ПОЛУЧЕНИЕ СОРБЦИОННО-АКТИВНЫХ БЛОЧНЫХ УГЛЕРОДНЫХ ИЗДЕЛИЙ  С ПОМОЩЬЮ 3D ПЕЧАТИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

В. В. Самонин; С. П. Хохлачев; М. М. Сычев; Е. А. Спиридонова; М. Л. Подвязников; А. С. Долгин

doi:10.6060/rcj.2025692.11

В. В. Самонин Санкт-Петербургский государственный технологический институт
С. П. Хохлачев Санкт-Петербургский государственный технологический институт
М. М. Сычев Санкт-Петербургский государственный технологический институт, филиал НИЦ «Курчатовский институт»-ПИЯФ-Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова
Е. А. Спиридонова Санкт-Петербургский государственный технологический институт
М. Л. Подвязников Санкт-Петербургский государственный технологический институт
А. С. Долгин филиал НИЦ «Курчатовский институт»-ПИЯФ-Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова

DOI: https://doi.org/10.6060/rcj.2025692.11

Ключевые слова: активированный уголь, термореактивная смола, блочный адсорбент, 3D печать, динамика адсорбции

Аннотация

Традиционно активированные угли используются в виде насыпной шихты. Насыпная шихта имеет ряд недостатков, ключевыми из которых являются истирание гранул и высокое гидравлическое сопротивление. Альтернативой является использование сорбционно-активных материалов в виде блочных изделий. Классической технологией формообразования сорбционно-активных материалов является экструзия. Методом экструзии возможно получение как гранулированных, так и блочных изделий. Однако данная технология сложна и ограничена в возможностях создания различных геометрических форм изделий. В данной работе предложена новая технология получения блочных углеродных изделий из термореактивных смол с применением 3D печати. Технология заключается в 3D печати литьевой формы заданной геометрии из термопластичного полимера с температурой плавления меньшей температуры поликонденсации термореактивной смолы, заполнении формы термореактивной смолой, ее поликонденсации в литьевой форме с дальнейшими процессами карбонизации и парогазовой активации. По предложенной технологии получены изделия высотой от 2,6 см до 8,6 см с прямыми каналами круглого сечения. Показано, что прочность изделий на сжатие в осевом направлении не зависит от высоты изделия и составляет 2,5 МПа. Гидравлическое сопротивление блочных изделий на порядок меньше, чем для насыпной шихты, при этом слабо зависит от высоты блочного изделия. Исследование динамики адсорбции паров бензола на блочных углеродных из делиях в условиях характерных для испытания средств индивидуальной защиты органов дыхания показало, что моментального проскока адсорбтива не происходит, а показатели работы сравнимы с насыпной шихтой промышленно-выпускаемого активированного угля марки АГ-3.

Для цитирования:

Самонин В.В., Хохлачев С.П., Сычев М.М., Спиридонова Е.А., Подвязников М.Л., Долгин А.С. Получение сорбционно-активных блочных углеродных изделий с помощью 3D печати и исследование их основных характеристик. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва). 2025. Т. LXIX. № 2. С. 91-99. DOI: 10.6060/rcj.2025692.11.

Литература

Гурьянов В.В., Мухин В.М., Курилкин А.А. Разработка беззольных высокопрочных сферических углеродных носителей катализаторов. Катализ в промышленности. 2012. № 2. С. 41–48.

Соловей В.Н., Спиридонова Е.А., Самонин В.В., Хрылова Е.Д., Подвязников М.Л. Получение гранулированного углеродного сорбента сферической формы. Журнал прикладной химии. 2016. Т. 89. № 7. C. 908–915.

Сафин Р.Г., Сотников В.Г., Степанова Т.О. Исследование влияния связующих на адсорбционные параметры активированных углей, полученных из растительных отходов агропромышленного комплекса. Российский химический журнал. 2024. Т. LXVIII. № 2. С. 38-44. DOI: 10.6060/RCJ.2024682.5.

Самонин В.В., Подвязников М.Л., Спиридонова Е.А. Сорбционные технологии защиты человека, техники и окружающей среды. СПб.: Наука. 2021. 531 с.

Parsa M., Qi Y., Di Nuzzo J.J., Moussakhani Y., Tirto A., Chaffee A.L. Regenerable carbon honeycomb monoliths directly prepared from brown coal: A novel carbon product. Chemical Engineering Journal. 2023. V. 471. DOI: 10.1016/j.cej.2023.144699.

Бакланова О.Н., Плаксин Г.В., Дуплякин В.К. Блочные углеродные изделия сотовой структуры: особенности технологии получения, области применения. Российский химический журнал. 2007. Т. 51. № 4. С. 119–126.

Yates M., Blanco J., Avila P., Martin M.P. Honeycomb monoliths of activated carbons for effluent gas purification. Microporous and Mesoporous materials. 2000. V. 37. N 1–2. P. 201–208. DOI: 10.1016/S1387-1811(99)00266-8.

