Химическая продукция - Активированный уголь
Коротко о главном
Что такое активированный уголь?
На сегодняшний день активированный уголь является достаточно распространенным и широко применяющимся адсорбентом во многих отраслях. Активные угли представляют собой углеродные тела с пористой структурой, благодаря чему и обеспечиваются его высокие сорбционные свойства – способность впитывать в себя те или иные вещества из жидкостей и газов, очищая их от ненужных элементов. Чем пористее структура активированного угля, тем лучше его сорбционные свойства.
Активированный уголь имеет многовековую историю. Он известен своими характеристиками с древнейших времен. Еще древние египтяне сумели разгадать уникальные свойства активных углей, который в те далекие времена применялся лишь в медицине. Немного позднее в Древнем Риме активированный уголь стал применяться для очистки жидкостей: воды, вина, пива и т.д. Сегодня активный уголь по праву занимает лидирующую позицию среди других фильтрующих веществ.
Активированный уголь также называемый активированным углеродом или карболеном является формой углерода, который в процессе обработки становится чрезвычайно пористым и таким образом приобретает очень большую площадь поверхности, предназначенную для адсорбции или химических реакций.
Слово "активированный" иногда заменяется на "активный". Из-за его высокой степени микропористости, всего 1 грамм активированного угля имеет площадь поверхности больше 500 квадратных метров (приблизительно одна десятая часть площади футбольного поля), что определяется как правило адсорбцией газа азота. Достаточная активация угля для полезного применения может быть обусловлена исключительно высокой площадью поверхности, хотя дальнейшая химическая обработка часто увеличивает абсорбирующие свойства материала.
Размер 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.
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
Активированный уголь- это уголь, произведенный из исходных материалов, в основе которых есть углерод, а именно, из ореховой скорлупы, торфа, древесины, волокна кокосовой пальмы, линита, угольных и нефтяных смол. Он может быть изготовлен одним из следующих процессов:
Физическая реактивация: основа преобразуется в активированный углерод посредством газов. Это происходит при использовании одного или комбинации процессов:
Коксование: материал с углеродистым содержанием подвергается пиролизу при температурах в диапазоне 600-900 °C в отсутствие кислорода (обычно в инертной атмосфере с газами как аргон или азот)
Активация/Окисление: Сырье или коксуемый материал помещаются в окисляющиеся атмосферы (угарный газ, кислород, или пар) при температурах выше 250 °C, обычно в диапазоне температуры 600-1200 °C.
Химическая активация: До коксования сырье пропитывается определенными химическими веществами. Как правило, используется кислота, сильное основание, или соль (фосфорическая кислота, гидроокись калия, гидроокись натрия, цинковый хлорид, соответственно). Тогда, сырье коксуется при более низких температурах (450-900 °C). Считается, что коксование / шаг активации возобновляет одновременно химическую активацию. Химическая активация предпочтена физической активации вследствие более низких температур и более короткого времени, необходимого для того, чтобы активировать материал.
КЛАССИФИКАЦИЯ
Активированный уголь - комплексный продукт, который трудно классифицировать на основе его свойств, поверхностных особенностей и методов подготовки. Однако, некоторая широкая классификация сделана для общей цели, основанной на его физических характеристиках.
Порошковый активированный уголь
Традиционно, активированный уголь изготавливается специально в виде порошка или микро гранул размером меньше 1.0 мм в размере со средним диаметром в диапазоне 0.15-0.25 мм [2] Таким образом, такие частицы имеют большую поверхность относительно объема с маленьким расстоянием распространения. Порошковый уголь составливается из дробленых или измельченных углеродистых частиц, 95-100 % которых проходят через определенное сито или решето.
Гранулированный активированный уголь
Гранулированный активированный уголь имеет относительно больший размер частицы по сравнению с порошковым активированным углем и, следовательно, имеет меньшую площадь поверхности. Распространение адсорбата - также важный фактор. Поэтому этот вид угля предпочтителен для адсорбции газов и паров, поскольку их уровень распространения быстрее. Гранулированный уголь используется для обработки воды, газоулавливания и разделения компонентов в системе по пути потока. Гранулированный активированный уголь может быть или в гранулированной форме или формованный. Он определяется размерами фракцией: 8×20, 20×40 или 8×30 для жидкой фазы веществ и 4×6, 4×8 или 4×10 для парообразной фазы веществ. Уголь фракцией 20×40 изготавливается из частиц, которые пройдут через "Американское стандартное решето" размером ячейки № 20 (0.84 мм) (определенный для прохождения 85 % угольной массы), но будет удержан на решете американского стандарта размером ячейки № 40 (0.42 мм) (определенный для удерживания 95 % угольной массы).
