Химическая технология. Активированный уголь из осиновой древесины

 
 
 
Ю. Л. Юрьев, Г. И. Мальцев, Е. В. Евдокимова 
 
 
 
 
 
 
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 
 
АКТИВИРОВАННЫЙ УГОЛЬ 
ИЗ ОСИНОВОЙ ДРЕВЕСИНЫ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 676.026/.024.78 
ББК 35.77 
Ю85 
 
 
Рецензенты: 
кафедра прикладной математики Уральского энергетического института  
ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет  
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»; 
ведущий научный сотрудник Центра экономической безопасности Института экономики 
Уральского отделения Российской академии наук, доктор физико-математических наук,  
профессор Шориков А. Ф. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Юрьев, Ю. Л. 
Ю85   
Химическая технология. Активированный уголь из осиновой древесины : учебное пособие / Ю. Л. Юрьев, Г. И. Мальцев, Е. В. Евдокимова. - 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 104 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2035-8 
 
Излагаются основные положения теории изготовления активированного угля из 
осиновой древесины, имеющего уникальные сорбционные и ионообменные свойства. 
Дано описание экологически безопасных технологий изготовления новых конструктивных материалов, в частности, органических адсорбентов различного целевого назначения, обладающих высокой обменной емкостью, устойчивостью в жидкостях и агрессивных средах.  
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки: 18.03.01 «Химические технологии», 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической 
технологии, нефтехимии и биотехнологии», 20.03.01 «Техносферная безопасность и 
природообустройство». 
 
УДК 676.026/.024.78 
ББК 35.77 
 
 
ISBN 978-5-9729-2035-8 
© Юрьев Ю. Л., Мальцев Г. И., Евдокимова Е. В., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение ....................................................................................................................... 4 
Глава 1. Современное состояние процессов переработки осиновой  
древесины 
........................................................................................................... 6 
1.1. Осина как сырье для химической переработки ............................ 6 
1.2. Варианты производства древесного угля ...................................... 8 
1.3. Активация древесного угля 
........................................................... 13 
1.4. Математическое моделирование активации угля 
....................... 19 
Контрольные вопросы 
............................................................................................... 31 
Глава 2. Техника осуществления основных операций 
................................ 32 
2.1. Проведение процесса пиролиза осиновой древесины ............... 32 
2.2. Проведение активации осинового древесного угля ................... 34 
2.3. Изучение структуры угля 
.............................................................. 36 
Контрольные вопросы 
............................................................................................... 41 
Глава 3. Основные закономерности проведения пиролиза  
осиновой древесины и активации полученного угля .................................. 42 
3.1. Пиролиз тонкомерной древесины ................................................ 42 
3.2. Пиролиз спелой древесины 
........................................................... 48 
3.3. Получение активного угля на основе осиновой древесины  ..... 63 
3.4. Технология переработки осинового угля .................................... 70 
3.5. Изучение сорбционных свойств активного осинового угля ..... 76 
Контрольные вопросы 
............................................................................................... 85 
Заключение 
................................................................................................................. 87 
Список рекомендуемой литературы 
........................................................................ 88 
Глоссарий ................................................................................................................. 100 
Темы рефератов ....................................................................................................... 102 
 




