Активированный уголь

Насыпная плотность - масса  материала, заполняющего единицу объема под действием собственного веса. Единица измерения - грамм на сантиметр  кубический (г/см³).

Площадь поверхности - площадь  поверхности твердого тела отнесенная к его массе. Единица измерения - квадратный метр к грамму угля (м²/г).

Твердость (или прочность) - все производители и потребители  активированного угля пользуются значительно  различающимися методиками определения  прочности. Большинство методик  основаны на следующем принципе: проба  активированного угля подвергается воздействию механической нагрузки, а мерой прочности служит количество образующихся при разрушении угля мелкой фракции или измельчение среднего размера. За меру прочности принимают  количество не разрушенного угля в  процентах (%).

Влажность - количество влаги, содержащееся в активном угле. Единица  измерения – проценты (%).

Зольность - количество золы (иногда считается только водорастворимая) в активном угле. Единица измерения – проценты (%).

рН водной вытяжки - значение рН водного раствора после кипячения в нем навески активного угля.

Защитное действие - измерение  времени адсорбции углем определенного  газа до начала пропускания минимальных  концентраций газа слоем активированного  угля. Данный тест применяют для  углей используемых для очистки  воздуха. Чаще всего активный уголь  тестируется по бензолу или четыреххлористому  углероду (он же тетрахлорметан CCl₄).

СТС адсорбция (адсорбция  по четыреххлористому углероду) - через  объем активированного угля пропускают четыреххлористый углерод, насыщение  происходит до постоянной массы, далее  получают количество адсорбированного пара, отнесенное к навеске угля в процентах (%).

Йодный индекс (адсорбция  йода, йодное число) - количество йода в  миллиграммах, которое может адсорбировать 1 грамм активированного угля, в  порошкообразной форме из разбавленного  водного раствора. Единица измерения  – мг/г.

Адсорбция по метиленовому голубому - количество миллиграммов метиленового голубого, поглощаемое одним граммом  активированного угля из водного  раствора. Единица измерения –  мг/г.

Обесцвечивание мелассы (мелассовое число или индекс, показатель по мелассе) - количество активированного угля в миллиграммах необходимое для 50 %-го осветления стандартного раствора мелассы.

Области применения

Активированный уголь  хорошо адсорбирует органические, высокомолекулярные вещества с неполярной структурой, например: растворители (хлорируемые  углеводороды), красители, нефть и  т. д. Возможности адсорбции увеличиваются  с уменьшением растворимости  в воде, с большей неполярностью структуры и увеличением молекулярной массы. Активированные угли хорошо адсорбируют пары веществ со сравнительно высокими температурами кипения (например, бензол С₆Н₆), хуже - летучие соединения (например, аммиак NH₃). При относительных давлениях пара р_р/р_нас менее 0,10-0,25 (р_р - равновесное давление адсорбируемого вещества, р_нас - давление насыщенного пара) активный уголь незначительно поглощает водяные пары. Однако при р_р/р_нас более 0,3-0,4 наблюдается заметная адсорбция, а в случае р_р/р_нас = 1 практически все микропоры заполнены водяными парами. Поэтому их наличие может осложнить поглощение целевого вещества.

Активированный уголь  широко применяют как адсорбент, поглощающий пары из газовых выбросов (например, при очистке воздуха  от сероуглерода CS₂), улавливания паров летучих растворителей с целью их рекуперации, для очистки водных растворов (например, сахарных сиропов и спиртных напитков), питьевой и сточных вод, в противогазах, в вакуумной технике, например для создания сорбционных насосов, в газоадсорбционной хроматографии, для заполнения запахопоглотителей в холодильниках, очистки крови, поглощения вредных веществ из желудочно-кишечного тракта и др. Активный уголь также может, является носителем каталитических добавок и катализатором полимеризации. Для придания активному углю каталитических свойств в макро- и мезопоры вносят специальные добавки.

С развитием промышленного  производства активного угля, применение этого продукта неуклонно возрастает. В настоящее время активированный уголь используется во многих процессах  очистки воды, пищевой промышленности, в процессах химических технологий. Кроме того, очистка отходящих  газов и сточных вод основана главным образом на адсорбции  активированным углем. А с развитием  атомных технологий, активированный уголь является основным адсорбентом  радиоактивных газов и сточных  вод на атомных электростанциях. В 20 веке применение активированного  угля появилось в сложных медицинских  процессах, например, гемофильтрация (очищение крови на активированном угле). Активированный уголь применяется:

