotách nad 1200 C. Obr. 9. Chezacarb B-6 Molekulové síto 5 A syntetický zeolit, dodávaný ve formě válečků o rozměrech 2x4mm firmou PROCATALYSE Usine de Salindres ve Francii. Obr. 10. Molekulové síto 5A Hefite uhlíkatý adsorpční materiál na bázi aktivního uhlí prodávaný v ČR firmou DK Group a.s. Jihlava. 15

Obr. 11. Hefite SGW H adsorbent na bázi silikagelu dodávaný firmou Silcarbon. Obr. 12. Silcarbon SGW-H 4.2 Použité adsorptivy Pro měření byly jako adsorptivy použity voda a toluen. Toluen je čirá bezbarvá kapalina s aromatickým zápachem, patří mezi těkavé organické látky (VOC). Teplota varu je 111 C a teplota tání činí -93 C. Slouží jako rozpouštědlo v barvách, nátěrech, při tiskařských pracích, barvení kůže a k výrobě benzenu a dalších chemikáliíí. Jako těkavá organická látka se spoluúčastní vzniku fotochemického smogu. 4.3 Měření adsorpčních izoterem Adsorpční izotermy byly měřeny průtočnou gravimetrickou metodou. Tato metoda umožňuje testování až 10 paralelně zapojených vzorků adsorbentů současně, za naprosto 16

stejných podmínek. Přírustky hmotnosti adsorptu byly zjišťovány v pravidelných dvouhodinových intervalech vážením. Měření bylo prováděno až do ustanovení rovnováhy. Poté byl odečten celkový hmotnostní přírůstek adsorptu a cyklus byl opakován při dalším parciálním tlaku adsorptivu. Meření bylo prováděno při teplotě 20 C a při relativním tlaku adsorptivu 0,005; 0,01; 0,05; 0,1; 0,5; 0,9. Konstantní teplota byla v aparatuře udržována pomocí vodního chladiče. Vzduch, čerpaný čerpadlem do aparatury, byl nejprve zbaven vzdušné vlhkosti kondenzací ve vymražovací trubici, která byla ponořena do roztoku ethanolu s přídavkem methanolu a byla chlazena suchým ledem. Druhým stupněm sušení byla adsorpce vodní páry na silikagelu a třetím stupněm bylo dosušování adsorpcí na molekulovém sítu 5A. Vysušený vzduch byl poté rozdělen do dvou proudů. První proud byl veden do dvou sériově zapojených probublávacích lahví s fritou, v nichž byl zcela nasycen párami adsorptivu. Druhý proud vzduchu byl použit pro ředění prvního proudu a ve směšovací lahvi došlo ke smísení obou proudů. Tím bylo dosaženo potřebného parciálního tlaku par organické látky ve vzduchu. Regulace průtoků jednotlivých proudů byla prováděna pomocí jehlových ventilů. Ze směšovací lahve byla směs vedena do deseti adsorbérů. Hmotnost adsorbované organické látky byla zjišťována po dvou hodinách vážením adsorbérů na analytických vahách. Měření probíhalo až do té doby, dokud nebyla ustanovena rovnováha hmotnosti ve všech deseti adsorbérech. Silikagel byl regenerován každý týden a molekulové síto 5A bylo regenerováno každý den při teplotách 220 C. Vymražovací trubice byla vyměňována každé dvě hodiny. 17

Obr. 2. Aparatura pro měření adsorpčních izoterem průtočnou metodou. Legenda: 1 vzduchové membránové čerpadlo, 2 láhev pro vyrovnání pulsů, 3 regulační ventil, 4 kondenzační sušení, 5 sušení na silikagelu, 6 sušení na molekulovém sítu, 7 jehlový ventil, 8 kapilární průtokoměr, 9 sycení parou organické látky v probublávacích lahvích s fritou, 10 směšovací lahev, 11 adsorbéry se vzorky, 12 odvod nezachycených par do digestoře, 13 chladič, 14 vstup chladící vody, 15 výstup chladící vody, 16 teploměr, 17 infralampa, 18 relé, 19 ventilátor, 20 kontrolní teploměr, 21 termostatovaná skříň Fotografie aparatury, ve které bylo měření prováděno je v příloze 1. 5 Výsledky a diskuze 5.1 Výsledky měření 5.1.1 Adsorpce toluenu Množství naadsorbované látky v hmotnostních procentech bylo vypočítáno dle vztahu: m A m 3 m 2 =.100 (5) m m 2 1 18