ϯ


ВВЕДЕНИЕ 
 
Краткий курс «Химическая технология. Активированный уголь из осиновой древесины» предназначен для студентов, обучающихся в институте химической переработки растительного сырья и промышленной экологии, специализирующихся на кафедре химической технологии древесины, биотехнологии и 
наноматериалов, и содержит основы современных методологических подходов 
к постановке и реализации задач при создании экологически чистых производств, разработке и внедрению принципиально новых, нетрадиционных технологических процессов и оборудования. Новые технологии позволяют решать 
проблемы комплексного использования сырьевых и энергетических ресурсов, 
существенно снижать материалоемкость, энергоемкость и трудоемкость производства за счет широкого использования современных положений физикохимии целлюлозных и древесных материалов.  
Актуальность предлагаемой дисциплины обусловлена тем, что Российская Федерация, в частности Уральский федеральный округ (УрФО), обладает 
большими ресурсами древесины мягколиственных пород. Используется, в основном, только береза, хотя площади, занимаемые осиной, увеличиваются  
с каждым годом. Запас осины в РФ составляет 3,1 млрд м3. Осина растет быстро и часто вырастает на бывших сельскохозяйственных землях и вырубках первой, так что основной лесной породой вблизи лесопильных и деревообрабатывающих предприятий УрФО обычно оказывается именно осина. Однако древесина осины не находит промышленного применения, что связано с почти повсеместным заражением осины сердцевинной гнилью, слабой механической 
прочностью древесины, кроме того, сейчас значительно уменьшилось потребление дров населением и резко сократился выпуск спичек. В настоящее время 
перед лесопромышленным комплексом стоит задача увеличения эффективности переработки осиновой древесины. Её решение возможно путем проведения 
процесса пиролиза с целью получения древесного угля, пользующегося спросом на рынке. В свою очередь, древесный уголь является основой для получения таких перспективных углеродных нанопористых материалов, как, например, активные угли. 
Тема учебной дисциплины соответствует таким приоритетным направлениям развития науки, техники и технологий в Российской Федерации как 
«рациональное природопользование» и «индустрия наносистем». 
Степень 
научной 
разработанности 
технологии 
активации 
угля 
определяется вопросами переработки древесины путем пиролиза, а также 
получения сорбентов из древесного угля, которыми занимались такие ученые, 
как Н. И. Богданович, А. Н. Грачев, А. Н. Завьялов, В. Н. Козлов, В. С. Петров, 
ϰ


B. Н. Пиялкин, Р. Г. Сафин, Р. Р. Сафин, Ю. Л. Юрьев и др. Большинство работ 
посвящено пиролизу древесины твердолиственных пород и березы и 
переработке получаемого при этом древесного угля. Вопросы получения и 
переработки осинового угля изучены сравнительно мало. 
Целью изучения данного курса является ознакомление с процессом 
пиролиза осиновой древесины, активацией полученного осинового угля, 
оценкой свойств получаемых продуктов. Для достижения поставленной цели 
необходимо усвоить следующие задачи: 
1)проанализировать имеющуюся научно-техническую информацию по 
теме дисциплины; 
2)определить влияние основных действующих факторов на процесс 
пиролиза осиновой древесины и свойства получаемого угля; 
3)посредством активации древесного угля выявить оптимальный режим 
получения активного осинового угля. 
При освоении учебного курса будут приобретены новые знания по 
вопросам: 
1)сравнительного анализа выхода и качества угля при пиролизе 
тонкомерной и спелой осиновой древесины; 
2)получения активного уголь из осинового угля-сырца с использованием 
процесса активации во вращающейся печи с Z-образной вставкой; 
3)построения математическая модель процесса активации осинового 
угля; 
4)возможности использования активного осинового угля для отделения 
примесей из воды и водных растворов.  
Теоретическая и практическая значимость изучаемого курса состоит  
в следующем: 
 ௅ показано влияние основных действующих факторов процессов пиролиза осиновой древесины и активации осинового угля на выход и качество 
получаемых продуктов.  
- обоснована эффективная технология переработки осиновой древесины 
на активные угли.  
Анализ фактических данных, представленных в учебном пособии, основан 
на 
современных 
теоретических 
положениях 
о 
пиролизе 
древесины 
и 
математических методах статистического анализа. Поставленные практические 
задачи 
решались 
с 
использованием 
теории 
факторного 
эксперимента, 
регрессионного анализа и вычислительных программ. Представленные в учебном 
пособии теоретические и расчетные данные были проверены опытным путем  
в лабораторных условиях по принятым методикам и планам экспериментов. 
 
