Что такое активированный уголь?

УНИВЕРСИТЕТ 19 МАЯ, Химический факультет
Благодарность Доценту, Доктору Ахмету Уяныку

АКТИВИРОВАННЫЙ УГОЛЬ

Активированный уголь с очень пористой структурой является наиболее важным и наиболее часто используемым промышленным адсорбентом из используемых в настоящее время адсорбентов, который используется для контроля загрязнения окружающей среды.
В промышленных масштабах и торговле, активированный уголь, получаемый путем активации обработанных атомов углерода, добывается из угля, торфа, бурого угля, каменного угля, кости, скорлупы кокосового ореха, коричневого риса и нефтепродуктов.

В начале 1900 года был выдан патент, который лег в основу нынешнего производства активированного углерода. Этот патент, даже сейчас, по-прежнему описывает два основных принципа действующего производства активированного угля, это химическая активация или активация газа. После 1920 годов впервые для очистки воды стали использовать активированный уголь, но это не получило широкого применения. Запах хлорфенолов в питьевой воде в Германии в 1927 году создал большую проблему, таким образом, использование активированного угля в процессе очистки водопроводной воды приобрел широкое применение. В 1929 году, в работах Хам Вотера активированный уголь был использован в гранулированном виде, в 1930 году, Харрисоном в Мичиган – Сити он использовался в виде порошка, Спалдингом в 1929 году для устранения запаха в питьевой воде также был использован активированный уголь. Уже к 1932 году 400 заводов в США, а к 1943 году 1200 заводов используют активированный уголь в борьбе с нежелательными запахами.

Общие характеристики активированного угля

Активированный уголь - общий термин, используемый для описания семейства углеродных адсорбентов, которые имеют большую кристаллическую форме и очень пористую внутреннюю структуру. Активированный уголь безвреден для здоровья человека, он является полезным продуктом и имеет большую площадь внутренней поверхности и пористую структуру. С помощью молекул и ионов активированного угля (адсорбента), помещенного в раствор через внутреннюю поверхность пор можно вытянуть загрязненные частицы.

Площадь Поверхности

Внутренняя поверхность активированного угля (активированной поверхности) по БЭТ (метод нахождения площади поверхности пористого твердого тела) измеряется в м 2 / г. Площадь поверхности рассчитывается с помощью использование газа азота (N2). Для очистки воды, внутренняя площадь поверхности активированных углеродных частиц должна составлять около 1000 м2/г. Фактор размера площади поверхности активированного угля является важным для эффективного очищения от загрязненных частиц. В принципе, считается, что чем больше площадь поверхности, тем больше центров адсорбции. Числовые значения, связанные с площадью поверхности и порами активированного угля приведены ниже.
Численные значения, связанные с площадью поверхности и порами активированного угля.
Площадь поверхности: 400-1600 м2 / г (BET N2)
Объем пор:> 30 м3 / 100г
Ширина сетки: 0,3 нм 1000 нм
Поверхность углеродных частиц твердого вещества, газа и жидкости образуют тонкую пленку, т.е. является адсорбентом. Существует две основные причины для использования активированного угля в качестве адсорбента.

1- Поверхность активированного угля притягивает и собирает загрязняющие вещества

2- Активированный уголь имеет большую поверхность

Размер пор

Другой параметр, который является эффективным в устранении загрязнения, является размер пор. Определение размера пор является очень полезным способом для понимания свойств углерода. Поры могут быть цилиндрической или конической формы. На изображении показаны структуры пор активированного угля, которые сфотографированы с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Структура пор активированного угля. Фотографии были сделаны с помощью ПЭМ.

Размеры пор должны соответствовать диаметру частиц примесей для эффективного их удаления. Поскольку сила притяжения между углеродом и адсорбированными молекулами больше, чем между молекулами, близкими по молекулярному размеру пор. Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) различает 4 адсорбента, в зависимости от радиуса пор.

1- Макропоры (r > 25 нм)

2- Мезо поры (1 <r <25 нм)

3- Микропоры (0,4 <r <1 нМ)

4- Суб микропоры (r <0,4 нм) могут быть классифицированы. (Рис 2)

Рисунок 2: Схематическая модель активированного угля

Система пор активированного угля для адсорбции и десорбции, схематически показана на рисунке 2. Микропоры составляют значительную часть внутренней поверхности активированного угля (~ 95%). Макропоры, являются относительно важными составными при процессе адсорбции, так как они необходимы в качестве канала для быстрой диффузии по направлению вещества в микропоры. Через макропоры активированного угля происходит поглощение загрязненных частиц, они проходят через все уровни пор и в конце через прохождение микропор происходит адсорбция.

Виды активированного угля

В настоящее время лучшим средством для очистки сточных вод является активированный уголь, полученный из угля и различных природных материалов. К ним относятся: уголь, древесный уголь, торф, бурый уголь, дерево, кость, кокос, орехи, рисовая шелуха, фруктовые ядра, нефтепродукты. Активированный уголь, полученный из этих материалов, как правило, твердый и плотный. Воду можно использовать долгое время, она не портится. Активированный уголь имеет различные характеристики. Это:

1. Порошкообразный активированный уголь
2. Гранулированный активированный уголь
3. Активированный уголь в виде гранул

Активированный уголь в виде порошка получают после химической активации углерода. В настоящее время активированный уголь наиболее широко применяется при очистке сточных вод. Гранулированные продукты, изготовленные путем активации газа, используются при очистке газа. При очистке сточных вод при помощи гранулированного активированного угля дает очень хорошие результаты. Гранулированный и порошковый активированный уголь дает превосходные результаты при очистке органических и неорганических веществ. Активированный уголь используют в течение многих лет для биологической очистки сточных вод и промышленных отходов органического происхождения.