m A m 1 m 2 m 3 hmotnost naadsorbované látky na jeden gram adsorbenty [g] hmotnost prázdného adsorbéru [g] hmotnost adsorbéru s adsorbentem [g] hmotnost adsorbéru s nasyceným adsorbentem [g] Tabulka 2 Hmotnosti adsorbérů před nasycením (g) Hmotnost Hmotnost Hmotnost Číslo vzorku Označení vzorku prázdného adsorbéru s suchého adsorbéru adsorbentem adsorbentu 1 Polycomp 36,5571 39,3130 2,7559 2 Sorbeum 38,2524 38,4629 0,2105 3 Silcarbon (SC) 40 37,0254 40,4840 3,4586 4 Envisorb B+ 36,8968 40,9626 4,0658 5 Trockenperlen H 38,9658 44,5584 5,5926 6 Klinoptilolit 35,5813 44,8406 9,2593 7 Chezacarb B - 6 38,0785 39,7641 1,6856 8 Molekulové síto 5A 37,3231 42,2515 4,9284 9 Hefite 36,5650 40,4273 3,8623 10 SGW H 34,7876 41,3119 6,5243 19

Tabulka 3 Relativní tlak toluenu Polycomp Sorbeum Silcarbon (SC) 40 Envisorb B+ Trockenperlen H Klinoptilolit Chezacarb B - 6 Molekulové síto 5A Hefite SGW H Tabulka 4 Relativní tlak toluenu Polycomp Hmotnosti adsorbérů po nasycení do rovnovážného stavu (g) 0,005 0,01 0,05 0,1 0,5 0,9 39,3019 39,3048 39,3310 39,3542 39,5776 40,0016 38,4516 38,4529 38,4620 38,4565 38,4583 38,4628 41,3312 41,4500 41,7165 41,8076 41,9233 41,9804 41,1684 41,2356 41,4674 41,5564 42,3307 43,3022 44,8696 45,0244 45,5439 45,7805 46,6598 46,7792 44,8714 44,9727 45,2392 45,2392 45,0747 45,2413 40,0038 40,0494 40,1674 40,2373 40,5322 40,9835 42,2731 42,4499 42,5949 42,5949 42,4847 42,5496 41,3617 41,4727 41,6797 41,7341 41,815 41,8688 41,7085 41,8229 42,4793 42,7174 43,4623 43,5606 Adsorbovaná množství toluenu (hm.%) 0,005 0,01 0,05 0,1 0,5 0,9 0,00 0,11 1,06 1,91 10,04 25,49 Sorbeum Silcarbon (SC) 40 Envisorb B+ Trockenperlen H Klinoptilolit Chezacarb B - 6 Molekulové síto 5A Hefite SGW H 0,00 0,65 1,20 2,46 3,36 5,62 24,50 27,93 35,64 38,27 41,62 43,27 5,06 6,71 12,42 14,60 33,65 57,54 5,56 8,33 17,62 21,85 37,57 39,71 0,33 1,43 4,30 4,30 2,53 4,33 14,22 16,93 23,93 28,07 45,57 72,34 0,44 4,03 6,97 6,97 4,73 6,05 24,19 27,07 32,43 33,83 35,93 37,32 6,08 7,83 17,89 21,54 32,96 34,47 20

5.1.2 Adsorpce vody Adsorpce probíhala za stejných podmínek jako adsorpce toluenu. Množství adsorbované látky (v hm.%) bylo opět vypočteno dle vztahu (5). Tabulka 5 Hmotnosti adsorbérů před nasycením (g) Číslo vzorku Označení vzorku Hmotnost prázdného adsorbéru Hmotnost adsorbéru s adsorbentem Hmotnost suchého adsorbentu 1 Polycomp 36,5898 39,5007 2,9309 2 Sorbeum 3 Silcarbon (SC) 40 4 Envisorb B+ 5 Trockenperlen H 6 Klinoptilolit 7 Chezacarb B - 6 8 Molekulové síto 5A 9 Hefite 10 SGW H 35,9055 36,1433 0,2478 36,9685 41,9788 5,0103 36,9191 42,3335 5,4144 35,5523 44,2999 8,7476 39,0238 48,2059 9,1821 38,0274 40,2731 2,2457 37,3472 42,9667 5,6195 36,5658 41,4933 4,9275 34,8143 43,032 8,2177 21

