Введение

Форма углерода с чрезвычайно высокой площадью поверхности.

Активированный уголь, также называемый активированным углем, является формой углерода, обычно используемой для фильтрации загрязняющих веществ из воды и воздуха, среди множества других применений. Он обрабатывается (активируется) для создания небольших пор с малым объемом, что значительно увеличивает площадь поверхности, доступную для адсорбции или химических реакций, которую можно представить как микроскопическую "губчатую" структуру. (Адсорбция, в отличие от абсорбции, – это процесс, при котором атомы или молекулы прилипают к поверхности). Активация аналогична приготовлению попкорна из сухих зерен кукурузы: попкорн легкий, воздушный, а его зерна имеют высокое отношение площади поверхности к объему. Иногда "активированный" заменяется на "активный". Благодаря своей высокой пористости в микроскопическом масштабе, один грамм активированного угля имеет площадь поверхности более , что определяется методом газовой адсорбции. Для древесного угля аналогичный показатель до активации составляет около 2–5 квадратных метров. Достаточный уровень активации можно получить только за счет большой площади поверхности. Дальнейшая химическая обработка часто улучшает адсорбционные свойства. Активированный уголь обычно получают из отходов, таких как кокосовая скорлупа; отходы бумажных фабрик также изучались в качестве источника. Эти объемные материалы сначала превращают в древесный уголь, а затем активируют. При получении из угля он применяется в емкостной деионизации, суперемкостной адсорбции, регенерации растворителей, декофеинировании, очистке золота, извлечении металлов, очистке воды, медицине, очистке сточных вод, воздушных фильтрах в респираторах, фильтрах для сжатого воздуха, отбеливании зубов, производстве хлористого водорода, съедобной электронике и многих других областях.

Промышленный

Одно из основных промышленных применений активированного угля – его использование в металлоотделочной промышленности для очистки гальванических растворов. Например, это основной метод очистки для удаления органических примесей из блестящих никелевых ванн. Различные органические химические вещества добавляются в гальванические растворы для улучшения качества наносимого покрытия и повышения таких свойств, как яркость, гладкость, пластичность и другие. В процессе пропускания постоянного тока и электролитических реакций анодного окисления и катодного восстановления органические добавки образуют нежелательные продукты разложения в растворе. Их избыточное накопление может негативно сказаться на качестве покрытия и физических свойствах осажденного металла. Обработка активированным углем удаляет эти примеси и восстанавливает характеристики гальванического процесса до требуемого уровня.

Медицинская

Активированный уголь используется для лечения отравлений и передозировок после перорального приема. Во многих странах таблетки или капсулы активированного угля применяются как безрецептурное средство для лечения диареи, несварения желудка и вздутия живота. Однако активированный уголь не оказывает влияния на кишечные газы и диарею, как правило, неэффективен при отравлениях, вызванных коррозионными веществами, борной кислотой или нефтепродуктами, и особенно неэффективен при отравлениях сильными кислотами или щелочами, цианидами, железом, литием, мышьяком, метанолом, этанолом или этиленгликолем. Активированный уголь не предотвращает всасывание этих химических веществ в организм. Он входит в Список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения. Неправильное применение (например, попадание в легкие) может привести к аспирации, которая в некоторых случаях может быть смертельной без немедленного медицинского вмешательства.

Аналитическая химия

Активированный уголь, в 50%-ной мас./мас. комбинации с целитом, используется в качестве стационарной фазы при низкодавленном хроматографическом разделении углеводов (моно-, ди- и трисахаридов) с использованием этанольных растворов (5–50%) в качестве подвижной фазы в аналитических или препаративных протоколах. Активированный уголь эффективен для экстракции прямых оральных антикоагулянтов (DOAC), таких как дабигатран, апиксабан, ривароксабан и эдоксабан, из образцов плазмы крови. С этой целью его прессуют в "мини-таблетки", каждая из которых содержит 5 мг активированного угля для обработки 1 мл образца, содержащего DOAC. Поскольку активированный уголь не влияет на факторы свертывания крови, гепарин или большинство других антикоагулянтов, это позволяет анализировать образец плазмы на предмет аномалий, которые в противном случае могли бы быть изменены под воздействием DOAC.

