Удельная площадь поверхности активированного угля на основе исходного угля из Южно-Африканского Университета Витватерсранда достигает 1925 м²/г

Репортаж от Wedoany，Исследование, проведённое Школой химической и металлургической инженерии Университета Витватерсранда (University of the Witwatersrand, Wits), показывает, что южноафриканский уголь помимо использования в качестве топлива имеет потенциал в качестве сырья для активированного угля и пористого углерода с высокой удельной площадью поверхности, адсорбентов для хранения газа, электродных материалов для хранения энергии, а также углерод-керамических композитов.

Старший научный сотрудник школы профессор Самсон Бада (Samson Bada) сообщил, что команда получила активированный уголь с удельной площадью поверхности по методу Брунауэра — Эммета — Теллера (Brunauer, Emmett and Teller, BET) примерно от 1485 м²/г до 1925 м²/г из трёх видов южноафриканского углеродсодержащего сырья. Среди них угольная пульпа (coal slurry) — около 1485 м²/г, отвальный уголь (discard coal) — 1826 м²/г, исходный уголь (run-of-mine, RoM) — 1925 м²/г. Бада отметил, что в том же исследовании были выявлены потенциальные применения активированного угля с высокой удельной площадью поверхности в очистке воды, удалении красителей, очистке воздуха и газа, разделении жидкой и газовой фаз, извлечении металлов и хранении газа.

Команда экспериментально продемонстрировала одно из применений для хранения газа: активированный уголь на основе угля адсорбирует до 162,7 см³/г метана, причём адсорбция метана возрастает с увеличением удельной площади поверхности. Недавно азот-допированный нанопористый углерод, полученный из южноафриканского исходного угля (RoM coal), в качестве электрода суперконденсатора обеспечил удельную ёмкость 169 фарад на грамм (farads a gram) и плотность энергии 23,5 ватт-часа на килограмм (watt-hours a kilogramme).

Бада заявил, что эти лабораторные результаты перспективны для применений, требующих быстрого накопления и высвобождения энергии, однако до сравнения с коммерческими устройствами необходимо разработать полноценные ячейки и масштабировать технологию. Он добавил, что команда также разработала углеродные керамические и конструкционные композиты, и эта работа переходит от лабораторной оптимизации к прототипам и проверке в пилотном масштабе.

Помимо результатов Университета Витватерсранда, Бада отметил, что международные исследования уже продемонстрировали более широкий спектр углеродных продуктов, включая углеродные волокна и углеродные пены. Эти продукты используются в США для изготовления автомобильных кузовов, что открывает потенциальные возможности для Южной Африки в будущем; однако эти продукты ещё не были подтверждены местными исследованиями Университета Витватерсранда.

Почётный профессор Розмари Фалкон (Rosemary Falcon), директор организации по продвижению угля FFF Carbon, указала, что помимо электроэнергетического аспекта у угля есть и другие часто игнорируемые применения. Она пояснила, что помимо водорода углерод в угле имеет решающее значение для восстановления железа, а также таких металлов, как марганец, кремний и алюминий. Председатель FFF Carbon Туми Кгомо (Tumi Kgomo) добавил, что солнечные фотоэлектрические элементы также изготавливаются из материалов на основе угля, поскольку уголь используется в процессе выплавки кремния.

Почётный старший преподаватель Школы химической и металлургической инженерии Университета Витватерсранда Пол ден Худ (Paul den Hoed) добавил, что углерод в угле также незаменим в качестве восстановителя для оксидов таких металлов, как хром; из-за их положения на диаграмме Эллингема (Ellingham diagram) эти оксиды не могут быть восстановлены водородом. Поэтому ден Худ рекомендует сохранять уголь более высокого качества для металлургического использования, а уголь более низкого качества направлять на производство электроэнергии в котлах с циркулирующим кипящим слоем (fluidised circulation bed) и другие ценные применения.

Бада заявил, что кабинетное исследование Университета Витватерсранда показывает, что международный прогресс в области таких продуктов, как углеродные волокна и строительные материалы на основе угля, уже предоставил полезные и прибыльные пути, которые Южная Африка может оценить и адаптировать. Однако он предупредил, что ключевым моментом является не попытка одновременно коммерциализировать все возможные углеродные продукты, а определение нескольких продуктов, в которых южноафриканский уголь или угольные отходы обладают техническими и экономическими преимуществами.

После завершения этого отбора, по его словам, «наиболее перспективные» технологии должны быть продемонстрированы в пилотном масштабе, а затем после завершения технико-экономической и жизненного цикла оценки с партнёрами-производителями — выведены на рынок. Кроме того, он подчеркнул необходимость укрепления сотрудничества между университетами, угольной отраслью, производителями продукции и правительством.