Що таке активоване вугілля?

Активоване (активне) вугілля - це вуглецевий сорбент, вироблений промисловим способом. Активне вугілля має нормовані показники якості. Стандартами або технічними умовами виробництва задаються сорбційна ємність, питома площа пор активованого вугілля, розміри частинок і ряд інших показників.

Головне в активованому вугіллі – це пори.

Активне вугілля має пористу структуру і велику внутрішню поверхню. Завдяки цим властивостям активоване вугілля знаходить застосування в якості сорбенту. Активоване вугілля в змозі затримувати на внутрішній поверхні пор молекули забрудників під час очищення води, повітря, рідин і газів.

Об'єм пор активованого вугілля, за визначенням, перевищує 0.2 мл/г; внутрішня поверхня – понад 400 кв. м/р. Пори можуть мати розмір від 0.3 нанометрів до декількох тисяч нанометрів (1 нанометр = 10-9 м).

Структура активованого вугілля

Молекулярна структура активованого вугілля містить вуглець у вигляді платформ або кілець з декількох атомів. Вони утворюють стінки молекулярних пор активованого вугілля. Зазвичай кільця мають розриви. Саме через цей структурний дефект і можуть відбуватися реакції в місцях розриву кільця.

Пори активного вугілля класифікують по діаметру:

• Мікропори активованого вугілля - менш ніж 1 нанометр.
• Мезопори активованого вугілля - від 1 до 25 нанометрів.
• Макропори активованого вугілля - понад 25 нанометрів.

Сировина для виробництва активного вугілля

Активоване вугілля може бути виготовлене з будь-якого вуглецевмісного матеріалу. В основному активне вугілля виробляють з кокосового лушпиння – кокосове активоване вугілля, кам'яного вугілля - мінеральне активоване вугілля або деревини - деревне активоване вугілля.

Виробництво активованого вугілля

Виробництво активованого вугілля з малопористої сировини полягає в його активації, подрібненні і розсіві по фракціях. Саме при активації утворюється структура, яка містить велику кількість пор. У виробництві спеціальних марок активного вугілля можуть бути присутні й інші операції.

Методи активації вугілля

Застосовують два методу активації при виробництві активованого вугілля:

• Парова активація

Активація водяною парою при 700 – 900 °C. Пори утворюються у внутрішній структурі активованого вугілля, у результаті утворюється дрібнопористе активоване вугілля. При паровій активації відбувається часткове окислення вугілля.

• Хімічна активація

Сировина змішується зі зневоднювальною субстанцією (кислота або цинковий хлорид) і нагрівається до 400 – 600 °C. В результаті утворюється грубопористе активоване вугілля, що використовується, наприклад, для знебарвлення.

Адсорбція і десорбція

Накопичення речовин у порах сорбенту називають адсорбцією. Адсорбція відбувається при проходженні газу або рідини через активоване вугілля. Десорбція – виокремлення з сорбенту речовин накопичених у процесі адсорбції.

Розрізняють фізичну адсорбцію і хемосорбцію:

• Фізична адсорбція відбувається переважно у результаті дії сили Ван-дер-Ваальса, а хімічні властивості адсорбованих речовин не змінюються. Фізична адсорбція оборотна, адсорбовані речовини можуть бути відокремлені від сорбенту.
• При хемосорбції речовина вступає з сорбентом в хімічну реакцію. Змінюються як його хімічні властивості, так і властивості сорбенту. Хемосорбція має незворотний характер.

Речовини, адсорбовані активованим вугіллям

Активованим вугіллям можуть адсорбуватися органічні та неполярні речовини, такі як розчинники, хлоровані вуглеводні, барвники, нафту та нафтопродукти. Краще адсорбуються високомолекулярні речовини і речовини з неполярною структурою.

Можливості сорбції активованим вугіллям збільшуються зі зменшенням розчинності речовини у воді для речовин з неполярною структурою і зі збільшенням молекулярної маси.

Графічне представлення адсорбції активованим вугіллям у вигляді адсорбційної ізотерми

Адсорбцію, як функцію концентрації речовини, яка має бути адсорбована, представляють у вигляді ізотерми. Ізотерма описує рівновагу між речовиною в рідині або в повітрі, яка має бути адсорбована (залишкова концентрація), і адсорбованою речовиною в активованому вугіллі (максимальна кількість за цієї залишкової концентрації). Зазвичай максимальна ємність збільшується із збільшенням початкової концентрації.