Очистка дистиллированных алкогольных напитков

Фильтры с активированным углем (AC-фильтры) могут использоваться для очистки водки и виски от органических примесей, влияющих на цвет, вкус и запах. Пропускание водки, содержащей органические примеси, через фильтр с активированным углем с подходящей скоростью потока позволит получить водку с тем же содержанием алкоголя и значительно более высокой органической чистотой, что определяется по запаху и вкусу.

Хранение топлива

Исследования проводятся для проверки способности различных активированных углей накапливать природный газ. Этот газ затем может быть десорбирован при воздействии более высоких температур и либо сжигаться для совершения работы, либо, в случае водорода, извлекаться для использования в водородном топливном элементе. Хранение газа в активированных углях – привлекательный метод, поскольку газ может храниться в условиях низкого давления, низкой массы и малого объема, что гораздо более целесообразно, чем громоздкие бортовые баллоны в транспортных средствах. Министерство энергетики США установило определенные цели в области исследований и разработок нанопористых углеродных материалов. Эти цели еще не достигнуты, однако многочисленные организации, включая программу ALL CRAFT,

Очистка ртутью

Активированный уголь, часто пропитанный серой или йодом, широко используется для улавливания выбросов ртути от угольных электростанций, медицинских мусоросжигательных заводов и природного газа непосредственно в скважинах. Однако, несмотря на свою эффективность, активированный уголь является дорогостоящим в использовании. Поскольку он часто не перерабатывается, отработанный активированный уголь, содержащий ртуть, представляет собой сложную проблему утилизации. Если активированный уголь содержит менее 260 ppm ртути, федеральные нормы США допускают его стабилизацию (например, заключение в бетон) для захоронения на полигонах. Однако отходы, содержащие более 260 ppm, классифицируются как отходы с высоким содержанием ртути и запрещены к захоронению на полигонах (Правило о запрете захоронения). Этот материал в настоящее время накапливается на складах и в заброшенных шахтах со скоростью около 100 тонн в год. Проблема утилизации активированного угля, насыщенного ртутью, не является уникальной для Соединенных Штатов. В Нидерландах ртуть в основном извлекается, а активированный уголь утилизируется путем полного сжигания с образованием углекислого газа.

Пищевая добавка

Активированный уголь пищевого качества стал популярным пищевым трендом в 2016 году, применяясь в качестве добавки для придания продуктам, таким как хот-доги, мороженое, основа для пиццы и бублики, лёгкого дымного привкуса и тёмного цвета. Людям, принимающим лекарственные препараты, включая противозачаточные таблетки и антидепрессанты, рекомендуется избегать употребления новых продуктов или напитков, содержащих активированный уголь в качестве красителя, так как он может снизить эффективность лекарств.

Фильтрация дыма

Активированный уголь используется в фильтрах для курения для снижения содержания смолы и других химических веществ, образующихся при сгорании. Установлено, что он уменьшает количество токсичных веществ в табачном дыме, особенно свободных радикалов. Гарри Марш и Франсиско Родригес Рейносо рассмотрели более 15 моделей структуры, но не пришли к однозначному выводу о том, какая из них верна. Недавние исследования с использованием аберрационно-корригированной просвечивающей электронной микроскопии показали, что активированный уголь может иметь структуру, схожую со структурой фуллеренов, содержащую пяти- и семиугольные углеродные кольца.

Классификация

Активированные угли – это сложные продукты, которые сложно классифицировать по их свойствам, характеристикам поверхности и другим фундаментальным критериям. Тем не менее, для общих целей применяется некоторая широкая классификация, основанная на их размере, методах производства и областях промышленного применения.