Прессованный активированный уголь
Прессованный активированный уголь комбинирует порошковый активированный уголь со связующим веществом, которые сплавлены вместе и прессованы в активированный угольный блок цилиндрической формы с диаметрами от 0.8 до 130 мм. Они, главным образом, используются для газовой фазы веществ из-за их малого снижения давления, высокой механической прочности и низкого содержания пыли.
Импрегнированный (пропитанный) уголь
Пористый уголь, содержащий несколько типов неорганического пропиток, таких как иод, серебро, катионы, такие как аллюминий, марганец, цинк, железо, литий, кальций, были также подготовлены для определенного применения по контролю за загрязнением воздуха. Из-за антибактериальных/антисептических свойств, активированный уголь, импрегнированный серебром, используется в качестве адсорбента для очистки питьевой воды. Питьевая вода может быть получена из обычной, рассматривая естественную воду со смесью активированного угля и Al(ОН)3 - выпадающего хлопьями агента. Импрегнированный углерод также используется для адсорбции H2S.
Покрытый полимером уголь
Суть процесса заключается в покрытии угля биологически совместимым полимером в целях придания сглаженного и водопроницаемого покрытия, не блокируя поры. Получающийся уголь полезен для гемоперфузии. Гемоперфузия - техника лечения, при которой большие объемы крови пациента передаются по адсорбирующему веществу, чтобы удалить токсичные вещества из крови.
Другие
Активированный уголь также доступен в специальных формах, таких как ткани и волокна. "Углеродистая ткань" например используется в спедствах защиты вооруженных сил.
СВОЙСТВА АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ
Грамм активированного угля может иметь площадь поверхности от 500 до 1500 квадратных метров рабочей площади. Углеродистые аэрогели, будучи еще более дорогими, имеют еще большие площади поверхности, и используются в специальных целях.
Под электронным микроскопом удалось рассмотреть большие структуры площади поверхности активированного угля. Отдельные частицы являются сильно замысловатыми и показывают различные виды пористости; может быть много областей, где плоские поверхности подобного графиту материала расположены параллельно друг другу, отделенные только несколькими миллимикронами или около этого. Эти микропоры обеспечивают превосходные условия для адсорбции, а адсорбируемые материалы могут взаимодействовать со многими поверхностями одновременно. Тесты адсорбционного поведения обычно проводятся с газом азота при температуре 5 °C в вакууме, но обычно для активированного угля используют эквивалент, проводя адсорбцию в среде пара при температуре 100 °C и давлении 1/10,000 атмосферы.
Джеймс Дево, ученый, в честь которого называют сосуд Дюара (Термос), провел много времени, изучая активированный уголь, и опубликовал работу относительно ее поглотительной способности относительно газов. В этой работе он обнаружил, что охлаждение угля к температурам жидкого азота позволило ему поглощать существенное количество многочисленных воздушных газов среди других, которые можно было тогда восстановить, просто позволив углю снова нагреться и что уголь на основе кокосового ореха имел более сильный эффект. Он использует кислород в качестве примера, при котором активированный уголь как правило поглощал бы его концентрацию в атмосфере (21 %) при стандартных условиях, но высвобождал бы более чем 80% кислорода, если бы уголь был сначала охлажден до низких температур.
Физически активированный уголь связывает материалы силой Ван-дер-Ваальса или лондонской силой дисперсии.
Активированный уголь не взаимодействует достаточно хорошо с определенными химическими соединениями, включая спирты, гликоли, сильные кислоты и основания, металлы и большинство органики, таких как литий, натрий, железо, свинец, мышьяк, фтор и борная кислота.
Активированный уголь очень хорошо адсорбирует йод и поэтому появилось понятие Йодный индекс, мг/г, (Американское общество по испытанию материалов, тест Метода Стандарта D28) используемый в качестве признака общей площади поверхности.
Вопреки заявлениям, распространенным по Интернету, активированный уголь не поглощает аммиак.
Угарный газ не достаточно хорошо поглощается активированным углем. Это должно представлять особый интерес для тех, кто использует материалы в фильтрах для респираторов, улавливателей дыма или других газовых систем управления, поскольку этот газ невозможно обнаружить чувствами человека, будучи ядовитым и нейротоксическим для организма.
