новые адсорбенты

Когда говорят о новых адсорбентах, многие сразу представляют себе нечто революционное, чуть ли не нанотехнологии. Но на практике, в той же очистке газов или водоподготовке, часто оказывается, что ?новое? — это хорошо забытое старое, но с модификацией структуры или активации. Сам термин немного размыт: для кого-то это материалы на основе графена, а для нас, на производстве, это может быть просто уголь с улучшенной пористостью, дающий на 15% больше емкости при тех же затратах. Вот с этого и начну.

Что скрывается за модным термином

В нашей отрасли — производстве активированных углей — под новыми адсорбентами часто подразумевают не столько абсолютно иную химическую основу, сколько материалы с целенаправленно спроектированной пористой структурой. Например, классический каменноугольный уголь, но с преобладанием мезопор для улавливания среднемолекулярных органических соединений. Это не фантастика, а результат корректировки параметров активации. Мы в ООО Шаньинь Хуншэн Активированный уголь как раз идем по этому пути: не создаем ?чудо-материал?, а адаптируем серийные продукты под конкретные задачи заказчиков. На сайте компании (https://www.hongshengac.ru) это отражено в описании направлений — там указано, что мы специализируемся на исследованиях и разработке. И это не просто слова для раздела ?О нас?. Например, один из наших относительно новых продуктов — уголь с повышенной механической прочностью для рекуперации растворителей — появился именно после жалоб клиентов на истирание в роторных адсорберах.

При этом есть и явные тупиковые ветви. Помню, несколько лет назад был ажиотаж вокруг некоторых синтетических полимерных адсорбентов. Их рекламировали как панацею для очистки сточных вод от красителей. Мы закупили партию для испытаний. Да, селективность была хорошей, но стоимость регенерации сводила на нет все преимущества. После 5-6 циклов материал начинал необратимо терять емкость. Клиент, которому мы предложили это как опцию, в итоге вернулся к нашему же гранулированному каменноугольному углю, пусть и с более частой заменой, но зато с предсказуемой экономикой. Этот опыт заставил относиться ко всяким ?новинкам? с большим скепсисом. Главный вопрос теперь всегда: а что будет на 100-м цикле? И сколько будет стоить утилизация?

Еще один момент, который редко обсуждают в научных статьях, — это сырьевая база. Разработка нового адсорбента — это не только лаборатория. Это гарантии стабильных поставок сырья, чтобы свойства от партии к партии не прыгали. Мы, работая на каменноугольной основе, эту проблему для себя решили, имея долгосрочные контракты с шахтами. Но знаю случаи, когда стартапы делали прекрасный лабораторный образец из какого-нибудь сельскохозяйственного отхода, а при попытке масштабирования выяснялось, что состав этого отхода сильно зависит от региона, сезона и погоды. И адсорбционная емкость, соответственно, тоже.

Кейс: когда ?новое? — это доработка процесса, а не материала

Хочу привести пример из практики, который хорошо иллюстрирует мой подход. К нам обратился завод по производству фармацевтических субстанций. Задача: улавливание паров органики из вытяжного воздуха. Они использовали импортный уголь, но хотели найти более дешевую альтернативу без потери эффективности. Мы предложили не просто аналог, а провели совместные испытания на пилотной установке. Оказалось, что проблема не столько в материале, сколько в режиме десорбции. Их технологи сушили уголь слишком агрессивно, после чего часть пор как бы ?схлопывалась?.

Вместо того чтобы продать ?новый? уголь, мы модифицировали наш стандартный каменноугольный адсорбент, немного увеличив долю макропор для более легкой десорбции, и главное — предоставили подробный протокол регенерации (температурные графики, скорость продувки). Это сработало. Емкость упала на 3-5%, но количество циклов до замены увеличилось почти вдвое. Для клиента это была существенная экономия. Вот вам и новый адсорбент — иногда новизна в комплексном решении, а не в формуле.

Этот опыт мы потом использовали в других проектах. На нашем сайте в описании компании (https://www.hongshengac.ru) указано, что мы — высокотехнологичное предприятие. Для меня эта ?высокотехнологичность? как раз и заключается в такой работе: не просто отгрузить мешки, а вникнуть в процесс заказчика и адаптировать под него продукт. Часто самые эффективные новые адсорбенты рождаются не в вакууме, а на стыке с технологией применения.

Порошковые угли: нестареющая классика или поле для нововведений?