ϱ


Обоснованность и достоверность результатов и выводов, представ- 
ленных в изучаемом курсе, базируются на применении научно обоснованных 
методов 
получения 
новой 
информации, 
использовании 
современных 
литературных источников. Обоснованность выявленных научных положений  
и сформулированных выводов подтверждена публикациями в специализированных рецензируемых журналах, а также положительной оценкой при 
апробации представленных результатов на международных и всероссийских 
конференциях. Представленные в учебном пособии научные положения, 
выводы и рекомендации, подкреплены фактическими данными. 
 
  
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОЦЕССОВ  
ПЕРЕРАБОТКИ ОСИНОВОЙ ДРЕВЕСИНЫ 
 
1.1. Осина как сырье для химической переработки 
 
Осина обыкновенная, тополь дрожащий (Populus tremula L.) - листопадное дерево рода тополь, семейства ивовых. Осина занимает второе место в числе основных лесообразующих лиственных древесных пород, произрастающих в 
Уральском федеральном округе (УрФО). В УрФО по данным учета лесного 
фонда на 2019 год ресурсы осиновой древесины составляют 392 млн м3, в том 
числе в Свердловской области 105 млн м3. 
Основной путь распространения осины - вегетативный. Именно это и 
обуславливает активное возобновление осины на местах вырубок. В таких местах всходы осины за первый год жизни могут достигнуть высоты одного метра, практически не давая вырасти другим породам, в том числе хвойным, имеющим высокую ценность. При высокой конкуренции с осиной хвойные породы 
во вновь образованном древостое имеют весьма небольшую долю на вырубках.  
Древесина осины белого цвета с зеленоватым оттенком со слабо заметными годичными слоями. У нее практически не видны сердцевинные лучи. 
Древесина осины имеет однородное строение, легко пропитывается, не дает 
сильно коптящего пламени. 
До недавнего времени осина являлась основным сырьем для производства 
спичек. В настоящее время она используется в сельской местности лишь для 
строительства колодцев и погребов. В промышленности ее применяют в производстве древесных плит, целлюлозы, картона и фанеры. Основное ограничение 
применения осины, особенно как конструкционного материала, - часто встречающаяся сердцевинная гниль.  
ϲ


Сравнение динамики распределения покрытых лесом земель (по данным 
учета лесных земель УрФО) показало, что в 2008 году осина произрастала на 
площади 5,5 млн га с общим запасом насаждений 566 млн м3, а в 2018 году уже 
на площади 5,6 млн га с общим запасом 576 млн м3, т. е. запас осиновой древесины вырос на 1,8  (таблица 1.1). 
Таблица 1.1   
Динамика распределения площадей и запасов основных лесообразующих  
пород в древесных УрФО за 10 лет по данным учета земель на 01.01.2019 
 
Порода 
Изменения за 10 лет (2008−2018 гг.) 
Площадь,  
Запас,  
Сосна 
-0,9 
-2,4 
Ель 
1,9 
-4,2 
Пихта 
-2 
8,7 
Кедр 
0,2 
-3,1 
Осина 
1,4 
1,8 
Береза 
-1,1 
-6 
Лиственница 
0,4 
-10,3 
Прочие 
-30,9 
-4,8 
 
Очевидно, что при нынешних тенденциях осина в ближайшее время станет существенной частью лесосырьевой базы лесоперерабатывающих предприятий УрФО. Поэтому так остро встает вопрос рационального использования ресурсов осиновой древесины. 
В настоящее время имеется множество различных искусственных материалов, которые обладают существенными преимуществами по сравнению с 
природными материалами. В связи с этим использование древесины осины в 
естественном виде продолжает снижаться. Основные объемы осиновой древесины оставляются на лесосеках, поскольку ее вывозка нерентабельна. И только 
малая часть древесины идет на дальнейшую переработку - производство пиломатериалов, фанеры, различных отделочных материалов. 
На основании исследований, проведенных ранее на кафедре химической 
технологии древесины, биотехнологии и наноматериалов УГЛТУ, был предложен вариант переработки мягколиственной древесины путем пиролиза, при котором может быть использовано сырье невысокого качества. Поэтому возрастает интерес к такому перспективному направлению переработки осины, как пиролиз. Основным продуктом технологии пиролиза является древесный уголь, 
который имеет обширную сферу применения в различных отраслях народного 
хозяйства. В свою очередь, на основе угля из осиновой древесины возможно 
ϳ


производство других углеродных нанопористых материалов, например, активных углей. 
 