Активированный угль может использоваться в качестве основания для улучшения адсорбционной способности различных химических веществ для некоторых неорганических составов, таких как водородный сульфид (H2S), аммиак (NH3), формальдегид (HCOH), йод радиоизотопов 131 (131I) и ртуть (Гектограмм). Эта способность известна как хемосорбция.
Йодный индекс
Большая 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 (ангстрем), или до 2 нм), что эквивалентно площади поверхности углерода между 900 м²/g и 1100 м²/g. Это стандартная мера при использовании активированного угля для очистки веществ в жидкой фазе.
Йодный индекс определяется как миллиграмм йода, адсорбированного на один грамм углерода, когда концентрация йода в остаточном фильтрате 0.02 нормальна. В основном йодный индекс - мера йода, адсорбированного в порах и, как таковой признак объема поры, доступного в активированном угле. Как правило, при углеродистой очистке воды йодный индекс находится в пределах 600 - 1100. Этот параметр часто используется, чтобы определить степень истощения углерода в процессе его использовании. Однако, такая практика должна быть рассмотрена с осторожностью, поскольку химическое взаимодействие с адсорбатом может затронуть показания йода, дав тем самым ложные результаты. Таким образом, использование йодного индекса как меры степени истощения углеродистого слоя может только быть рекомендовано если он был свободен от химических взаимодействий с адсорбатами и если экспериментальная корреляция между йодным индексом и степенью истощения была определена для особого назначения.
Меласса
Некоторые виды углерода обладают лучшей способностью адсорбирования больших молекул. Число мелассы или эффективность мелассы - мера мезопор содержания активированного угля (больше чем 20 Å (ангстрем), или больше чем 2 нм). Высокое число мелассы указывает на высокую адсорбцию больших молекул (диапазон 95-600). Об эффективности мелассы говорят как процент (диапазон 40 %-185 %), так и число мелассы (600 = 185 %, 425 = 85 %). Европейское число мелассы (диапазон 525-110) обратно пропорционально связано с североамериканским числом мелассы.
Число мелассы - мера степени осветления стандартного раствора патоки сахара, при котором она была растворена и стандартизирована против чистого активированного угля. Из-за размера цветных тел, число мелассы представляет потенциальный объем поры, доступный для больших разновидностей адсорбирования. Поскольку весь объем поры, возможно, не доступен для адсорбции в особом применении сточных вод, и поскольку часть адсорбата может войти в меньшие поры, это не достаточная мера ценности специального активированного угля для определенного назначения. Часто, этот параметр полезен в оценке серии активного угля для их показателей адсорбции. Сравнивая два активированных угля с подобными объемами пор для адсорбции, у того, который имеет более высокое число мелассы, обычно поры будут больше для поглощения, приводящие к более эффективной передаче адсорбата в адсорбционное пространство.
Танин
Танины - смесь молекул большого и среднего размера. Углерод с комбинацией макропор и мезопор адсорбирует танины. О способности углерода адсорбировать танины сообщают в частях за миллион концентрации (диапазон 200-362 миллионных долей).
Синий метилен
Некоторые виды углерода имеют мезапоры (от 20 Å до 50 Å, или 2 - 5 нм) в структуре, которые адсорбируют молекулы среднего размера, такие метилен голубой. Адсорбция метилена голубого измеряется в г/100г (диапазон 11-28 г/100г).
Дехлорирование
Некоторые виды углерода оцениваются на основаии дехлорирования, которое показывает эффективность удаления хлора активированным углеродом.
Очевидная плотность
Более высокая плотность обеспечивает большую активность и обычно показывает на лучшее качество активированного угля.
Твердость
Это 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.
Зольность
Содержание золы уменьшает общую способность активированного угля. Она уменьшает эффективность реактивации. Металлические окиси (Fe2O3) могут быть выщелочены из активированного угля, приводящего к обесцвечиванию. Допустимое содержание золы может быть очень важным для аквариумистов, поскольку окись железа может способствовать водорослевому росту. Уголь с низким разрешимым содержанием золы должен использоваться для морской, пресноводной рыбы и аквариумов с кораллами, чтобы избежать отравления тяжелым металом и лишнего роста водорослей.
Гранулометрический состав
Чем больше размер частицы активированного угля, тем лучше доступ к площади поверхности и быстрее уровень адсорбции. В системах фазы пара это нужно учитывать при снижения давления, которое затронет затраты энергии. Внимательное рассмотрение гранулометрического состава может обеспечить существенную операционную выгоду.
