Активированный уголь - Activated carbon

Активированный уголь

Активированный уголь, также называемый активированный уголь, это форма углерод обработаны, чтобы иметь маленькие поры небольшого объема, которые увеличивают площадь поверхности[1][2] доступны для адсорбция или же химические реакции.[3] Активирован иногда заменяется на активный.

Из-за высокой степени микропористости один грамм активированного угля имеет площадь поверхности более 3000 м 2.2 (32000 кв. Футов)[1][2][4] как определено газом адсорбция.[1][2][5] Уровень активации, достаточный для полезного применения, может быть получен только на большой площади поверхности. Дальнейшая химическая обработка часто улучшает адсорбционные свойства.

Активированный уголь обычно получают из уголь. Когда получено из каменный уголь[1][2] это упоминается как активированный уголь. Активированный кокс происходит от кокс.

Использует

Активированный уголь используется в метан и водород место хранения,[1][2] очистка воздуха, восстановление растворителя, удаление кофеина, очистка золота, добыча металла, очистка воды, лекарство, очистка сточных вод, воздушные фильтры в респираторы, фильтры сжатого воздуха, отбеливание зубов, производство хлористый водород и многие другие приложения.

Промышленное применение

Одно из основных промышленных применений включает использование активированного угля в отделке металлов для очистки гальванических растворов. Например, это основной метод очистки для удаления органических примесей из растворов для блестящего никелирования. В гальванические растворы добавляются различные органические химические вещества для улучшения их отложений и улучшения таких свойств, как яркость, гладкость, пластичность и т. Д. Из-за прохождения постоянного тока и электролитических реакций анодного окисления и катодного восстановления органические добавки образуют нежелательные продукты разрушения. в растворе. Их чрезмерное наращивание может отрицательно сказаться на качестве покрытия и физических свойствах наплавленного металла. Обработка активированным углем удаляет такие загрязнения и восстанавливает характеристики покрытия до желаемого уровня.

Медицинское использование

Основная статья: Активированный уголь (лекарство)
Активированный уголь для медицинского применения

Активированный уголь используется для лечения отравления и передозировки после устного проглатывание. Таблетки или капсулы с активированным углем используются во многих странах в качестве лекарственного средства, отпускаемого без рецепта врача. понос, несварение желудка, и метеоризм. Однако активированный уголь не влияет на кишечные газы и диарею и, как правило, неэффективен с медицинской точки зрения, если отравление произошло в результате проглатывания коррозионных агентов, борной кислоты, нефтепродуктов, и особенно неэффективен против отравлений. сильные кислоты или же щелочь, цианид, утюг, литий, мышьяк, метанол, этиловый спирт или же этиленгликоль.[6] Активированный уголь не препятствует проникновению этих химикатов в организм человека.[7] Это на Список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения, самые безопасные и эффективные лекарства, необходимые в система здоровья.[8]

Неправильное приложение (например, в легкие ) приводит к легочная аспирация, что иногда может привести к летальному исходу, если не начать немедленное лечение.[9]

Приложения аналитической химии

Активированный уголь, в 50% ж / б сочетание с целит, используется как стационарная фаза при низком давлении хроматографический разделение углеводы (моно-, ди-, три-сахариды ) с помощью этиловый спирт растворы (5–50%) в виде Мобильная фаза в аналитических или препаративных протоколах.

Активированный уголь полезен для извлечения пероральных антикоагулянтов прямого действия (DOAC), таких как дабигатран, апиксабан, ривароксабан и эдоксабан, из образцов плазмы крови.[10] С этой целью его превратили в «минитаблетки», каждая из которых содержит 5 мг активированного угля для обработки 1 мл образцов DOAC. Поскольку этот активированный уголь не влияет на факторы свертывания крови, гепарин или большинство других антикоагулянтов. [11] это позволяет анализировать образец плазмы на предмет отклонений, на которые в противном случае влияют DOAC.

Экологические приложения

Активированный уголь обычно используется в системах фильтрации воды. На этом рисунке активированный уголь находится на четвертом уровне (считается снизу).

Углерод адсорбция имеет множество приложений для удаления загрязняющие вещества из воздушных или водных потоков как в полевых условиях, так и в промышленных процессах, таких как:

На раннем этапе реализации Закона о безопасной питьевой воде 1974 года в США официальные лица EPA разработали правило, согласно которому в системах очистки питьевой воды должен использоваться гранулированный активированный уголь. Из-за своей высокой стоимости так называемое правило GAC встретило сильное сопротивление по всей стране со стороны предприятий водоснабжения, включая крупнейшие предприятия водоснабжения в Калифорнии. Следовательно, агентство отменило правило.[13] Фильтрация активированным углем - эффективный метод очистки воды благодаря своей многофункциональности. Существуют определенные типы методов и оборудования фильтрации с активированным углем, которые указаны в зависимости от загрязнителей.[14]

Активированный уголь также используется для измерения концентрации радона в воздухе.