Активный уголь в порошке (АГК)

Как правило, активированный уголь (R1) производят в виде порошков или мелких гранул размером менее 1,0 мм, со средним диаметром от 0,15 до 0,25 мм. Это обеспечивает большую площадь поверхности на единицу объема и небольшое расстояние диффузии. Активированный уголь (R1) определяется как частицы активированного угля, задерживаемые на сите с 50 ячейками (0,297 мм). Порошкообразный активированный уголь (PAC) представляет собой более мелкий материал. PAC состоит из измельченных частиц угля, 95–100% которых проходят через сито с определенным размером ячеек. Согласно классификации ASTM, частицы, проходящие через сито с 80 ячейками (0,177 мм) и меньше, относятся к PAC. Использовать PAC в отдельном реакторе не принято из-за высокого гидравлического сопротивления, которое это вызовет. Вместо этого PAC обычно добавляют непосредственно в другие технологические установки, такие как водозаборники, смесительные камеры быстрого действия, отстойники и гравитационные фильтры.

Гранулярный активированный уголь (GAC)

Гранулярный активированный уголь (ГАК) имеет относительно больший размер частиц по сравнению с порошкообразным активированным углем и, следовательно, меньшую удельную поверхность. Диффузия адсорбируемого вещества является, таким образом, важным фактором. Эти угли подходят для адсорбции газов и паров, поскольку газообразные вещества быстро диффундируют. Гранулированные угли используются для фильтрации воздуха и очистки воды, а также для общей дезодорации и разделения компонентов в проточных системах и в камерах быстрого смешения. ГАК может быть получен в гранулированной или экструдированной форме. ГАК обозначается размерами, такими как 8×20, 20×40 или 8×30 для применения в жидкой фазе и 4×6, 4×8 или 4×10 для применения в паровой фазе. Уголь 20×40 состоит из частиц, которые проходят через сито с размером ячейки №20 по стандарту США (0,84 мм) (обычно указывается прохождение не менее 85%), но задерживаются на сите с размером ячейки №40 по стандарту США (0,42 мм) (обычно указывается удержание не менее 95%). AWWA (1992) B604 использует сито с 50 ячейками (0,297 мм) в качестве минимального размера ГАК. Наиболее популярными угольными сорбентами для водных сред являются размеры 12×40 и 8×30, поскольку они обеспечивают хороший баланс между размером, удельной поверхностью и гидравлическим сопротивлением.

Экструдированный активированный уголь (EAC)

Экструдированный активированный уголь (ЭАК) представляет собой смесь порошка активированного угля и связующего вещества, которые сплавляются и экструдируются в цилиндрические блоки активированного угля диаметром от 0,8 до 130 мм. Благодаря низкому перепаду давления, высокой механической прочности и низкому содержанию пыли, они преимущественно используются для очистки газовой фазы. Также продаются как фильтры CTO (удаление хлора, привкусов и запахов).

Активный уголь (BAC)

Активный уголь в гранулах (BAC) производится из нефтяного пека и поставляется в диаметрах от примерно 0,35 до 0,80 мм. Как и экструдированный активированный уголь (EAC), он также характеризуется низким перепадом давления, высокой механической прочностью и низким содержанием пыли, но имеет меньший размер гранул. Благодаря своей сферической форме, он предпочтителен для применения в псевдоожиженных слоях, таких как фильтрация воды.

Импрегнированный уголь

Пористые углероды, содержащие несколько типов неорганических пропиток, таких как йод и серебро. Также были получены катионы, такие как алюминий, марганец, цинк, железо, литий и кальций, для специфического применения в контроле загрязнения воздуха, особенно в музеях и галереях. Благодаря своим антимикробным и антисептическим свойствам, активированный уголь, пропитанный серебром, используется в качестве адсорбента для очистки питьевой воды. Питьевую воду можно получить из природной воды путем обработки природной воды смесью активированного угля и гидроксида алюминия (Al(OH)3), являющегося флоккулянтом. Пропитанные углероды также используются для адсорбции сероводорода (H2S) и тиолов. Сообщалось о скоростях адсорбции H2S до 50% от массы.

