Активированный уголь

Активированный  уголь

Сырье и  химический состав

Активированный (или активный) уголь (от лат. carbo activatus) — это адсорбент - вещество с высоко развитой пористой структурой, которое получают из различных углеродсодержащих материалов органического происхождения, таких как древесный уголь, каменноугольный кокс, нефтяной кокс, скорлупа кокоса, грецкого ореха, косточки абрикоса, маслины и других плодовых культур. Наилучшим по качеству очистки и сроку службы считается активированный уголь (карболен), изготовленный из скорлупы кокоса, а благодаря высокой прочности его можно многократно регенерировать.

Активированный уголь  с точки зрения химии – это  одна из форм углерода с несовершенной  структурой, практически не содержащая примесей. Активированный уголь на 87-97 % по массе состоит из углерода, также может содержать водород, кислород, азот, серу и другие вещества. По своему химическому составу активированный уголь сходен с графитом, материалом, используемым, в том числе в обычных карандашах. Активный уголь, алмаз, графит – это все различные формы углерода, практически не содержащие примесей. По своим структурным характеристикам активные угли относятся к группе микрокристаллических разновидностей углерода - это графитовые кристаллиты, состоящие из плоскостей протяженностью 2-3 нм, которые в свою очередь образованы гексагональными кольцами. Однако типичная для графита ориентация отдельных плоскостей решетки относительно друг друга в активных углях нарушена - слои беспорядочно сдвинуты и не совпадают в направлении, перпендикулярном их плоскости. Кроме графитовых кристаллитов активированные угли содержат от одной до двух третей аморфного углерода, наряду с этим присутствуют гетероатомы. Неоднородная масса, состоящая из кристаллитов графита и аморфного углерода, определяет своеобразную пористую структуру активированных углей, а также их адсорбционные и физико-механические свойства. Наличие химически связанного кислорода в структуре активных углей, образующего поверхностные химические соединения основного или кислого характера, значительно влияет на их адсорбционные свойства. Зольность активного угля может составлять 1-15 %, иногда его обеззоливают до 0,1-0,2 %.

Структура

Активный уголь имеет  огромное количество пор и поэтому  обладает очень большой поверхностью, вследствие чего обладает высокой адсорбцией (1 г активного угля, в зависимости  от технологии изготовления имеет поверхность  от 500 до 1500 м²). Именно высокий уровень пористости делает активированный уголь «активированным». Увеличение пористости активного угля происходит во время специальной обработки – активации, которая значительно увеличивает адсорбирующую поверхность.

В активированных углях 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. Поры в  активном угле классифицируют по их линейным размерам - Х (полуширина - для щелевидной модели пор, радиус - для цилиндрической или сферической):

• Х <= 0,6-0,7 нм - микропоры;
• 0,6-0,7 < Х < 1,5-1,6 нм - супер- микропоры;
• 1,5-1,6 < Х < 100-200 нм - мезопоры;
• Х > 100-200 нм - макропоры.

Для адсорбции в микропорах (удельный объем 0,2-0,6 см³/г и 800-1000 м²/г), соизмеримых по размерам с адсорбируемыми молекулами, характерен главным образом механизм объемного заполнения. Аналогично происходит адсорбция также в супермикропорах (удельный объем 0,15-0,2 см³/г) - промежуточные области между микропорами и мезопорами. В этой области свойства микропор постепенно вырождаются, свойства мезопор проявляются. Механизм адсорбции в мезопорах заключается в последовательном образовании адсорбционных слоев (полимолекулярная адсорбция), которое завершается заполнением пор по механизму капиллярной конденсации. У обычных активных углей удельный объем мезопор составляет 0,02-0,10 см³/г, удельная поверхность 20-70 м²/г; однако у некоторых активных углей (например, осветляющих) эти показатели могут достигать соответственно 0,7 см³/г и 200-450 м²/г. Макропоры (удельный объем и поверхность соответственно 0,2-0,8 см³/г и 0,5-2,0 м²/г) служат транспортными каналами, подводящими молекулы поглощаемых веществ к адсорбционному пространству гранул активированного угля. Микро- и мезопоры составляют наибольшую часть поверхности активированных углей, соответственно, именно они вносят наибольший вклад в их адсорбционные свойства. Микропоры особенно хорошо подходят для адсорбции молекул небольшого размера, а мезопоры - для адсорбции более крупных органических молекул. Определяющее влияние на структуру пор активированных углей оказывают исходное сырье, из которого их получают. Активные угли на основе скорлупы кокоса характеризуются большей долей микропор, а активированные угли на основе каменного угля - большей долей мезопор. Большая доля макропор характерна для активированных углей на основе древесины. В активном угле как правило существуют все разновидности пор, и дифференциальная кривая распределения их объема по размерам имеет 2-3 максимума. В зависимости от степени развития супермикропор различают активные угли с узким распределением (эти поры практически отсутствуют) и широким (существенно развиты).