Сельское хозяйство использует

Активированный уголь (древесный уголь) - разрешенное вещество, используемое фермерами-органиками в обоих животноводство и виноделие. В животноводстве он используется как пестицид, кормовая добавка для животных, технологическая добавка, несельскохозяйственный ингредиент и дезинфицирующее средство.[15] В органическом виноделии активированный уголь разрешается использовать в качестве технологического агента для адсорбции коричневых цветных пигментов из концентратов белого винограда.[16]Иногда используется как biochar.

Очистка дистиллированных алкогольных напитков

Смотрите также: Процесс округа Линкольн

Фильтры с активированным углем (фильтры переменного тока) могут использоваться для фильтрации водка и виски из органический примеси, которые могут повлиять на цвет, вкус и запах. Пропуск водки с органическими загрязнениями через фильтр с активированным углем с правильной скоростью потока приведет к получению водки с идентичным содержанием спирта и значительно повышенной органической чистотой, судя по запаху и вкусу.[нужна цитата ]

Хранение топлива

В настоящее время проводятся исследования способности различных активированных углей накапливать натуральный газ[1][2] и водородный газ.[1][2] Пористый материал действует как губка для разных типов газов. Газ притягивается к углеродному материалу через Силы Ван-дер-Ваальса. Некоторым углям удалось достичь энергии связи 5–10 кДж на моль. Затем газ может быть десорбирован при воздействии более высоких температур и либо сожжен для выполнения работы, либо в случае выделения газообразного водорода для использования в водородный топливный элемент. Хранение газа в активированном угле является привлекательным методом хранения газа, потому что газ можно хранить в условиях низкого давления, малой массы и небольшого объема, что было бы гораздо более осуществимо, чем громоздкие бортовые резервуары высокого давления в транспортных средствах. В Министерство энергетики США определил определенные цели, которые должны быть достигнуты в области исследования и разработки нанопористых углеродных материалов. Все цели еще предстоит достичь, но многочисленные учреждения, включая программу ALL-CRAFT,[1][2][17] продолжают вести работы в этом перспективном направлении.

Очистка газа

Фильтры с активированным углем обычно используются при очистке сжатого воздуха и газов для удаления масло пары, запах и прочее углеводороды с воздуха. В наиболее распространенных конструкциях используется одноступенчатый или двухступенчатый принцип фильтрации, при котором активированный уголь залит внутри фильтрующего материала.

Фильтры с активированным углем используются для удержания радиоактивных газов в воздухе, откачиваемом из конденсатора турбины ядерного реактора с кипящей водой. Большие угольные пласты адсорбируют эти газы и удерживают их, в то время как они быстро распадаются на нерадиоактивные твердые частицы. Твердые частицы улавливаются частицами древесного угля, в то время как фильтрованный воздух проходит через них.

Химическая очистка

Активированный уголь обычно используется в лабораторных масштабах для очистки растворов от органических молекул, содержащих нежелательные цветные органические примеси.

Фильтрация через активированный уголь используется в крупномасштабных тонких химических и фармацевтических процессах с той же целью. Уголь либо смешивают с раствором, затем отфильтровывают, либо иммобилизуют на фильтре.

Очистка ртутью

Активированный уголь, часто с добавлением серы[18] или йод, широко используется для улавливания выбросов ртути из угольные электростанции, медицинские мусоросжигательные заводы, и из натуральный газ на устье. Этот углерод представляет собой специальный продукт, стоимость которого превышает 4 доллара США за кг.[нужна цитата ]

Поскольку активированный уголь, содержащий ртуть, часто не перерабатывается, возникает дилемма утилизации.[19] Если активированный уголь содержит менее 260 частей на миллион ртути, федеральные правила США позволяют стабилизировать его (например, замочить в бетоне) для захоронения.[нужна цитата ] Однако отходы, содержащие более 260 частей на миллион, относятся к подкатегории с высоким содержанием ртути и запрещены к захоронению (Правило запрета на землю).[нужна цитата ] В настоящее время этот материал накапливается на складах и в глубоких заброшенных шахтах примерно 100 тонн в год.[нужна цитата ]

Проблема утилизации активированного угля, содержащего ртуть, не является уникальной для Соединенных Штатов. В Нидерландах эта ртуть в значительной степени восстанавливается.[нужна цитата ] а активированный уголь утилизируется путем полного сгорания с образованием диоксида углерода (CO2).

