Активированный уголь

Очистки воды

Активированный уголь — используется во многих процессах очистки воды, пищевой промышленности, в химических технологиях.
Активированный уголь может быть получено из различного углесодержащего сырья — древесины, каменного и бурого угля, торфа и т.п.

Карбонизированная древесина

При промышленном производстве активированного угля в качестве сырья чаще всего используют уголь, скорлупу кокосовых орехов и древесину.

Активированная скорлупа кокосов

Сначала углесодержащее сырье подвергают карбонизации — обжигу при высокой температуре в инертной среде без доступа воздуха. При этом полученный карбонизат плохие адсорбционные качества, поскольку размеры его пор невелики и внутренняя площадь поверхности достаточно мала. Поэтому карбонизат подвергают активации для получения специфической структуры пор и улучшения адсорбционных свойств.

Активированный каменный уголь

Применение активированного угля:

очистки воды;
очистки воздуха;
очистки газов и химическая промышленность;
рекуперация растворителей;
фармацевтика;
пищевая промышленность;
золотодобывающая промышленность;
атомная промышленность;
производство противогазов.

Активированный уголь и химия

Активированный уголь с точки зрения химии – это одна из форм углерода с несовершенной структурой, практически не содержащая примесей, таких как: водород, азот, галогены, сера и кислород.
Несовершенная форма характеризуется высокой степенью пористости с порами, размер которых колеблется в широком диапазоне с пределами, различающимися более чем в 106 раз – от видимых трещин и щелей до различных брешей и пустот на молекулярном уровне. Именно высокий уровень пористости делает активированный уголь «активированным».
Внешний вид — черные аморфные гранулы или порошок, карбонизированного углеродистого материала различного размера и формы.
По своему химическому составу активированный уголь сходен с графитом, материалом, используемым в обычных карандашах. Активированный уголь, алмаз, графит – все это формы углерода, практически не содержащие примесей.
Межмолекулярное притяжение, существующее в порах угля, приводит к возникновению адсорбционных сил, которые по своей природе сродни силе гравитации с той лишь разницей, что действуют они на молекулярном, а не на астрономическом уровне. Называются они Ван-дер-Ваальсовы силы.
Эти силы вызывают реакцию, подобную реакции осаждения, при которой адсорбирующие вещества могут быть удалены из водных или газовых потоков.
Химические реакции и химические связи также могут возникать между адсорбирующими веществами и поверхностью активированного угля или неорганическими примесями. Эти процессы называются химической адсорбцией или хемосорбцией.
Однако именно процесс физической адсорбции происходит при взаимодействии активированного угля и адсорбирующего вещества.

Структура пор активированного угля

В активированных углях различают три категории пор: микро-, мезо- и макропоры. 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 исходные материалы для их получения. Активированные угли на основе скорлупы кокосов характеризуются большей долей микропор, а активированные угли на основе каменного угля — большей долей мезопор. Большая доля макропор характерна для активированных углей на основе древесины.

Активированный уголь

Адсорбция

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).
Эффективность угля как адсорбента зависит от величины его доступной площади поверхности. На эффективность адсорбции могут также влиять такие факторы, как размер молекул адсорбата, размер пор и гранул угля, температура и pH раствора.

Хемосорбция

Хемосорбция

Некоторые вещества слабо адсорбируются на поверхности обычных активированных углей. К числу таких веществ относятся аммиак, диоксид серы, пары ртути, сероводород, формальдегид, хлор, цианистый водород.
Для эффективного удаления таких веществ используются активированные угли, импрегнированные специальными химическими реагентами.
В настоящее время активированный уголь, в основном выпускается в следующих 4 формах.

Формы активированного угля

гранулированный активированный уголь;

гранулированный активированный уголь

порошковый активированный уголь;

порошковый активированный уголь

экструдированный активированный уголь (экструдер);

экструдированный активированный уголь (экструдер)

ткань пропитанная активированным углем.

ткань пропитанная активированным углем