Методы активации

Для производства активированного угля, используются все материалы с маленьким содержанием угля путем различных методов активации. Этими процессами активации являются химическая активация и активация с использованием газа.

Химическая активация

Этот метод обычно используется для получения активированного угля из торфа и древесины. Сырьем, которое участвует в активации углерода, является хлорид цинка, насыщенная фосфорная кислота или гидроксид калия. Затем для того, чтобы начался процесс активации, углерод нагревают до 500-800 ° С. Полученный активированный уголь промывают, сушат и измельчают в порошок. Активированный уголь, полученный с помощью химической активации имеет очень большой пористую структуру и, как правило, используется для адсорбции крупных молекул.

Активация при помощи газа

Этот метод активации часто используется при активации угля из фруктовых корок. Сырье сначала подвергают процессу карбонизации. При этом процессе образуются углеродных продуктов с маленьким размером пор. Затем процесс активации продолжается в атмосфере инертного газа в диапазоне температур 800-1100 ° C. Таким образом, после начальной стадии карбонизации материала, происходит его преобразование в газовой фазе с водно-газовой реакцией и поры увеличиваются в размере и количестве.

C + H20 ® CO + H2 -175,440 кДж/(кг /моль)
Эта реакция является эндотермической и тепло для реакции поддерживается, при частичном сгорании образуется СО и Н2.
2CO + O2 ® 2CO2 + 393,790 кДж/(кг /моль)
2H2 + O2 ® 2H2O + 396,650 кДж/(кг /моль)

Полученный активированный уголь разделяется , просеивается и используется в виде порошка. Активированный уголь, полученный путем газовой активации, имеет хорошую пористую структуру. Активированный уголь, полученный таким образом, эффективно используется для адсорбции молекул и ионов газа.

АДСОРБЦИОННЫЙ МЕТОД АКТИВАЦИИ

Адсорбция определяется как увеличение накопления и концентрации вещества на поверхности в промежуточной секции. Промежуточные соединения, которые используются в сельском хозяйстве, помещаются в жидкость, где происходит контакт твердого вещества с жидкостью. Растворение соединений при помощи активированного угля происходит в три этапа:

1. Поглощение вещества и его фильтрация через внешнюю поверхность адсорбента.
2. Вещество, образованное на внешней поверхности, проходят процесс диффузии в промежуточных порах углерода адсорбирующего вещества.
3. Адсорбция раствора на внутренней поверхности адсорбента.

Также процесс адсорбции происходит в три основных этапа. Эти:

а) Диффузная пленка: молекулы адсорбируются в растворимую форму путем их поглощения на поверхность углеродных частиц в пленке.
б) Поры диффузии: растворенные молекулы мигрируют в углеродных порах.
в) Процесс адгезии: Растворенные молекулы, прилипают к поверхности углеродных пор, т.е. происходит адгезия.

Типы адсорбции

Процесс адсорбции при помощи активированного угля проходит в трех различных процессах.

Физическая адсорбция

Если очистка осуществляется с помощью адсорбции неспецифическими силами Ван-дер-Ваальса, это называется физической адсорбцией. Этот тип адсорбции является обратимым в термодинамическом смысле. Низкотемпературная адсорбция характеризуется пониженной температурой и степень ее эффективности уменьшается с ростом температуры.

Химическая адсорбция

Происходит химическая реакция между молекулами адсорбента и адсорбата. Эта реакция обратима и идет с выделением тепла. С ростом температуры роль хемосорбции в общем процессе адсорбции возрастает.

Электростатическая адсорбция

Адсорбция в растворе из активированного угля происходит путем получения адсорбированными веществами электрического заряда и определяется как эффект сил тяжести. То есть отрицательно заряженные частицы углерода адсорбируют положительно заряженные молекулы вещества, которые проходят через диффузионные барьеры при электрическом напряжении между ионами и, следовательно, повышают эффективность адсорбции.

Восстановление адсорбции

В процессе адсорбции, на поверхности адсорбента накапливаются молекулы и остается меньше места для адсорбции новых молекул, и, в конечном итоге адсорбция теряет свою эффективность. Восстановление характеристик адсорбента для процесса очистки называют процессом реинтеграции ''восстановлением''. После процесса восстановления, физическая сила активированного угля возвращается и является достаточной для продолжения процесса адсорбции. Но с течением времени, тепловая диффузия, из-за фрагментации активной структуры углерода уменьшается и окисляется.

Процессы адсорбции десорбции на твердой фазе

Адсорбция, процесс, при котором растворенное вещество, адсорбированное на поверхности, прилипает к твердому адсорбенту. Связь между активными частицами, называемыми адсорбентами и поверхностными силами на атомах не крепкие. Чужеродные молекулы занимают место на определенном участке поверхности адсорбента. Материалы адсорбированные на поверхности адсорбента вытесняют адсорбированные материалы с поверхности адсорбирующего вещества. Таким образом, адсорбируемые материалы смещаются с поверхность углерода. При химической адсорбции, адсорбированное вещество с функциональными группами может возникнуть в результате взаимодействии с адсорбентом при образовании стабильной связи. Десорбционные явления, из химически адсорбированного материала является более подходящим для физически адсорбированного материала. Процессы адсорбции и десорбции на твердой фазе схематически показаны на рисунке 3.