Производство

Активированный уголь - это уголь, производимый из углеродсодержащих исходных материалов, таких как бамбук, кокосовая шелуха, ива. торф, дерево, кокосовое волокно, лигнит, каменный уголь, и нефтяной пек. Его можно получить одним из следующих способов:

  1. Физическая активация: Исходный материал превращается в активированный уголь с помощью горячих газов. Затем вводится воздух, чтобы выжечь газы, создавая сортированный, просеянный и очищенный от пыли форму активированного угля. Обычно это делается с помощью одного или нескольких из следующих процессов:
    • Карбонизация: Материал с содержанием углерода пиролизованный при температурах в диапазоне 600–900 ° C, обычно в инертной атмосфере с такими газами, как аргон или же азот
    • Активация / окисление: Сырье или карбонизированный Материал подвергается воздействию окислительной атмосферы (кислорода или пара) при температурах выше 250 ° C, обычно в диапазоне температур 600–1200 ° C.
  2. Химическая активация: Углеродный материал пропитан определенными химическими веществами. Химическое вещество обычно кислота, сильный основание,[1][2] или соль[20] (фосфорная кислота 25%, гидроксид калия 5%, едкий натр 5%, хлорид кальция 25%, и хлорид цинка 25%). Затем уголь подвергается воздействию более низких температур (250–600 ° C). Считается, что температура активирует углерод на этой стадии, заставляя материал открываться и иметь больше микроскопических пор. Химическая активация предпочтительнее физической активации из-за более низких температур, лучшего качества консистенции и более короткого времени, необходимого для активации материала.

Классификация

Активированные угли представляют собой сложные продукты, которые трудно классифицировать на основе их поведения, характеристик поверхности и других фундаментальных критериев. Тем не менее, существует некоторая широкая классификация для общих целей, основанная на их размере, способах приготовления и промышленном применении.

Активированный уголь в порошке

Смотрите также: Обработка порошкообразным активированным углем
А микрофотография активированного угля (R 1) под светлое поле освещение на оптический микроскоп. Обратите внимание на фрактал -подобная форма частиц, намекающая на их огромную площадь поверхности. Каждая частица на этом изображении, несмотря на то, что ее диаметр составляет всего около 0,1 мм, может иметь площадь поверхности в несколько квадратных сантиметров. Все изображение покрывает область размером примерно 1,1 на 0,7 мм, а версия с полным разрешением имеет масштаб 6,236 пикселей /мкм.

Обычно активированные угли (R 1) производятся в виде частиц в виде порошков или мелких гранул размером менее 1,0 мм со средним диаметром от 0,15 до 0,25 мм. Таким образом, они имеют большое отношение поверхности к объему с малым диффузионным расстоянием. Активированный уголь (R 1) определяется как частицы активированного угля, задержанные на сите 50 меш (0,297 мм).

Материал PAC - более тонкий материал. PAC состоит из измельченных или измельченных частиц углерода, 95–100% которых проходят через определенный сетка сита. В ASTM классифицирует частицы, проходящие через сито 80 меш (0,177 мм) и меньше, как PAC. Использование PAC в отдельном судне не является обычным из-за высокой потеря головы это могло произойти. Вместо этого PAC обычно добавляют непосредственно в другие технологические установки, такие как водоприемники сырой воды, бассейны быстрого смешивания, отстойники и гравитационные фильтры.

Гранулированный активированный уголь

А микрофотография активированного угля (GAC) под растровый электронный микроскоп

Гранулированный активированный уголь (GAC) имеет относительно больший размер частиц по сравнению с порошкообразным активированным углем и, следовательно, имеет меньшую внешнюю поверхность. Таким образом, диффузия адсорбата является важным фактором. Эти угли подходят для адсорбция газов и паров, потому что они быстро диффундируют. Гранулированный уголь используется для очистка воды, дезодорация и разделение компонентов проточной системы, а также используются в бассейнах быстрого смешивания. GAC может быть в гранулированном или экструдированном виде. GAC обозначается такими размерами, как 8 × 20, 20 × 40 или 8 × 30 для жидкой фазы и 4 × 6, 4 × 8 или 4 × 10 для паровой фазы. Углерод 20 × 40 состоит из частиц, которые проходят через сито № 20 по стандарту США (0,84 мм) (обычно указывается прохождение 85%), но задерживаются на сите по стандарту США № 40 (0,42 мм). ) (обычно указывается как 95% сохраненных). AWWA (1992) B604 использует сито 50 меш (0,297 мм) в качестве минимального размера GAC. Наиболее популярными углями в водной фазе являются размеры 12 × 40 и 8 × 30, поскольку они имеют хороший баланс размера, площади поверхности и потеря головы характеристики.

