Динамическая адсорбция паров органических растворителей на активированном угле

Цель – экспериментально и теоретически оценить динамику адсорбции паров трёх органических растворителей (ацетон, изопропанол, толуол) на активированном угле фильтров класса А1, выявить взаимосвязь между физико-химическими свойствами адсорбатов и параметрами защитного действия, а также определить эффективность термической регенерации адсорбента.

Методы. Адсорбционные эксперименты выполнены на оригинальной установке с неподвижным слоем адсорбента при расходе воздуха 0,02 л/с, температуре 24,5°C и относительной влажности 35%. Для каждого адсорбата измерены время защитного действия, масса сорбированного вещества и объём очищенного воздуха. Оценена степень восстановления сорбционной способности после термической регенерации (110°C, 1 ч). Методом Монте-Карло в большом каноническом ансамбле смоделированы изотермы адсорбции и рассчитаны изостерические теплоты.

Результаты. Прямой корреляции между массой поглощённого вещества и временем до проскока не обнаружено. Ацетон обладает максимальной сорбционной ёмкостью (0,22 г), но минимальным временем защиты (240 с) из-за высокой летучести. Изопропанол обеспечивает наибольшее время защитного действия (780 с) при меньшей массе сорбции (0,18 г) благодаря образованию водородных связей. Толуол занимает промежуточное положение (363 с, 0,14 г) из-за стерических ограничений. Степень восстановления после регенерации составила 82–85%, что указывает на наличие необратимо связанной фракции (15–18%). Моделирование подтвердило ключевую роль электростатических и водородных взаимодействий, а также энергетическую неоднородность поверхности углеродного каркаса.

Заключение. Полученные данные важны для прогнозирования ресурса угольных фильтров, выбора адсорбента под конкретные летучие органические соединения и оптимизации режимов термической регенерации с учётом полярности и летучести адсорбата.

1. Adsorption performance of volatile organic compounds on activated Carbon fibers in a fixed bed column / T. Hong, L. Wei, K. Cui, Y. Dong, R. Li, T. Zhang [et al.] // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2021. Vol. 9, no. 6. P. 106347. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.106347.

2. Sahle T.T. A review on reducing environmental impact: adsorption of organic solvent vapors by modified activated Carbons // Химия. Экология. Урбанистика: материалы Всероссийской научно-практической конференции: в 4 т. Т.4. Пермь: ПНИПУ, 2024. С. 262-265.

3. A review on experimental chemically modified activated Carbon to enhance dye and heavy metals adsorption / M. Sultana, M.H. Rownok, M. Sabrin, Md. Haferuz Rahamam, S.M. Nur Alam // Cleaner Engineering and Technology. 2022. Vol. 6. P. 100382. https://doi.org/10.1016/j.clet.2021.100382.

4. Microporosity and nanostructure of activated carbons: characterization by X-ray diffraction and scattering, Raman spectroscopy and transmission electron microscopy / A.A. Shiryaev, P. Pré, C. Pardanaud, V. Murzin, A. Averin, J.N. Rouzaud // Adsorption. 2023. Vol. 29. P. 275-289.

5. Regulating the specific surface area and porous structure of Carbon for high performance supercapacitors / L. Yan, A. Liu, R. Ma, C. Guo, X. Ding, P. Feug [et al.] // Applied Surface Science. 2023. Vol. 615. P. 156267. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.156267.

6. Optimal adsorbent selection for synthetic biogas: Adsorption in static conditions on activated biochars and activated Carbons of CNR-115 family / Kh. Abou Alfa, N. Abou Saleh, B. N. Ho, D. Bessieres, V. Platel, C. Hort // Biomass and Bioenergy. 2025. Vol. 203. P. 108300. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2025.108300.

7. External capillary condensation and adsorption of VOCs onto activated Carbon fiber cloth and felt / L. Fournel, J. L. Fanlo, P. Mocho, P. Le Cloirec // Environmental Technology. 2005. Vol. 26, no. 11. P. 1277-1287. https://doi.org/10.1080/09593332608618598.