Gadkaree K.P. Carbon honeycomb structures for adsorption applications. Carbon. 1998. V. 36. N 7–8. P. 981–989. DOI: 10.1016/S0008-6223(97)00230-3.

Vergunst T., Linders M.J.G., Kapteijn F., Moulijn J.A. Carbon-based monolithic structures. Catalysis Reviews. 2001. V. 43. N 3. P. 291-314. DOI: 10.1081/CR-100107479.

Lawson S., Li X., Thakkar H., Ronaghi A. A., Rezaei F. Recent advances in 3D printing of structured materials for adsorption and catalysis applications. Chem. Rev. 2022. V. 121. P. 6246-6291. DOI: 10.1021/acs.chemrev.1c00060.

Yu J., Zhu J., Chen L., Chao Ya., Zhu W., Liu Z. A review of adsorption materials and their application of 3D printing technology in the separation process. Chemical Engineering Journal. 2023. V. 475. P. 146247. DOI: 10.1016/j.cej.2023.146247.

Middelkoop V., Coenen K., Schalck J., Van Sint Annaland M., Gallucci F. 3D printed versus spherical adsorbents for gas sweetening. Chemical Engineering Journal. 2019. V. 357. P. 309-319. DOI: 10.1016/j.cej.2018.09.130.

Llamas-Unzueta R., Menéndez J.A., Suárez M., Fernández A., Montes-Morán M.A. From whey robocasting to custom 3D porous carbons. Additive Manufacturing. 2022. V. 59. P. 103083. DOI: 10.1016/j.addma.2022.103083.

Абрамов А.А., Окишева М.К., Цыганков П.Ю., Меньшутина Н.В. Разработка «чернил» для реализации экструзионных методов 3D-печати вязкими материалами. Российский химический журнал. 2023. Т. LXVII. № 2. С. 74-82. DOI: 10.6060/RCJ.2022672.9.

Steldinger H., Esposito A., Brunnengräber K., Gläsel J., Etzold B.J.M. Activated carbon in the third dimension—3D printing of a tuned porous carbon. Advanced Science. 2019. V. 6. N 19. P. 901340. DOI: 10.1002/advs.201901340.

Stuart S., John C., Jonathan B., Andrew B., Martin S., Steven T., Semali P. Tailoring 3D Printed Micro-Structured Carbons for Adsorption. Advanced Functional Materials. 2023. V. 33. N 31. P. 2213715. DOI: 10.1002/adfm.202213715.

Chen Q., Chen Z., Wang Ya., Tian E., Mo J. Hierarchical diffusion pathways into VOC adsorption films by direct ink writing and ammonium carbonate treatment. Chemical Engineering Journal. 2023. V. 471. P. 144560. DOI: 10.1016/j.cej.2023.144560.

Chisalița D.A., Boon J., Lücking L. Adsorbent shaping as enabler for intensified pressure swing adsorption (PSA): A critical review. Separation and Purification Technology. 2024. V. 353. P. 128466. DOI: 10.1016/j.seppur.2024.128466.

Jivrakh K.B., Varghese A.M., Ehrling S., Kuppireddy S., Polychronopoulou K., Abu Al-Rub R.K., Alamoodi N., Karanikolos G.N. 3D-printed zeolite 13X gyroid monolith adsorbents for CO2 capture. Chemical Engineering Journal. 2024. V. 497. P. 154674. DOI: 10.1016/j.cej.2024.154674.

Krishnamurthy S., Roelant R., Blom R., Arstad B., Li Z., Rombouts M., Middelkoop V., Borras A. B., Naldoni L. Scaling up 3D printed hybrid sorbents towards (cost) effective post-combustion CO2 capture: A multiscale study. International Journal of Greenhouse Gas Control. 2024. V. 132. P. 104069. DOI: 10.1016/j.ijggc.2024.104069.

Diaz-Herrezuelo I., Vega G., Navarro M., Miranzo P., Osendi M.I., Gasas J.A., Quintanilla A., Belmonte M. 3Dprinted palladium/activated carbon-based catalysts for the dehydrogenation of formic acid as a hydrogen carrier. Journal of Materials Chemistry A. 2023. V. 11. P. 24321-24329. DOI: 10.1039/d3ta05644a.

Смирнова Д.Н., Гришин И.С., Смирнов Н.Н. Синтез, структура и свойства композита бентонит - активированный уголь. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 2. С. 59-66. DOI: 10.6060/ivkkt.20246702.6903.

Солодов В.С., Папин А.В., Неведров А.В., Черкасова Т.Г. Оценка возможности применения коксовой пыли в технологии коксования. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 6. С. 113-119. DOI: 10.6060/ivkkt.20226506.6588.

Шумяцкий Ю.И. Промышленные адсорбционные процессы. Москва: Колосс. 2009. 183 с.