Углерод с полимерным покрытием

Это процесс, посредством которого пористый углерод может быть покрыт биосовместимым полимером для создания гладкого и проницаемого покрытия, не закупоривающего поры. Полученный углерод пригоден для гемоперфузии. Гемоперфузия – это метод лечения, при котором большие объемы крови пациента пропускают через адсорбирующее вещество с целью удаления токсичных веществ из крови.

Углеродный ткань

Существует технология переработки технического раянового волокна в активированный угольный флисовый материал для угольной фильтрации. Адсорбционная способность активированного флиса выше, чем у активированного угля (согласно теории БЭТ), площадь поверхности: 500–1500 м²/г, объем пор: 0,3–0,8 см³/г. Благодаря различным формам активированного материала, он может применяться в широком спектре областей (суперконденсаторы, поглотители запахов, индустрия защиты от CBRN и т.д.).

Количество йода

Многие углеродные материалы предпочтительно адсорбируют малые молекулы. Число йода – наиболее фундаментальный параметр, используемый для характеристики эффективности активированного угля. Оно является мерой уровня активности (более высокое число указывает на более высокую степень активации), обычно выражаемой в мг/г (типичный диапазон 500–1200 мг/г). Это показатель содержания микропор в активированном угле (от 0 до 20 Å, или до 2 нм), определяемый путем адсорбции йода из раствора. Это соответствует удельной поверхности углерода в диапазоне от 900 до 1100 м²/г. Это стандартный показатель для применений в жидкой фазе. Число йода определяется как количество миллиграммов йода, адсорбированного одним граммом угля, при концентрации йода в остаточном фильтрате 0,02 нормальной концентрации (т.е. 0,02 N). По сути, число йода отражает количество йода, адсорбированного в порах, и, следовательно, является индикатором объема пор, доступного в рассматриваемом активированном угле. Обычно активированные угли, используемые для очистки воды, имеют число йода от 600 до 1100. Часто этот параметр используется для определения степени выработки ресурса угля в процессе эксплуатации. Однако к этой практике следует относиться с осторожностью, поскольку химические взаимодействия с адсорбируемым веществом могут повлиять на поглощение йода, приводя к ошибочным результатам. Таким образом, использование числа йода в качестве меры степени выработки ресурса угольного слоя может быть рекомендовано только в том случае, если доказано отсутствие химических взаимодействий с адсорбатами и если для конкретного применения установлена экспериментальная корреляция между числом йода и степенью выработки ресурса.

Меласса

Некоторые углероды лучше поглощают крупные молекулы. Показатель мелассы или эффективность мелассы – это мера содержания мезопор в активированном угле (более 20 Å, или больше 2 нм), определяемая адсорбцией мелассы из раствора. Высокий показатель мелассы указывает на высокую адсорбцию крупных молекул (диапазон 95–600). Показатель обесцвечивания карамели (caramel dp) аналогичен показателю мелассы. Эффективность мелассы выражается в процентах (диапазон 40%–185%) и коррелирует с показателем мелассы (600 = 185%, 425 = 85%). Европейский показатель мелассы (диапазон 525–110) обратно пропорционален североамериканскому показателю мелассы. Показатель мелассы – это мера степени обесцвечивания стандартного раствора мелассы, разбавленного и стандартизированного относительно стандартизированного активированного угля. Ввиду размера окрашивающих веществ, показатель мелассы отражает потенциальный объем пор, доступный для более крупных адсорбируемых частиц. Поскольку не весь объем пор может быть доступен для адсорбции в конкретном применении при очистке сточных вод, и поскольку часть адсорбата может проникать в более мелкие поры, он не является хорошей оценкой пригодности конкретного активированного угля для конкретной задачи. Часто этот параметр полезен для оценки ряда активированных углей по скорости адсорбции. При сравнении двух активированных углей с одинаковым объемом пор для адсорбции, тот, у которого показатель мелассы выше, обычно имеет более крупные входные поры, обеспечивающие более эффективный перенос адсорбата в адсорбционное пространство.