Tabulka 6 Relativní vlhkost (%) Polycomp Hmotnosti adsorbéru po nasycení do rovnovážného stavu (g) 10 30 50 70 39,5052 39,5068 39,5161 39,5307 Sorbeum Silcarbon (SC) 40 Envisorb B+ Trockenperlen H Klinoptilolit Chezacarb B - 6 Molekulové síto 5A Hefite SGW H 36,1433 36,1433 36,1434 36,1493 41,9788 42,0122 42,2746 43,3915 42,4704 42,6664 43,011 43,7971 44,7652 45,5036 46,7728 48,2305 48,6782 48,7952 48,8708 48,9673 40,2735 40,3018 40,3919 40,6227 43,6168 43,7049 43,7569 43,8085 41,4986 41,5315 41,8318 42,81 43,5362 44,2398 45,1555 46,2368 22

Tabulka 7 Adsorbovaná množství vody (hm.%). Relativní vlhkost (%) 10 30 50 70 Polycomp 0,1546 0,2096 0,5290 1,0306 Sorbeum Silcarbon (SC) 40 Envisorb B+ Trockenperlen H Klinoptilolit Chezacarb B - 6 Molekulové síto 5A Hefite SGW H 0,0000 0,0000 0,0421 2,5231 0,0000 0,6666 5,9038 28,1959 2,5284 6,1484 12,5129 27,0316 5,3192 13,7603 28,2695 44,9335 5,1437 6,4179 7,2413 8,2922 0,0178 1,2780 5,2901 15,5675 11,5686 13,1364 14,0617 14,9800 0,1076 0,7752 6,8696 26,7215 6,1355 14,6975 25,8406 38,9987 5.2 Diskuze výsledků 5.2.1 Adsorpce toluenu Z následujícího Obr. 3 vyplývá, že pro adsorpci toluenu je nejlépe vhodný Chezacarb B 6, který je schopen sorbovat 72,34 hm.%. Adsorbenty Silcarbon (SC) 40, Trockenperlen H, Hefite, SGW H vykazují menší, podobné adsorpční vlastnosti. S vyjímkou Klinoptilolitu a molekulového síta 5A, jejichž adsorpční kapacity jsou velmi malé. Při nízkých koncentracích nejlépe sorbuje adsorbent Sorbeum, který sorboval 25,49 hm%. Pro vysoké kontrace se ukázal nejvhodnější Chezacarb B-6, jehož sorpční kapacita při vyšších koncentracích rychle vzrůstá. Zatím co při relativním tlaku 0,5 Pa adsorbuje 45,57 hm.%, při tlaku 0,9 Pa se adsorpční kapacita zvýšila na 72,34 hm.%. Podobné vlastnosti vykazoval Envisorb B+. jeho adsorpční kapacita byla při tlaku 0,4 Pa téměř 15 hm.% a při tlaku 0,6 Pa dosahovala 57,54 hm.%. 23

Adsorpční izotermy pro toluen Adsorbovaná množství toluenu (hm.%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 0,5 1 Relativní tlak (Pa) Polycomp Sorbeum Silcarbon (SC) 40 Envisorb B+ Trockenperlen H Klinoptilolit Chezacarb B-6 Molekulové síto 5A Hefite SGW-H Obr. 3. Adsorpční izotermy pro toluen. 5.2.2 Adsorpce vody Při měření adsorpce vody lze z Obr. 4 pozorovat nejlepší sorpční kapacitu u adsorbentu Trockenperlen H, který adsorboval 44,93 hm.% a u silikagelu Silcarbon SGW-H, jehož sorpční kapacita byla téměř 39 hm.%. Naopak jako nejméně vhodné pro adsorpci vody se ukázaly adsorbenty Guma a Sorbeum, jejichž adsorpční kapacity byly velmi nízké. Adsorbenty Klinoptilolit a molekulová síta 5A se zvýšily o málo hm.%, ale jejich nárůst byl lineární. Adsorpční izotermy pro vodu Adsorbovaná množství vody (hm.%) 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 Relativní vlhkost (%) Polycomp Sorbeum Silcarbon (SC) 40 Envisorb B+ Trockenperlen H Klinoptilolit Chezacarb B-6 Molekulové síto 5A Hefite SGW-H Obr. 4. Adsorpční izotermy pro vodu. 24