1.2. Варианты производства древесного угля 
 
Для производства древесного угля (ДУ) используют обычный (400…600 ƒС) 
и высокотемпературный (600-800 ƒС) пиролиз. Торрефикация (другие названия ௅ 
низкотемпературный пиролиз, предпиролиз, дегидратация) проводится обычно 
при температуре 200-400 ƒС (в основном до 300 ƒС) чаще всего для использования биомассы в качестве топлива. Интеграция торрефикации с другими процессами делает ее экономически более жизнеспособной, чем в качестве самостоятельного процесса. 
Торрефикация в основном используется для преобразования лигноцеллюлозного сырья в «обугленный» продукт, который находит свое применение в 
качестве топлива для электростанций, установок сжигания и газификаторов. 
Обзор литературы, касающейся торрефикации волокнистых сельскохозяйственных отходов, пищевых отходов и нелигноцеллюлозных отходов (бактерий, водорослей, дрожжей и др.), представлен в работе. В целом, средние условия проведения торрефикации позволили получить значительно улучшенное 
биотопливо по сравнению с исходным сырьем. 
Торрефикация является мягкой предварительной термической обработкой 
(Т < 300 ƒС), что улучшает измельчение и свойства хранения биомассы. Исследовано влияние торрефикации на газификацию и окислительную реактивность 
углей из торрефицированной и сырой биомассы, на реакционную способность 
газификации углей из сырой и торрефикацированной биомассы. 
Изучены литературные данные по использованию рисовой и пшеничной 
соломы, рисовой шелухи, других отходов сельского хозяйства в разных странах. Описано, например, получение торрефицированной рисовой шелухи при 
различных температурах торрефикации (180-330 ƒС). Определено, что содержание нелетучего углерода и зольность увеличились с 17 до 35  и с 7 до 38  
соответственно, а содержание летучих веществ снизилось с 71 до 22  при повышении температуры торрефикации с 105 до 330 ƒС. Цвет торрефицированной 
рисовой шелухи менялся от желтого до коричневого при легкой торрефикации 
и до черного при сильной торрефикации.
Сухое и влажное торрефиционирование биомассы микроводорослей рассмотрено в работах. Мокрая торрефикация ௅ это новая технология производства биоуглей из микроводорослей, она имеет ряд преимуществ перед другими 
методами предварительной обработки. Приведены последние исследования 
топливных свойств биоуглей после торрефикационного процесса.  
ϴ


