ИССЛЕДОВАНИЕ ОКИСЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА

ИССЛЕДОВА Н ИЕ О К И С Л ЕН И Я ТЕХ Н И ЧЕСКО ГО УГЛЕРОДА
А К ТИ В Н Ы М И Ф О РМ А М И КИ СЛО РО Д А
М арат канова Е. А., Раздьяконова Г. И.
Федеральное государственное бюдж етное учреж дение науки И нст ит ут проблем
переработ ки углеводородов Сибирского от деления Российской академии наук, г. Омск
644040, г. Омск, ул. Нефтезаводская, 54
И сп ол ьзован и е разл ич ны х видов техн и ческого угл ерод а в качестве наполни телей
ком п ози ц и он н ы х м атериалов осн овано н а п оверхностны х явлениях, п рои сходящ их на
разд ел е фаз. Э ти явл ен и я зави сят от ф ун кц ион альн ого состава, ги дроф и л ьн о-ги д роф об н ы х
свойств, рел ьеф а и эн ер ги и углерод ной поверхности. Д ля п олучени я техн и ческого
угл ер о д а с вы соки м и ион ооб м ен н ы м и свойствам и, ком пон ентов твер д ы х ракетн ы х
топлив, напол н и телей пластм асс с эл ек трои зол яц и он н ы м и свойствам и, краси телей
поли м еров в м ассе и т.д. тр еб уется разви ти е техн о л о ги й его окисления.
О сновн ы м и ф ункц ион альн ы м и группам и на поверхн ости дисп ерсн ого техн и ческого
угл ер о д а (ТУ ), си нтези рован н ого путём тер м ооки сл и тельн ого п и ролиза углеводородов
явл яю тся кислород сод ерж ащ ие (К Ф Г). К Ф Г м огут служ ить активны м и центрам и для
селекти вной адсорбци и ионов м еталлов из растворов [1], сн иж аю т ги дроф обн ость
у гл ерод н ой поверхности, вы ступ аю т в качестве активны х центров в различны х
каталити ческих реакц и ях [2] и служ ат центрам и м одиф и каци и п оверхн ости путем
п ри вивки или п о в ерхн остн ой реакции.
К н аиболее п е рсп екти вн ы м оки сли тел ям относятся
водны е растворы перекиси
водорода. В д ан н ом иссл ед ован и и вы бран ы в качестве окисли телей H 2O 2 и озон как
эф ф ек ти вн ы е для си нтеза
К Ф Г н а п оверхн ости углерода, не засоряю щ и е продукт
гетероатом ам и, и не изм ен яю щ ие геом етри ческие свой ства окисленного ТУ.
О влияни и услови й окисления техн и ческого угл ер о д а H 2O 2 и озоном на его рН и
конц ентрац ию К Ф Г в д о ступ н ой л и тературе ин ф орм ац и и мало, поэтом у целью данн ой
работы явл яется п ои ск м етодов оки слен и я печного техн и ческого угл ер о д а при низких
тем пературах, п ри водящ их к ген ерац ии кислотн ы х групп.
О бъект ам и исследования служ или об разцы техн и ческого угл ер о д а разн ой
д и сп ерсн ости (табл.1).
Т а б л и ц а 1 .- Ф и з и к о - х и м и ч е с к и е с в о й с т в а о б р а з ц о в т е х н и ч е с к о г о у г л е р о д а
З н ачен и е показателя
Н аи м ен ован и е показателя
обр.2
обр.1
У д ел ьн ая пл ощ ад ь поверхности, м /г
вн еш н яя STSA
полная NSA
75
77
110
173
А бсорб ц и я дибутилф талата, см /100 г
94
125
рН водной суспензии
6,8
7 ,5
О кислен ие образцов п роводи ли в лабораторн ы х условиях. В о вращ аю щ и й ся реактор
п ом ещ али техн и ч ески й углерод, д об авл ял и воду или 2 % -н ы й раствор п ереки си водорода
в соотн ош ен и и по м ассе 1:1, озон из озонатора (400 см /ч), вы д ерж и вал и зад ан н о е время,
п олученн ы й техн и чески й углерод вы суш и вал и и охлаж дали.
С од ерж ан ие ки слород а в “ акти вн ой ” ф орм е рассчи ты вали по сум м е его колич ества в
виде карбокси льн ы х и ф ен ольн ы х групп. С ум м у карб окси льн ы х (сильнокислотны х,
-C O O H ) и ф ен ольн ы х (-O H ) - оп ределяли р еакц и ей ион ного обм ена с N aO H , отдельн о
к а р б о к с и л ь н ы х - с N a 2C O 3 [3, 4].
