Активированный уголь
Активированный (активный) уголь — пористое вещество, которое получают из различных углеродсодержащих материалов органического происхождения: древесный уголь (марки активированного угля БАУ-А, ОУ-А, ДАК[1] и др.), каменноугольный кокс (марки активированного угля АГ-3, АГ-5, АР и др.), нефтяной кокс, кокосовый уголь и др. Содержит огромное количество пор и поэтому обладает очень большой удельной поверхностью на единицу массы, вследствие чего обладает высокой адсорбцией. 1 грамм активированного угля в зависимости от технологии изготовления имеет удельную поверхность от 500 до 1500 м².[2] Применяют в медицине и промышленности для очистки, разделения и извлечения различных веществ.
Как работает уголь
Есть два основных механизма, которыми активизированный углерод удаляет загрязнители из воды: адсорбция и каталитическое сокращение (процесс, заставляющий притягиваться отрицательно заряженные ионы загрязнителя к положительно заряженному активированному углероду). Органические соединения удаляются адсорбцией, а остаточные дезинфицирующие средства, такие как хлор, и хлорамины удаляются каталитическим сокращением.
Производство
Хороший активированный уголь получается из ореховой скорлупы (кокосовой, из косточек некоторых плодовых культур.) Прежде активированный уголь делали из костей крупного рогатого скота (костный уголь[3]). Сущность процесса активации состоит во вскрытии пор, находящихся в углеродном материале в закрытом состоянии. Это делается либо термохимически (предварительно материал пропитывают раствором хлорида цинка, карбоната калия или некоторыми другими соединениями и нагревают без доступа воздуха), либо путём обработки перегретым паром или углекислым газом или их смесью при температуре 800—850 градусов. В последнем случае технически сложно получить парогазовый агент, имеющий такую температуру. Широко распространён приём подачи в аппарат для активации одновременно с насыщенным паром ограниченного количества воздуха. Часть угля сгорает и в реакционном пространстве достигается необходимая температура. Выход активного угля в этом варианте процесса заметно снижается. Значение удельной поверхности пор у лучших марок активных углей может достигать 1800—2200 м2; на 1 г угля.[2] Различают макро-, мезо- и микро- поры. В зависимости от размеров молекул, которые нужно удержать на поверхности угля, должен изготавливаться уголь с разными соотношениями размеров пор.
В противогазах
Классический пример использования активированного угля связан с использованием его в противогазе. Разработанный Н. Д. Зелинским противогаз спас множество жизней солдат в первой мировой войне. К 1916 году он был принят на вооружение почти всех европейских армий.
При производстве сахараПервоначально для очистки сахарного сиропа от красящих веществ при сахароварении использовался костный активированный уголь. Однако, таким образом, этот сахар нельзя было употреблять в пост, как имеющий животное происхождение. Сахарозаводчики начали выпускать «постный сахар», который либо не очищался и имел вид цветных помадок, либо чистился через древесный уголь.
Другое применениеАктивированный уголь применяется в медицине, химической, как носитель катализаторов, а во многих реакциях сам действует в качестве катализатора, фармацевтической и пищевой промышленности. Фильтры, содержащие активированный уголь, используются во многих современных моделях устройств для очистки питьевой воды.
Характеристики активированного угляРазмер пор
Определяющее влияние на структуру пор активированных углей оказывают исходные материалы для их получения. Активированные угли на основе скорлупы кокосов характеризуются большей долей микропор (до 2 нм), на основе каменного угля — большей долей мезопор (2-50 нм). Большая доля макропор характерна для активированных углей на основе древесины (более 50 нм). Микропоры особенно хорошо подходят для адсорбции молекул небольшого размера, а мезопоры — для адсорбции более крупных органических молекул.
Йодный индексБольшая часть углерода предпочтительно адсорбируют маленькие молекулы. Йодный индекс — самый фундаментальный параметр, используемый, чтобы характеризовать активированную углеродистую работу. Йодный индекс — мера уровня активности (более высокое число указывает на более высокую степень активации), часто измеряется в мг/г (типичный диапазон 500—1200 мг/г). Йодный индекс — это также мера содержания микропоры активированного угля (от 0 до 20 Å), или до 2 нм), что эквивалентно площади поверхности углерода между 900 м²/г и 1100 м²/г. Это стандартная мера при использовании активированного угля для очистки веществ в жидкой фазе.
ТвердостьЭто мера сопротивления активированного угля истиранию. Это важный индикатор активированного угля, необходимый для поддержания его физической целостности и противостояния фрикционным силам, процессу обратной промывки и т. д. Есть значительные различия в твердости активированного угля, в зависимости от сырья и уровня активности.
Гранулометрический составЧем меньше размер частицы активированного угля, тем лучше доступ к площади поверхности и быстрее уровень адсорбции. В системах фазы пара это нужно учитывать при снижении давления, которое затронет затраты энергии. Внимательное рассмотрение гранулометрического состава может обеспечить существенную операционную выгоду.