Исследованы характеристики торрефицированного желтого тополя 
(Liriodendron tulipifera) в зависимости от времени реакции (30 мин) и температуры (240-280 ƒС), проанализированы термогравиметрическая измельчаемость 
и теплотворная способность торрефицированной биомассы. Самая высокая 
теплотворная способность составляла 1233 кДж/кг, когда торрефикация проводилась при температуре 280 ƒС и продолжительности процесса 30 мин. Бамбук 
и сосна Массона подвергались торрефикации с температурой 300 ƒC в течение 
двух часов пребывания в атмосфере аргона. Частицы бамбука и сосны перед 
торрефикацией были однородно перемешаны в разных соотношениях. Характеристики пиролиза и горения исследованы с помощью термогравиметрии. Торрефицированная биомасса имела более высокую температуру пиролиза и горения, что обусловлено удалением влаги и летучих веществ и термическим разложением гемицеллюлозы, целлюлозы и лигнина в процессе торрефикации.  
Исследовано влияние и механизм шарового вальцевания на процесс торрефикации. Образцы сосновых опилок с шаровым и молотковым измельчением a1 мм подвергали торрефикации при трех температурах (230, 260 и 290 ƒС) 
и продолжительности 30 и 60 мин для изучения их торрефикационного поведения и физико-химических свойств. Показано, что при одинаковых условиях 
торрефикации шаровые опилки сосны имеют более высокое содержание углерода и фиксированного углерода, а также более низкое содержание водорода  
и кислорода, чем торрефицированные молотковые опилки сосны. Шаровое измельчение разрушает кристаллическую структуру целлюлозы и тем самым 
снижает термическую стабильность гемицеллюлозы, целлюлозы и лигнина, вызывая их деградацию при относительно низких температурах. Таким образом, 
биомасса, предварительно обработанная с помощью комбинации шарового измельчения и торрефикации, имеет потенциал для получения альтернативного 
углю топлива. 
Термическая предварительная обработка, или торрефикация биомассы  
в бескислородном состоянии может привести к получению энергонасыщенного 
и стабильного качественного твердого топлива из биомассы. Исследованы топливные характеристики и измельчаемость сосновой щепы и лесозаготовительных остатков, торрефицированных при температурах 225-300 ƒС и времени обработки 30 мин. Удельная энергия, необходимая для измельчения торрефицированной биомассы, значительно уменьшается с повышением температуры 
торрефикации.  
Изучены литературные данные о возможности получения высококачественного биоугля при торрефикации пищевых отходов. Температурная зависимость торрефикации изучалась в диапазоне 225-300 ƒC в течение 1 и 3 часов 
при фиксированной скорости нагрева 15 ƒC/мин. Торрефикация повысила 
ϵ


плотность энергии, теплотворную способность и содержание углерода по сравнению с использованием необработанного сырья.  
Для обеспечения гибких операций по эффективному обновлению биомассы при более низких затратах энергии изучены свойства волокна масличной 
пальмы и эвкалипта, предварительно обработанных в азотной и воздушной атмосфере при 250-350 ƒС за 1 час. Предварительная обработка волокна масличной пальмы на воздухе привела к получению топлива с низкими плотностью и 
энергетическим выходом и поэтому не рекомендуется. Для эвкалипта азот и 
воздух могут быть использованы при модификации биомассы, и предлагаемые 
температуры составляют 325 и 275 ƒC, соответственно.  
Богатая лигнином скорлупа лесного ореха и богатая полисахаридами 
скорлупа семян подсолнечника подвергались торрефикации при 300 ƒC и карбонизации при 600 ƒC в атмосфере азота. Проведено сравнение торрефицированной и карбонизированной биомассы. Торрефикация не обеспечивает эффективного улетучивания из богатой лигнином биомассы, в то время как она относительно более эффективна для богатой полисахаридами биомассы.  
Предварительная обработка торрефикацией потенциально улучшает 
свойства биомассы. Проведена оценка технологии обработки видимых изображений для анализа свойств торрефицированной биомассы для возможного использования в будущем при оперативном управлении технологическими процессами.  
В последние годы усилился интерес к такому направлению переработки 
различных материалов растительного происхождения как пиролиз. Он считается одним из перспективных вариантов переработки лиственной древесины невысокого качества. Его можно проводить на установках с низкой экологической опасностью даже рядом с источником сырья. 
Основными тенденциями развития пиролиза древесины в России можно 
считать следующие: 
- перемещение производства древесного угля непосредственно к источникам малоценной древесины и древесных отходов; 
- резкое снижение экологической опасности технологии пиролиза древесины за счет организации сжигания парогазовой смеси; 
- вовлечение в переработку древесных отходов и организацию производства древесноугольных брикетов.  
В настоящее время в связи с истощением запасов ископаемого топлива 
существует потребность в большом количестве энергии, получаемой из альтернативных видов топлива (биомасса, древесный уголь со связующим и без него).  
В большинстве развивающихся регионов карбонизированные брикеты рассматриваются в качестве возможного источника энергии, заменяющего древесный 
ϭϬ