• для водоподготовки (очистка воды от диоксинов и ксенобиотиков, углевание);
• в пищевой промышленности при производстве ликероводочных, слабоалкогольных напитков и пива, осветление вин, при производстве сигаретных фильтров, очистка углекислоты в производстве газированных напитков, очистка крахмалопаточных растворов, сахарных сиропов, глюкозы и ксилита, осветление и дезодорация масел и жиров, при производстве лимонной, молочной и других кислот;
• в химической, нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленностях для осветления пластификатов, в качестве носителя катализаторов, при производстве минеральных масел, химических реактивов и лакокрасочных материалов, в производстве каучука, в производстве химических волокон, для очистки аминовых растворов, для рекуперации паров органических растворителей;
• в природоохранной экологической деятельности для очистки промышленных стоков, для ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов, для очистки дымовых газов на мусоросжигательных заводах, для очистки вентиляционных газовоздушных выбросов;
• в  горнодобывающей и металлургической промышленностях для изготовления электродов, для флотации руд полезных ископаемых, для извлечение золота из растворов и пульп в золотодобывающей промышленности;
• в топливно-энергетической промышленности для очистки парового конденсата и котловых вод;
• в фармацевтической промышленности для очистки растворов при изготовлении медицинских препаратов, при производстве угольных таблеток, антибиотиков, кровезаменителей, таблеток «Аллохол»;
• в медицине для очистки организмов животных и людей от токсинов, бактерий, при очистке крови;
• в производстве средств индивидуальной защиты (противогазы, респираторы и т. д.);
• в атомной промышленности;
• для очистки воды в плавательных бассейнах и аквариумах.

Вода классифицируется как  сточная, грунтовая и питьевая. Характерной  особенностью этой классификации является концентрация загрязнителей, которые  могут быть растворителями, пестицидами  и/или галогено- углеводородами, типа хлорированных углеводородов. Различают следующие диапазоны концентрации, в зависимости от растворимости:

• 10-350 г/литр для питьевой воды,
• 10-1000 г/литр для грунтовых вод,
• 10-2000 г/литр  для сточных вод.

Водная обработка бассейнов  не соответствует этой классификации, так как здесь мы имеем дело с дехлорированием и деозонированием, а не с чистым адсорбционным удалением загрязнителя. Дехлорирование и деозонирование эффективно применяется при обработке воды плавательных бассейнов с применением активированного угля из кокосовой скорлупы, который имеет преимущества из-за большой адсорбционной поверхности и поэтому имеет превосходный дехлорирующий эффект с высокой плотностью. Высокая плотность позволяет обратному потоку, не вымывать активированный уголь из фильтра.

Гранулированный активированный уголь применяется в неподвижных  стационарных адсорбционных системах. Загрязненная вода течет через постоянный слой активированного угля (главным  образом сверху вниз). Для свободного функционирования этой адсорбционной  системы вода должна быть свободна от любых твердых частиц. Это можно  гарантировать соответствующей  предобработкой (например, посредством  песочного фильтра). Частицы, которые  попадают в неподвижный фильтр, могут  быть удалены встречным потоком  адсорбционной системы.

При многих производственных процессах испускаются вредные  газы. Эти ядовитые вещества не должны выделяться в воздух. Наиболее часто  встречающиеся в воздухе ядовитые вещества - растворители, которые являются необходимыми для производства материалов повседневного спроса. Для разделения растворителей (главным образом  углеводородов, типа хлорированных  углеводородов), активированный уголь  может успешно применяться из-за его водоотталкивающих свойств.

Воздушная очистка подразделяется на воздушную очистку загрязненного  воздуха и восстановление растворителей  в соответствии с количеством  и концентрацией загрязнителя в  воздухе. При высокой концентрации, дешевле восстанавливать растворители из активированного углерода (например, посредством пара). Но если ядовитые вещества существуют при очень низкой концентрации или в смеси, которая  не может быть многократно использована, применяется формованный активированный уголь одноразового использования. Формованный активированный уголь  применяется в неподвижных адсорбционных  системах. Загрязненные вентиляционные струи через постоянный слой угля проходят в одном направлении (главным  образом снизу вверх).

Одна из основных областей применения импрегнированного активированного  угля - очистка газов и воздуха. Загрязненный воздух в результате многих технических процессов содержит ядовитые вещества, которые не могут  быть полностью удалены посредством  обычного активированного угля. Эти  ядовитые вещества, главным образом - неорганические или нестабильные, полярные вещества, могут быть очень  ядовитыми даже при небольшой  концентрации. В этом случае применяется  импрегнированный активный уголь. Иногда различными промежуточными химическими  реакциями между компонентом  загрязнителя и активным веществом  в активированном угле, загрязнитель может быть полностью удален из загрязненного  воздуха. Импрегнируют (пропитывают) активированные угли серебром (для очистки питьевой воды), йодом (для очистки от двуокиси серы), серой (для очистки от ртути), щелочью (для очистки от газообразных кислот и газов - хлор, двуокись серы, двуокись азота и т. д.), кислотой (для очистки от газообразных щелочей и аммиака).

