Активоване вугілля - хімічна школа

Активоване вугілля

Активоване вугілля, короткий Вугілля, також лікувальне вугілля називається пористий, дрібнозернистий вуглець з великою внутрішньою поверхнею, який використовується як адсорбент у хімії, медицині, очищенні води та стічних вод, а також у вентиляції та кондиціонуванні. Застосовується у гранульованому або пресованому вигляді у формі таблеток (вуглецеві таблетки).

характеристики

Активоване вугілля в основному складається з вуглецю (переважно> 90%) з сильно пористою структурою. Пори з’єднані між собою, як губка (з відкритими порами). Внутрішня поверхня становить від 300 до 2000 м²/г вуглецю, тому внутрішня поверхня чотирьох грамів активованого вугілля приблизно відповідає площі футбольного поля. Щільність активованого вугілля знаходиться в межах від 0,2 до 0,6 г/см³.

Розмір пор та розподіл пор за розмірами поділяються на три порядки: мікропори (50 нм). [1]

Макропори є основними шляхами доступу газів або рідин углиб вугілля і практично не мають суттєвого значення для адсорбції. Більша частина адсорбції відбувається на вуглецевому матеріалі на поверхні мікропор. Ця область є ефективною поверхнею і визначає адсорбційні властивості вуглецю. Наступні дані показують розмір внутрішньої поверхні відносно об'єму активованого вугілля. У разі куба з довжиною ребра 1 см, внутрішня поверхня перевищує зовнішню поверхню більш ніж у 10000 разів.

В принципі, адсорбційність сполуки зростає разом із нею

збільшення молекулярної маси
збільшення кількості функціональних груп, таких як подвійні зв'язки або галогенні ліганди
збільшення поляризуваності молекули. [2]

Видобуток

Активоване вугілля виготовляється з рослинних, тваринних, мінеральних або нафтохімічних речовин. Вихідними матеріалами є z. B. деревина, торф, горіхові шкаралупи, буре або бітумне вугілля або пластмаси. Відповідно, він також відомий як біовугіль. Як деревне вугілля, лат. carbo animalis, називається активоване вугілля, яке виготовляється з крові тварин (кров'яне вугілля) або з кісток (кісткове вугілля). С Цукрове вугілля це активоване вугілля, яке виготовляється з глюкози або іншого цукру як вихідний продукт. [3]

Для виробництва та активації можна використовувати два процеси, а саме: [4]

активація газу та
хімічна активація

В Активація газу вже обвуглений матеріал обробляють в окислювальному газовому потоці, такому як водяна пара, вуглекислий газ, повітря або суміші цих газів. Оскільки це відбувається при температурах 800–1000 ° C, частина вуглецю газифікується за допомогою водного газового процесу. Це утворює пористий і високоактивний активоване вугілля.

При виготовленні с хімічна активація суміш неуглеродившейся сировини обробляють хімікатами. Як правило, це робиться за допомогою дегідратаційних агентів (наприклад, хлориду цинку, фосфорної кислоти) при 500-900 ° C або сухої дистиляції. Потім отримане таким чином неочищене активоване вугілля окисно активується при 700–1000 ° С водяною парою або вуглекислим газом, а іноді і повітрям. [5] Під час цієї активації частина вуглецю перетворюється на окис вуглецю, що створює додаткові пори та збільшує площу поверхні вуглецю [6] .

Для деяких цілей активоване вугілля обробляється (просочується) іншими хімічними речовинами, щоб поліпшити сепараційний ефект. Вугільний фільтр для дихальних фільтрів у протигазах покритий солями металів, що покращує сепараційний ефект для багатьох хімічних токсинів. Активоване вугілля із срібним покриттям особливо підходить для фільтрації питної води. Забруднення цих фільтрів під час роботи значною мірою пригнічується сріблом.

Сфери застосування

Очищення рідин і газів

Активоване вугілля в основному використовується як адсорбент для видалення небажаних речовин кольору, смаку та запаху з газів, парів та рідин. Великою перевагою активованого вугілля є те, що їх можна термічно реактивувати. Біологічна реактивація також можлива за допомогою активованого вугілля, що використовується для очищення стічних вод. [7]

Активоване вугілля в основному використовується у формі гранул, у вигляді порошку або у вигляді гранульованих речовин. На ринку також доступні тканини з активної вуглецю.