Отдельно стоит сказать о порошковых активированных углях (ПАУ). В контексте новых адсорбентов их часто незаслуженно обходят вниманием, считая устаревшими. Да, это массовый продукт. Но и здесь есть куда развиваться. Например, контроль гранулометрического состава. Для современных систем инжекции в дымовые газы нужна очень узкая фракция, чтобы обеспечить и хороший унос, и максимальную площадь контакта. Наше производство порошкового угля как раз заточено под это — мы можем стабильно давать продукт с 90% частиц в диапазоне, скажем, 10-25 микрон. Для заказчика это прямая экономия, так как уменьшается удельный расход.

А еще интересное направление — это пропитка порошковых углей. Не в смысле создания каталитических сорбентов (это отдельная сложная тема), а более приземленно — для повышения емкости по специфичным загрязнителям. Скажем, для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. Стандартный уголь здесь не всегда эффективен. Но если его пропитать, например, соединениями серы, можно получить материал с высокой селективностью по ртути или кадмию. Мы такие вещи делаем под заказ, небольшими партиями. Это, безусловно, новые адсорбенты, но созданные по запросу рынка, а не в погоне за научной публикацией.

Проблема, однако, в сертификации и паспортизации таких материалов. Каждый раз это отдельная история. Нельзя просто написать в спецификации ?уголь активированный?. Приходится разрабатывать временные технические условия (ВТУ), проводить дополнительные испытания. Это тормозит внедрение. Многие потенциальные клиенты, особенно из госсектора, боятся таких ?нестандартных? решений, предпочитая брать то, что уже есть в реестрах. Это сдерживающий фактор для реального обновления ассортимента адсорбентов на многих предприятиях.

Ограничения и практические ловушки

Работая с новыми материалами, постоянно натыкаешься на ограничения, о которых в лабораторных отчетах не пишут. Первое — гигроскопичность. Казалось бы, мелочь. Но если ваш новый уголь, прекрасно сорбирующий, скажем, бензол, активно впитывает еще и влагу из воздуха при хранении, то при загрузке в адсорбер он уже частично потеряет емкость по целевому компоненту. Были прецеденты. Теперь это один из первых пунктов в нашей внутренней программе испытаний.

Второе — пыление. Особенно для гранулированных материалов. Новые методы формования или активации иногда дают продукт с низкой абразивной прочностью. В процессе засыпки, да и просто при вибрации во время транспортировки, образуется мелкая пыль. Она не только теряется как сорбент, но и может забивать газовые тракты или форсунки. Приходится искать компромисс между адсорбционной емкостью и механическими характеристиками. Идеального материала нет.

И третье, самое главное — экономика. Себестоимость. Можно создать в лаборатории уголь с феноменальной удельной поверхностью. Но если для его производства нужна трехступенчатая активация в атмосфере инертного газа с точным контролем температуры с шагом в 5 градусов, то в промышленных масштабах это будет золотым. Никто не купит. Поэтому наши исследования в ООО Шаньинь Хуншэн всегда привязаны к возможностям существующих печей активации. Мы ищем те параметры, которые можно воспроизвести в цеху, а не только в идеальных условиях. Новые адсорбенты должны быть не только эффективными, но и технологичными в изготовлении.

Взгляд вперед: куда двигаться?

Если говорить о перспективах, то я не верю в скорую революцию. Эволюция — более вероятный путь. Вижу несколько практических трендов. Первый — гибридные материалы. Не в смысле ?графен+уголь?, а более приземленные комбинации. Например, слоистая загрузка адсорберов разными типами углей для улавливания широкого спектра загрязнителей. Мы сами экспериментировали со смесями каменноугольного и кокосового угля для очистки воздуха от сложных смесей ЛОС. Результаты обнадеживающие, но нужно больше статистики.

Второе — умная регенерация. Новизна может быть не в самом адсорбенте, а в способе его восстановления. Внедрение датчиков, которые в реальном времени отслеживают проскок и оптимизируют циклы. Это позволит выжимать из существующих материалов максимум, отодвигая момент замены. Фактически, это увеличивает жизненный цикл адсорбента, что для конечного пользователя часто важнее, чем абстрактная высокая емкость на свежем материале.

И наконец, экология. Требования к утилизации отработанных сорбентов ужесточаются. Будущие новые адсорбенты должны проектироваться с учетом возможности их безопасной утилизации или, что еще лучше, регенерации с полным восстановлением свойств. Над этим мы тоже работаем, изучая, например, методы термохимической регенерации прямо на площадке заказчика. Это сложно, но это тот самый следующий шаг. В конце концов, самый лучший новый адсорбент — это тот, который служит дольше и наносит меньше вреда после окончания срока службы. А гонка за рекордными цифрами по удельной поверхности — это, пожалуй, уже вчерашний день.