Регенерация

Так как адсорбция - обратимый  процесс и не изменяет поверхностный  или химический состав активированного  угля, загрязнители могут быть удалены  из активного угля посредством десорбции (выделение адсорбированных веществ). Сила Ван-дер-Вальса, которая является главной движущей силой в адсорбции, ослабляется, поэтому для того, чтобы загрязнитель мог быть удален с поверхности угля, применяются три технических метода:

• Метод температурных колебаний: эффект силы Ван-дер-Вальса уменьшается, при увеличении  температуры. Температура увеличивается за счет  горячего потока азота или увеличения давления пара при температуре 110-160 °C.
• Метод колебания давления: при уменьшении парциального давления, эффект силы Ван-Дер-Вальса уменьшается.
• Экстракция - десорбция в жидких фазах. Адсорбированные  вещества удаляются химически.

Все эти методы имеют неудобства, так как адсорбированные вещества не могут быть полностью удалены  с поверхности угля. Значительное количество загрязнителя остается в  порах активированного угля. При  использовании паровой регенерации, 1/3 часть всех адсорбированных веществ, все еще остается в активированном угле.

Под химической регенерацией понимают обработку сорбента жидкими  или газообразными органическими  или неорганическими реагентами при температуре, как правило, не выше 100 °С. Химически регенерируют как углеродные, так и не углеродные сорбенты. В результате этой обработки  сорбат либо десорбируется без изменений, либо десорбируются продукты его взаимодействия с регенерирующим агентом. Химическая регенерация часто протекает непосредственно в адсорбционном аппарате. Большинство методов химической регенерации узко специализированы для сорбатов определенного типа.

Низкотемпературная термическая  регенерация - это обработка сорбента паром или газом при 100-400 °С. Процедура  эта достаточно проста и во многих случаях ее ведут непосредственно  в адсорберах. Водяной пар вследствие высокой энтальпии чаще других используют для низкотемпературной термической  регенерации. Он безопасен и доступен в производстве.

Химическая регенерация  и низкотемпературная термическая  регенерация не обеспечивает полного  восстановления адсорбционных углей. Термическая регенерация процесс  весьма сложный, многостадийный, затрагивающий  не только сорбат, но и сам сорбент. Термическая регенерация приближена к технологии получения активных углей. При карбонизации сорбатов различного типа на угле большая часть примесей разлагается при 200-350 °С, а при 400 °С обычно разрушается около половины всего адсорбата. CO, CO₂, CH₄ - основные продукты разложения органического сорбата выделяются при нагревании до 350 - 600°С. В теории стоимость такой регенерации составляет 50 % стоимости нового активного угля. Это говорит о необходимости продолжения поиска и разработки новых высокоэффективных методов регенерации сорбентов.

Реактивация - полная регенерация  активированного углерода посредством  пара при температуре 600 °C. Загрязнитель сжигается при этой температуре, не сжигая уголь. Это возможно из-за низкой концентрации кислорода и  присутствия значительного количества пара. Водяной пар выборочно реагирует  с адсорбированной органикой, проявляющей  высокую реактивность в воде при  этих высоких температурах, при этом происходит полное сгорание. Однако при  этом нельзя избежать минимального сгорания угля. Эта потеря должна быть компенсирована новым углем. После реактивации  часто происходит так, что активированный уголь показывает большую внутреннюю поверхностную и более высокую  реактивность, чем оригинальный уголь. Эти факты обусловлены формированием  дополнительных пор и коксуемых  загрязнителей в активированном угле. Структура пор также изменяется – происходит их увеличение. Реактивация  выполняется в печи для реактивации. Есть три типа печей: ротационные, шахтные  и печи с изменяемым газовым потоком. Печь с изменяемым газовым потоком  имеет преимущества из-за низких потерь при сгорании и трении. Активированный уголь загружается в поток  воздуха и при этом газы сгорания могут быть унесены вверх через  решетку. Активированный уголь частично становится текучим благодаря интенсивному газовому потоку. Газы также транспортируют продукты сгорания при реактивации  из активированного угля в камеру дожигания. Воздух добавляется в  дожигатель, таким образом газы, которые не были полностью воспламенены, могут теперь быть сожжены. Температура увеличивается приблизительно до 1200 °C. После сгорания газ течет к газовому моечному аппарату, в котором газ охлаждается до температуры между 50-100 °C в результате охлаждения водой и воздухом. В этой камере соляная кислота, которая образуется адсорбированными хлоруглеводородами из очищенного активированного угля, нейтрализуется гидроокисью натрия. Благодаря высокой температуре и быстрому охлаждению не происходит образования ядовитых газов (типа диоксинов и фуранов).