6 Závěr Při testování adsorpčních materiálů byly zjištěny adsorpční izotermy pro adsorpci vody a toluenu. Pro adsorpci toluenu se jako nejvhodnější ukázal adsorbent Chezacarb B-6, jehož adsorpční kapacita byla 72,34 hm.%. Nový komerčně dostupný adsorbent na bázi gumy Polycomp se ukázal jako částečně vhodný pro adsorpci toluenu při vyšších koncenracích. Jeho adsorpční kapacita byla 25,49 hm.%. Naproti tomu grafitový adsorbent Sorbeum je pro adsorpci toluenu zcela nevhodný. Pro měření adsorpce vody byly nejvhodnější adsorbenty Trockenperlen H, jehož sorpční kapacita byla 44,93 hm.% a Silcarbon SGW-H, který sorboval téměř 39 hm.%. Adsorbenty Polycomp a Sorbeum se ukázaly jako zcela nevhodné pro adsopci vody. Při relativní vlhkosti do 50% nejlépe sorbovaly Trockenperlen H a Silcarbon SGW-H. naopak při vyšší vlhkosti nejlépe sorboval adsorbent Hefite, který při relativní vlhkosti 50% adsorboval 6,87 hm.%, při relativní vlhkosti 70% byla jeho sorpční kapacita 26,72 hm.%. Vysoký nárůst vykazoval i uhlíkatý adsorbent Silcarbon (SC) 40, který měl při relativní vlhkosti 50 % sorpční kapacitu 5,9 hm.%, při relativní vlhkosti 70 % byla jeho adsorpce 28,2 hm.%. Grafitový adsorbent Sorbeum zvyšoval adsorpční kapacitu při vyšších koncentracích. 25

Seznam použité literatury 1. Ciahotný K.; Vlastnosti, výroba a použití uhlíkatých adsorbentů, Vydavatelství VŠCHT, 2005 2. Přednášky TU I 3. Jurová E.; Odstraňování par těkavých organických látek z ovzduší adsorpčním způsobem, diplomová práce, VŠCHT Praha, 2005 4. Kobera L.; Kompozitní materiály z pryžové drtě, diplomová práce, VŠCHT Praha, 2007 5. internetové stránky: http://www.fonhit.sk/sorbeum.html 26

Seznam symbolu X skutečně adsorbované množství adsorptu [mmol/g] p tlak v plynné fázi [Pa] K F m X m Freundlichova konstanta exponent skutečně množství adsorptu vztažené na jednotkovou hmotnost adsorbenty [mmol/g] X m,mono množství, které odpovídá monomolekulárnímu pokrytí celého povrchu [mmol/g] p s K l a W o V t tlak sytých par adsorptivu [Pa] konstanta Langmuirovy teorie adsorbované množství látky [kmol/kg] limitní objem adsorpčního prostoru [m 3 /kg] molární objem adsorptu [m 3 /kmol] B konstanta specifická pro adsorbent [K -n ] β afinitní koeficient p o T x C V V m tenze sytých par adsorptivu za dané teploty [Pa] teplota adsorpce [K] relativní tlak konstanta související s adsorpčním teplem množství adsorptu [mmol/g] množství adsorptu potřebné pro vytvoření monomolekulární vrstvy [mmol/g] 27

Seznam obrázku Obr. 1. Definice základních pojmů. Obr. 2. Aparatura pro měření adsorpčních izoterem průtočnou metodou. Obr. 3. Polycomp Obr. 4. Sorbeum Obr. 5. Silcarbon (SC) 40 Obr. 6. Envisorb B+ Obr. 7. Trockenperlen H Obr. 8. Klinoptilolit Obr. 9. Chezacarb B-6 Obr. 10. Molekulová síta 5A Obr. 11. Hefite Obr. 12. SGW-H Obr. 13. Adsorpční izoterma pro toluen Obr. 14. Adsorpční izoterma pro vodu 28

Seznam tabulek Tab. 1. Základní vlastnosti uhlíkatých adsorbentů Tab. 2. Hmotnosti adsorbérů před nasycením (g) Tab. 3. Hmotnosti adsorbérů po nasycení do rovnovážného stavu Tab. 4. Adsorbovaná množství toluenu Tab. 5. Hmotnosti adsorbérů před nasycením Tab. 6. Hmotnosti adsorbérů po nasycení do rovnovážného stavu Tab. 7. Adsorbovaná množství vody 29

Příloha 1 Fotografie aparatury 30