Р езульт ат ы . И зучен ы закон ом ерн ости изм ен ени я конц ен трац и и кислотн ы х групп от
конц ен трац и и раствора H 2O 2 в д иап азоне 5 - 30 % и рН р аствора H 2O 2 в д иап азоне от 10
101
до 2. П оказано, что наиб ольш ая конц ентрац ия п ротон огенн ы х групп достигается в
си льн оки сл отн ом д иап азоне при рН 30 % -ного раствора H 2O 2 (рис. 1).
Концентрация раствора Н20 2
. » 40 -
- 30 Ч
%
.
"
>
“S i5 20
Л! Ш
‘■'U -
, ’
6,5
'
S
X
о.
' ,Jj**4*
v
45
3.5
|
0 1 2 3 4 5 6 7 6 9
10 11
pH раствора Н202 -------►
"
------- ------- ■
_
•
5.5
•
.
•
2.5
20
40
Время, мин
Рис. 1. В л и ян и е конц ентрац ии и рН
раствора
Н 2О 2
на
генерацию
протон оген н ы х
групп
на
поверхности
техн и ческого угл ерод а обр.2 при его
окислении.
♦
60
-------А-
Рис. 2 Д и н ам и к а изм ен ени я рН сусп ензи и
образца техн и ческого угл ерод а (Т У ) N 326
при воздей ствии активны х ф орм кислорода
H 2O2 (1), О ^ в водной среде (2) и О3 в
растворе H 2O2 (3)
Т аким образом , подбирая услови я окисления - рН и конц ентрац ию перекиси
водорода, м ож но получать разн ови д н ости ф ункц ион ал изированны х видов техн и ческого
углерода.
О днако, и спользовани е кон ц ентри рованн ы х растворов перекиси водорода
довол ьн о слож но при п ракти ческом прим енении, а разб авл ен н ая H 2O 2 н еэф ф ективн а
(рис.2).
П оэтом у д ля
уси лен и я
д ействия H 2O 2, д об авили
к ней другой
кислород сод ерж ащ и й окислитель. И з литературы известно, что см есь окисли телей
активнее каж дого из них, что об ъясн яется об разован ием активны х ф орм кислорода. П ри
во зд ей стви и их на техн и чески й углерод м ож но ож идать ускорен ия гетерогенной реакции.
Д л я проверки этого п редп олож ени я изучен о и зм ен ени е рН сусп ензи и техн и ческого
угл ер о д а в среде 2 % -н ой перекиси водорода, в которую проп ускали озон с расход ом 400
см 3/ч .П р и ген ерац ии кислотн ы х групп рН водной сусп ензи и техн и ческого углерода
п он иж ается до 2,5-3,5 ед. Д ей ствительно, окисление разд ельно перекисью вод ород а или
озоном п ри вод ит к сниж ению рН водной сусп ензи и техн и ческого угл ерод а на 0,3 и 2 ед.
соответственно, а доб авл ен и е
озона к перекиси вод ород а - на 3 ед., что косвенно
под тверж д ает п редп олож ени е об об разован и и более акти вн ы х ф орм ки слород а в см еси
окислителей, и указы вает на эф ф ек ти вн о сть их прим енения.
За клю чение. Т аким образом , окисление техн и ческого угл ерод а 30-20% растворам и
п ерекиси вод ород а в си льн окислотной среде п ри вод и т к ген ерац ии кислотн ы х групп. Н о
зн ачи тельн о эф ф ек ти вн ее окисление см есью
кислород сод ерж ащ и х окислителей.
С овм естн ое д ействие перекиси вод ород а и озона сущ ественно, на 3 ед, сн иж ает рН водной
сусп ензи и техн и ческого углерода.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства промышленности и торговли
Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы №2
контракта
и государственного
№ 12208.1007999.13.012.
Литература:
1. L.R. Radovic, C. Moreno-Castilla, J. Rivera-Utrilla // In: Radovic LR, editor. Chemistry and
physics o f carbon. - New York: Marcel Dekker, 2000. - V. 27. -Р. 227-405.
2. Rodri'guez-Reinoso, F. Carbon. - 1998. - №3, V.36. - P. 159-175.
3. Черонис Н.Д., М а Г.С. Микро- и полумикрометоды органического функционального
анализа. М.: Химия, 1973. 463 с.
4. Boehm H.P. // Carbon. 2002. V. 40. P. 145.
102