В порах активного угля существует межмолекулярное притяжение, которое приводит к возникновению  адсорбционных сил (Ван-дер-Вальсовые силы), которые по своей природе сродни силе гравитации с той лишь разницей, что действуют они на молекулярном, а не на астрономическом уровне. Эти силы вызывают реакцию, подобную реакции осаждения, при которой адсорбируемые вещества могут быть удалены из водных или газовых потоков. Молекулы удаляемых загрязнителей удерживаются на поверхности активированного угля межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса. Таким образом, активированные угли удаляют загрязнители из очищаемых веществ (в отличие, например, от обесцвечивания, когда молекулы цветных примесей не удаляются, а химически превращаются в бесцветные молекулы).Химические реакции также могут возникать между адсорбируемыми веществами и поверхностью активированного угля. Эти процессы называются химической адсорбцией или хемосорбцией, однако в основном процесс физической адсорбции происходит при взаимодействии активированного угля и адсорбируемого вещества. Хемосорбция широко применяется в промышленности для очистки газов, дегазации, разделения металлов, а также в научных исследованиях. Физическая адсорбция обратима, то есть адсорбируемые вещества могут быть отделены от поверхности и возвращены в их первоначальное состояние при определенных условиях. При хемосорбции, адсорбируемое вещество связано с поверхностью посредством химических связей, изменяя его химические свойства. Хемосорбция не обратима.

Некоторые вещества слабо  адсорбируются на поверхности обычных  активированных углей. К числу таких  веществ относятся аммиак, диоксид  серы, пары ртути, сероводород, формальдегид, хлор и цианистый водород. Для  эффективного удаления таких веществ  используются активные угли, импрегнированные специальными химическими реагентами. Импрегнированные активированные угли используются в специализированных областях применения воздухо- и водоочистки, в респираторах, для военных целей, в атомной промышленности и др.

Производство

Для производства активированного  угля используют печи различного типа и конструкции. Наибольшее распространение  получили: многополочные, шахтные, горизонтальные и вертикальные роторные печи, а также реакторы с кипящем слоем. Основные свойства активных углей и прежде всего пористая структура определяются видом исходного углеродсодержащего сырья и способом его переработки. Сначала углеродсодержащее сырье измельчают до размера частиц 3-5 см, затем подвергают карбонизации (пиролизу) - обжигу при высокой температуре в инертной атмосфере без доступа воздуха для удаления летучих веществ. На стадии карбонизации формируется каркас будущего активного угля - первичная пористость и прочность.