ПРИМЕРЫ АДСОРБЦИИ
Гетерогенный катализ
Форма хемосорбции, с которой обычно сталкиваются в промышленности, происходит, когда твердый катализатор взаимодействует с газообразным сырьем для промышленности (реагентами). Адсорбция реагентов на поверхность катализатора создает химическую связь, изменяя электронную плотность вокруг молекулы реагента и позволяя ей подвергнуться реакциям, которые обычно им не были доступны.
Адсорбционное охлаждение
Адсорбционное охлаждение и циклы теплового насоса полагаются на адсорбцию охлаждающего газа в адсорбент в низком давлении и последующей десорбции, нагреваясь. Адсорбент действует как "химический компрессор", которым движет высокая температура, и, с этой точки зрения, "насоса" системы. Он состоит из солнечного коллектора, конденсатора или теплообменника и испарителя, который помещен в коробку холодильника. Внутренняя часть коллектора выровнена с адсорбционным слоем, заполненной активированным углем, адсорбированным с метанолом. Коробка холодильника изолирована и заполнена водой. Активированный уголь может адсорбировать большое количество паров метанола в окружающей температуре и выделить ее при более высокой температуре (приблизительно 100 градусов Цельсия). В дневное время свет освещает коллектор, таким образом, коллектор подогревается, и метанол выделяется из активированного угля. В десорбции жидкий метанол, адсорбированный в древесном угле, нагревается и испаряется. Пар метанола уплотняется и сохраняется в испарителе.
Ночью уменьшается температура коллектора по отношению к окружающей температуре, и древесный уголь адсорбируют метанол от испарителя. Жидкий метанол в испарителе испаряется и поглощает тепло от воды, содержавшейся в подносах. Так как адсорбция - процесс высвобождения высокой температуры, коллектор должен быть охлажден достаточно эффективно ночью. Как упомянуто выше, адсорбционная система охлаждения работает неустойчивым способом из-за влияния охлаждения.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
РЕГЕНЕРАЦИЯ
Регенерация активированного угля представляет собой восстановление адсорбционной способности влажного активизированного угля, выделяя адсорбированные загрязнители на поверхности активированного угля.
Тепловая регенерация
Наиболее распространенной техникой регенерации, используемой в производственных процессах, является тепловая регенерация. Тепловой процесс регенерации состоит из трех шагов:
Адсорбент высушивается приблизительно при температуре 105 °C
Десорбция высокой температуры и разложение (500-900°C) в инертной атмосфере без доступа кислорода
Остаточная органическая газификация окисляющимся газом (пар или углекислый газ) при повышенных температурах (800°C)
Стадия термообработки использует экзотермическую природу адсорбции и приводит к десорбции, частичному разрушению и полимеризации адсорбированной органики. Заключительный шаг стремится удалять обугленный органический остаток, сформированный в пористой структуре на предыдущей стадии и повторно выстроить пористую углеродистую структуру, восстанавливающую ее оригинальные поверхностные особенности. После этой процедуры адсорбционная колонка может снова использоваться. В процессе тепловой адсорбции цикла регенерации 5-15 % веса слоя углерода сжигается, приводя к потере адсорбционной способности. Тепловая регенерация - энергоемкий процесс из-за необходимости в высоких температурах, делающих его коммерчески дорогим процессом. Заводы, которые полагаются на тепловую регенерацию активированного угля, должны иметь определенную мощность прежде, чем это будет экономически целесообразно, чтобы иметь локальные средства для регенерации.
Другие методы регенерации
Текущие проблемы с соотношением энергозатрат/стоимости тепловой регенерации активированного угля поощрили исследования относительно альтернативных методов регенерации уменьшить воздействие на окружающую среду таких процессов. Хотя несколько из процитированных методов регенерации остались областями просто научного исследования, некоторые альтернативы тепловым системам регенерации использовались в промышленности. Текущие альтернативные методы регенерации:
- Защита от абразивного износа
- Конвейерные ленты SAVA
- Механические соединения для транспортерной ленты
- Гидроциклоны
- Резиновые трубопроводы
- Термопластичный полиуретан(Десмопан)
- Гидроизоляция и антикоррозийная защита
- Вентиляторы для промышленных печей
- Химическая продукция
- Конвейерные полимерные ролики серии Опенгеймер-Т