Таннин

Таннины – это смесь крупных и средних по размеру молекул. Уголь, содержащий макропоры и мезопоры, адсорбирует танины. Способность угля адсорбировать танины выражается в концентрации, измеряемой в частях на миллион (в диапазоне от 200 ppm до 362 ppm).

Метиленовый синий

Некоторые углероды обладают мезопористой структурой (20 Å до 50 Å, или 2–5 нм), которая адсорбирует молекулы среднего размера, такие как краситель метиленовый синий. Адсорбция метиленового синего составляет от 11 до 28 г на 100 г (в диапазоне 11–28 г/100 г).

Дехлорирование

Некоторые активированные угли оцениваются по времени полураспада хлора, которое измеряет эффективность удаления хлора. Длина слоя, необходимого для снижения концентрации хлора на 50%, называется длиной полураспада дехлорирования. Меньшая длина полураспада указывает на более высокую эффективность.

Видимое количество

Плотность твердой фазы или скелетная плотность активированного угля обычно находится в диапазоне от 2000 до 2100 кг/м3 (125–130 фунтов/кубический фут). Однако значительная часть образца активированного угля состоит из воздушного пространства между частицами, поэтому фактическая или кажущаяся плотность будет ниже, как правило, от 400 до 500 кг/м3 (25–31 фунт/кубический фут). Более высокая плотность обеспечивает большую объемную активность и, как правило, свидетельствует о более высоком качестве активированного угля. Кажущаяся плотность активированного угля определяется по стандарту ASTM D 2854-09 (2014).

Твердость/номер стержневого оттенка

Это показатель устойчивости активированного угля к истиранию. Это важный индикатор, характеризующий способность активированного угля сохранять свою физическую целостность и противостоять силам трения. Твердость активированных углей значительно различается в зависимости от исходного сырья и степени их активности (пористости).

Содержание пепла

Пепел снижает общую активность активированного угля и уменьшает эффективность его реактивации. Его количество зависит исключительно от исходного сырья, используемого для производства активированного угля (например, кокосовой скорлупы, древесины, угля и т.д.). Окислы металлов (Fe2O3) могут вымываться из активированного угля, вызывая обесцвечивание. Содержание пепла, растворимого в кислоте или воде, более существенно, чем общее содержание пепла. Содержание растворимого пепла особенно важно для аквариумистов, поскольку оксид железа может стимулировать рост водорослей. Для морских, пресноводных аквариумов и рифовых систем следует использовать активированный уголь с низким содержанием растворимого пепла, чтобы избежать отравления тяжелыми металлами и чрезмерного роста растений и водорослей. Содержание пепла в активированном угле определяется с помощью стандартного метода испытаний ASTM (D2866).

Активность тетрахлорида углерода

Измерение пористости активированного угля посредством адсорбции насыщенного пара тетрахлорида углерода.

Распределение размеров частиц

Чем меньше размер частиц активированного угля, тем лучше доступ к площади поверхности и тем выше скорость кинетики адсорбции. В системах газовой фазы это необходимо учитывать в связи с перепадом давления, который влияет на энергозатраты. Тщательное рассмотрение распределения частиц по размерам может дать значительные эксплуатационные преимущества. Однако, при использовании активированного угля для адсорбции минералов, таких как золото, размер частиц должен быть в определенном диапазоне. Активированный уголь с размером частиц менее 1 мм не подходит для элюирования (извлечения минералов из активированного угля).

Гетерогенный катализатор

Наиболее часто встречающаяся в промышленности форма химисорбции происходит, когда твердый катализатор взаимодействует с газообразным сырьем, реагентом/реагентами. Адсорбция реагента/реагентов на поверхности катализатора образует химическую связь, изменяя электронную плотность вокруг молекулы реагента и позволяя ей вступать в реакции, которые в обычных условиях были бы недоступны.

Реактивация и регенерация

Реактивация или регенерация активированного угля заключается в восстановлении адсорбционной способности насыщенного активированного угля посредством десорбции адсорбированных загрязняющих веществ с его поверхности.