Однако, полученный карбонизированный  уголь (карбонизат) обладает плохими адсорбционными свойствами, поскольку размеры его пор невелики и внутренняя площадь поверхности очень мала. Поэтому карбонизат подвергают активации для получения специфической структуры пор и улучшения адсорбционных свойств. Сущность процесса активации состоит во вскрытии пор, находящихся в углеродном материале в закрытом состоянии. Это делается либо термохимически: предварительно материал пропитывают раствором хлорида цинка ZnCl₂, карбоната калия К₂СО₃ или некоторыми другими соединениями и нагревают до 400-600 °С без доступа воздуха, либо, наиболее распространенным путем обработки - перегретым паром или углекислым газом СО₂ или их смесью при температуре 700-900 °С в строго контролируемых условиях. Активация водяным паром представляет собой окисление карбонизованных продуктов до газообразных в соответствии с реакцией - С+Н₂О -> СО+Н₂; или при избытке водяного пара - С+2Н₂О -> СО₂+2Н₂. Широко распространен прием 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. Также активный уголь получают термическим разложением синтетических полимеров (например, поливинилиденхлорида).

Активация водяным паром  позволяет получать угли с внутренней площадью поверхности до 1500 м² на грамм угля. Благодаря этой огромной площади поверхности, активированные угли являются прекрасными адсорбентами. Тем не менее, не вся эта площадь может быть доступна для адсорбции, поскольку крупные молекулы адсорбируемых веществ не могут проникать в поры малого размера. В процессе активации развивается необходимая пористость и удельная поверхность, происходит значительное уменьшение массы твердого вещества, именуемое обгаром.

В результате термохимической  активации образуется грубопористый активированный уголь, который применяется для обесцвечивания. В результате паровой активации образуется мелкопористый активированный уголь, применяемый для очистки.

Далее активированный уголь  охлаждают и подвергают предварительной  сортировке и рассеву, где отсеивается  шлам, затем в зависимости от необходимости  получения заданных параметров, активированный уголь подвергают дополнительной обработке: отмывка кислотой, импрегнирование (пропитка различными химическими веществами), измельчение и сушка. После чего активированный уголь упаковывают  в промышленную упаковку: мешки или  биг-бэги.

Классификация

Активированный уголь  классифицируется по типу сырья, из которого он изготовлен (каменный уголь, древесина, кокос и т. д.), по способу активации (термохимическая и паровая), по назначению (газовые, рекуперационные, осветляющие и угли-носители катализаторов-химосорбентов), а также по форме выпуска. В настоящее время активированный уголь, в основном выпускается в следующих формах:

• порошковый активный уголь,
• гранулированный (дробленый, частицы неправильной формы) активный уголь,
• формованный активный уголь,
• экструдированный (цилиндрические гранулы) активный уголь,
• ткань, пропитанная активным углем.

Порошковый активированный уголь имеет частицы размером менее 0,1 мм (более чем 90 % общего состава). Порошковый уголь используется для  промышленной очистки жидкостей, включая  очистку хозяйственно-бытовых и  промышленных сточных вод. После  адсорбции порошковый уголь должен быть отделен от очищаемых жидкостей  посредством фильтрации.

Гранулированный активированный уголь частицы размером от 0,1 до 5 мм (более чем 90 % состава). Гранулированный  активный уголь используется для  очистки жидкостей, в основном для  очистки воды. При очистке жидкостей  активный уголь помещается в фильтры  или адсорберы. Активные угли с более  крупными частицами (2-5 мм) используются для очистки воздуха и других газов.

Формованный активированный уголь – это активированный уголь  в форме различных геометрических фигур, в зависимости от области  применения (цилиндры, таблетки, брикеты  и т. д.). Формованный уголь используется для очистки различных газов  и воздуха. При очистке газов  активный уголь также помещается в фильтры или адсорберы.

Экструдированный уголь выпускается с частицами в форме цилиндров диаметром от 0,8 до 5 мм, как правило, импрегнируется (пропитывается) специальными химическими веществами и применяется в катализе.

Ткани, пропитанные углем  выпускается различных форм и  размеров, наиболее часто применяются  для очистки газов и воздуха, например в автомобильных воздушных  фильтрах.

Основные  характеристики

Гранулометрический размер (гранулометрия) - размер основной части гранул активного угля. Единица измерения: миллиметры (мм), mesh USS (американская) и mesh BSS (английская). Сводная таблица преобразования размера частиц mesh USS – миллиметры (мм) приведена в соответствующем файле.