Углеродное волокно: не только прочность, но и сырье для адсорбентов 

Когда говорят про углеродное волокно, все сразу думают о композитах, авиации, велосипедах. Но есть и другая сторона — отходы производства, обрезки, брак. Их часто сжигают или просто вывозят. А ведь это готовый прекурсор для высокоэффективных адсорбентов. Многие этого не видят, считая, что активированный уголь — это только из древесины или каменного угля. Ошибка.

От отхода к материалу: технологический мост

Работая с материалами, постоянно сталкиваешься с проблемой утилизации. Вот, например, на одном из производств композитов скапливались тонны обрезков углеродного волокна. Выбрасывать — дорого и неэкологично. Мы начали эксперименты по карбонизации и активации. Задача была не просто получить уголь, а получить уголь с заданной, преимущественно микропористой структурой. Волокно-то уже имеет ориентированную структуру.

Процесс, конечно, отличается от работы с каменным углем. Здесь важнее контроль атмосферы на этапе пиролиза, чтобы не потерять каркас. Температурный режим — отдельная история. Если перегреть, материал становится слишком графитоподобным, теряет в удельной поверхности. Если недогреть — не уйдут полностью смолы, которые забивают поры. Приходилось подбирать буквально на ощупь, сериями проб.

Именно здесь пригодился опыт наших партнеров из ООО Шэньму Тянье Экологические Технологии (https://www.www.tianye-environmental-protection-technology.ru). Их специализация — производство активированного угля из традиционного сырья, но их понимание процессов активации, особенно паровой, было бесценно. Мы сравнивали характеристики: их дробленый уголь из каменного угля и наш, из волокна. Получались принципиально разные адсорбенты.

Особенности поровой структуры: почему это важно

Углеродное волокно после активации дает не хаотичный ?лабиринт? пор, как у дробленого угля, а более упорядоченную систему. Это заметно по изотермам адсорбции. Если грубо, то он лучше ?ловит? молекулы определенного размера. Например, для улавливания летучих органических соединений (ЛОС) с длинной цепью или некоторых красителей — это идеально.

Но есть и минус. Для адсорбции очень мелких молекул, типа паров ртути или некоторых газов, иногда эффективнее как раз микропористая структура классического угля от Тянье. Там площадь поверхности за счет этих мельчайших пор просто гигантская. Выбор сырья всегда определяется задачей. Нельзя сказать, что уголь из углеродного волокна лучше или хуже. Он — другой.

На практике это вылилось в кейс: нам нужно было создать фильтрующий модуль для очистки технологических газов от специфических побочных продуктов. Классические угли не давали нужной скорости адсорбции и, главное, десорбции при регенерации. Волоконный сорбент, сформированный в виде тканых кассет, сработал. Регенерация проходила быстрее за счет лучшей газопроницаемости структуры.

Проблемы формообразования

Самое сложное — это придать хрупкому после пиролиза волокну форму. Молотое волокно и связующее — путь в никуда, теряются все преимущества. Мы пробовали иглопробивной метод, спекание под давлением. Часть образцов просто рассыпалась в руках. Другая часть — теряла пористость, превращаясь в плотный брикет. Упорство и переговоры с технологами привели к варианту с минимальным использованием связующих, на основе собственной смолы волокна. Но это уже ноу-хау, детали раскрывать не буду.

Экономика и экология: два в одном

С экономикой все неоднозначно. Переработка отходов углеродного волокна в сорбент — процесс энергоемкий. Он окупается не всегда, если считать только прямые затраты. Но если заложить в расчет стоимость утилизации отходов по классам опасности (а это часто 1-2 класс) и потенциальную стоимость готового специализированного сорбента, картина меняется.

Компания ООО Шэньму Тянье Экологические Технологии, как производитель, объединяющий науку и производство, смотрит на это именно с комплексной точки зрения. Для них это не просто ?еще одна линия продукции?, а решение циклической задачи. Сырье, которое было проблемой, становится продуктом для решения других проблем — очистки воды, воздуха, рекуперации растворителей.

Мы как-то считали для внутреннего отчета: тонна гранулированного сорбента из вторичного волокна против тонны импортного аналога для тонкой химической очистки. Разница в цене достигала 40-50%. Но рынок осторожничает. Новый материал, даже с хорошими паспортными данными, внедряют медленно. Требуются горы отчетов, испытаний, сертификатов.

Взгляд в будущее: нишевый продукт или массовое направление?

Пока это точно ниша. Сорбенты на основе углеродного волокна не заменят массовый активированный уголь из каменного угля или кокоса для водоочистки или фильтров в супермаркетах. Их удел — специализированные технологические процессы: катализ, тонкая разделение газовых смесей, медицина (где важна чистота и форма).

Но объемы производства композитов растут, а значит, растет и объем отходов. Давление экологов усиливается. Поэтому направление будет развиваться. Вопрос в оптимизации. Нужны более дешевые способы карбонизации, может быть, комбинированные с переработкой других углеродсодержащих отходов.

Сейчас мы видим, как классические производители, вроде Тянье, начинают присматриваться к этому направлению. Их сила — в отлаженных процессах активации, контроле качества, наличии лабораторной базы. Их слабость — в непонимании специфики волокна как сырья. Коллаборация между производителями композитов и производителями угля — самый логичный путь. Но в реальности это упирается в коммерческую тайну и нежелание делиться сырьем, которое условно считается ?браком?.

Лично я верю в это направление. Это не революция, а эволюционное, очень прагматичное применение того, что уже есть. Из проблемы сделать ресурс — лучшая инженерная задача. И углеродное волокно здесь — лишь один пример. Принцип работает для многих ?трудных? отходов. Главное — смотреть на них не как на мусор, а как на потенциальное сырье со своей уникальной структурой. Как это и делает, по сути, компания, для которой производство активированного угля — это синтез науки и практики.