Наприклад, активоване вугілля видаляє:

Хлор, озон та інші речовини, що погіршують смак і запах, а також бактерії з води, підсолоджувачів, гліцерину та хімічних рідин
Фарбуючі речовини та забруднювачі з потоків рідини в хімічній або харчовій промисловості
Токсини з повітря (фільтри в протигазах, вентиляційні системи для резервуарів та укриттів, відпрацьоване повітря у виробничих системах)
Гексафторид урану з повітря в ядерній технології (виробництво палива)
Пари бензину із відпрацьованого повітря бакових систем
Хлоровані вуглеводні з відпрацьованого повітря та відпрацьованих газів z. Б. в хімчистці
Смола від сигаретного диму в сигаретних фільтрах
небажані аромати з горілки та інших спиртних напоїв
небажане забарвлення від білого рому та інших спиртних напоїв
Запах поту взуття (через устілки, що містять активоване вугілля)
Побічні продукти ферментації, такі як сивушні олії та складні ефіри пива
Забруднювачі в акваріумних та ставкових фільтрах
неприємні запахи вихлопного повітря із систем вентиляції приміщення
Тонкий пил, пилок та запахи у припливному повітрі транспортних засобів (див. Повітряний фільтр салону)

Активоване вугілля використовується при очищенні стічних вод для адсорбції з води адсорбованих, розчинених компонентів стічних вод. Цей етап процесу зазвичай застосовується лише тоді, коли більш дешеві методи, такі як біологічні процеси, осадження та флокуляція, не досягають мети. Цей метод також може бути використаний для очищення часткових потоків у промисловості з метою вилучення залишків. Стічні води текстильних барвників містять барвники, які часто можна видалити лише адсорбцією з активованим вугіллям. Це можна зробити економічно за допомогою біологічно регенерованого активованого вугілля. [7]

Іншим важливим застосуванням активованого вугілля є повітряні фільтри салону для автомобільної промисловості. Цей клас фільтрів застосовується в системах кондиціонування з середини 1990-х. Так звані комбіновані фільтри (це спеціальний клас повітряного фільтра салону) містять шар активованого вугілля, який фільтрує шкідливі гази з повітря і таким чином захищає пасажирів від цих забруднювачів. Для цієї програми щороку у всьому світі переробляється понад 5000 тонн активованого вугілля.

У витяжних лініях атомних електростанцій фільтри з активованим вугіллям використовуються як лінії затримки короткочасних радіоактивних благородних газів. Завдяки тимчасовій адсорбції благородні гази проходять через фільтруючі секції набагато повільніше, ніж решта відпрацьованого повітря. Радіоактивний розпад значно зменшує кількість радіоактивних благородних газів у відпрацьованому повітрі.

Обробка води також використовує адсорбцію на активованому вугіллі для очищення сирої води.

Завдяки своїй високій адсорбційній здатності активоване вугілля також може використовуватися в сорбційних насосах для генерування вакууму.

Активоване вугілля має обмежену вантажопідйомність. Регенерація зазвичай відбувається нагріванням до декількох сотень градусів Цельсія. З одного боку, частина вантажу (наприклад, органічні розчинники) випаровується, але інша частина також може коксуватися, і в цьому випадку активоване вугілля повинно бути реактивоване парою, як у процесі виробництва.

Медичне застосування

У медицині активоване вугілля в основному використовується для виведення токсинів із шлунково-кишкового тракту. При нешкідливих діарейних захворюваннях, напр. B. шлунково-кишковий грип (гастроентерит), зазвичай застосовують вугільні таблетки. У випадках отруєння активоване вугілля застосовується у великих кількостях для виведення всередину отруєних отрут, які перебувають у шлунково-кишковому тракті або піддаються ентерогепатичному циклу з організму. Дозування в таких випадках становить 0,5-1 г деревного вугілля на кілограм маси тіла у дорослої людини.

Харчовий барвник

Активоване вугілля використовується в харчовій промисловості як барвник E 153. E 153 використовується у концентратах фруктових соків, желе, джемах, кондитерських виробах та у чорних воскових покриттях для сиру.