8. Equilibrium and heat of adsorption for organic vapors and activated Carbons / D. Ramirez, S.Qi, M.J. Rood, K.J. Hay // Environmental Science and Technology. 2005. Vol. 39, no. 15. P. 5864-5871. https://doi.org/10.1021/es048144r.

9. Ghorbani A., Karimzadeh R., Mofarahi M. Mathematical modeling of fixed bed adsorption: influence of main parameters on breakthrough curve // Journal of Chemical and Petroleum Engineering. 2018. Vol. 52, no. 2. P. 135-143.

10. Adsorption separation of gaseous pollutants over porous Carbon materials: a review / R. Zhu, J. Guo, H. Pang, D. Zhao, Q. Liu, P. Liand // Journal of the Energy Institute. 2025. Vol. 120. P. 102129. https://doi.org/10.1016/j.joei.2025.102129.

11. Removal of Boron by a modified resin in fixed bed column: Breakthrough curve analysis using dynamic adsorption models and artificial neural network model / Sh. Bai, J. Li, W. Ding, S. Chen, R. Ya // Chemosphere. 2022. Vol. 296. P. 134021. https://doi.org/10.1016/j.chemo-sphere.2022.134021.

12. Sabry M., Elweteedy A., El-Ghorab M. A review of mathematical models for breakthrough times of active carbon used in air conditioning // Journal of Physics: Conference Series. 2025. Vol. 3058, no. 1. P. 012013. https://doi.org/10.1088/1742-6596/3058/1/012013.

13. A concise review on porous adsorbents for benzene and other volatile organic compounds / J. Choma, B. Szczesniak, A. Kapusta, M. Jaronec // Molecules. 2024. Vol. 29, no. 23. P. 5677. https://doi.org/10.3390/molecules29235677.

14. The effect of relative humidity on multicomponent organic vapor adsorption on composite beds with micro-fibrous entrapped activated carbon / Ch. Zheng, K. Kang, Yu. Xie, H. Soug, V. Liang, J. Hu [et al.] // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2023. Vol. 11, no. 6. P. 111005. https://doi.org/10.1016/j.jece.2023.111005.

15. Interactions of ionic liquids and acetone: thermodynamic properties, quantum-chemical calculations, and NMR analysis / E. Ruiz, V.R. Ferro, J. Palomar, J. Ortega // The Journal of Physical Chemistry B. 2013. Vol. 117, no. 24. P. 7388-7398. https://doi.org/10.1021/jp402331y.

16. Separation of the isopropanol and toluene azeotropic mixture using a deep eutectic solvent / Y. Dong, E. Xu, Y. Xia, Y. Guo // Journal of Chemical & Engineering Data. 2026. Vol. 71, is. 2. P. 593-602 https://doi.org/10.1021/acs.jced.5c00673.

17. Модифицированные наночастицами нитрида бора полиамидные ткани / И.В. Локтионова, П.В. Абакумов, А.П. Кузьменко, А.И. Колпаков, Е.А. Новиков, В.А. Мамонтов [и др.] // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2024. Т. 14, № 4. С. 103-114. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2024-14-4-103-114.

18. Исследование полиамидных мембран, модифицированных наночастицами нитрида бора, для фильтрации нааночастиц серебра / И.В. Локтионова, П.В. Абакумов, А.П. Кузьменко, А.И. Колпаков, Е.А. Новиков, В.А. Мамонтов [и др.] // Applied Physics. 2025. № 6. С. 45-50. https://doi.org/10.51368/2949-561X-2025-6-45-50.

19. Wernert V., Bouchet R., Denoyel R. Influence of molecule size on its transport properties through a porous medium // Analytical chemistry. 2010. Vol. 82, no. 7. P. 2668-2679. https://doi.org/10.1021/ac902858b.

20. Adsorption of acetone and isopropanol on organic acid modified activated carbons / L. Tang, L. Li, R. Chen, C. Wang, W. Ma, X. Ma // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2016. Vol. 4, no. 2. P. 2045-2051. https://doi.org/10.1016/j.jece.2016.03.031.