Экструдированный активированный уголь (EAC)

Экструдированный активированный уголь (EAC) объединяет порошкообразный активированный уголь со связующим, которые сплавлены вместе и экструдируются в блок активированного угля цилиндрической формы диаметром от 0,8 до 130 мм. Они в основном используются в газовой фазе из-за низкого падения давления, высокой механической прочности и низкого содержания пыли. Также продается как фильтр CTO (хлор, вкус, запах).

Активированный уголь в виде шариков (BAC)

Активированный уголь в виде шариков (ВАС) изготавливается из нефтяного пека и поставляется в диаметрах приблизительно от 0,35 до 0,80 мм. Подобно EAC, он также отличается низким перепадом давления, высокой механической прочностью и низким содержанием пыли, но с меньшим размером зерна. Его сферическая форма делает его предпочтительным для применений с псевдоожиженным слоем, таких как фильтрация воды.

Пропитанный уголь

Пористые угли, содержащие несколько типов неорганической пропитки, такие как йод, серебро, катионы такие как Al, Mn, Zn, Fe, Li, Ca также были подготовлены для специального применения в загрязнение воздуха контроль особенно в музеях и галереях. Активированный уголь, содержащий серебро, благодаря своим антимикробным и антисептическим свойствам используется в качестве адсорбента для очистки бытовой воды. Питьевую воду можно получить из природной воды, обработав природную воду смесью активированного угля и Al (ОН)3, а флокулянт. Пропитанные угли также используются для адсорбции сероводорода (ЧАС2S ) и тиолы. Скорости адсорбции H2Сообщалось, что содержание S достигает 50% по весу.[нужна цитата ]

Углерод с полимерным покрытием

Это процесс, с помощью которого пористый углерод может быть покрыт биосовместимым полимер для получения гладкого и проницаемого покрытия, не забивая поры. Полученный углерод полезен для гемоперфузия. Гемоперфузия - это метод лечения, при котором большие объемы крови пациента пропускаются над адсорбирующим веществом для удаления токсичных веществ из крови.

Ткань из активированного угля

Тканый углерод

Существует технология переработки технического вискозного волокна в ткань из активированного угля для угольная фильтрация. Адсорбционная способность активированной ткани больше, чем у активированного угля (Теория ставок ) площадь поверхности: 500–1500 м2/ г, объем пор: 0,3–0,8 см3/грамм)[нужна цитата ]. Благодаря различным формам активированного материала его можно использовать в широком спектре приложений (суперконденсаторы, поглотители запахов, CBRN-защита промышленность и др.).

Характеристики

Грамм активированного угля может иметь площадь поверхности более 500 м 2.2 (5400 кв. Футов), из них 3000 м2 (32 000 квадратных футов) легко достижимы.[2][4][5] Углерод аэрогели, будучи более дорогими, имеют еще большую площадь поверхности и используются в специальных приложениях.

Под электронный микроскоп, выявлены структуры активированного угля с большой площадью поверхности. Отдельные частицы сильно запутаны и демонстрируют различные виды пористость; может быть много участков, где плоские поверхности графит -подобные материалы идут параллельно друг другу,[2] разделены всего несколькими нанометрами или около того. Эти микропоры обеспечить превосходные условия для адсорбция происходить, поскольку адсорбирующий материал может взаимодействовать со многими поверхностями одновременно. Тесты адсорбционного поведения обычно проводятся с азот газ при 77 K под высоким вакуум, но в повседневных условиях активированный уголь вполне способен производить эквивалент, адсорбируя из окружающей среды, жидкую воду из пар при 100 ° C (212 ° F) и давлении 1/10 000 атмосфера.

Джеймс Дьюар, ученый, в честь которого Дьюар (термос ), потратил много времени на изучение активированного угля и опубликовал статью о его адсорбционной способности по отношению к газам.[21] В этой статье он обнаружил, что охлаждение угля до температур жидкого азота позволяет ему адсорбировать значительные количества многочисленных газов воздуха, среди прочего, которые затем можно было бы восстановить, просто дав углю снова нагреться, и что уголь на основе кокосового ореха лучше для эффект. Он использует кислород в качестве примера, в котором активированный уголь обычно адсорбирует атмосферную концентрацию (21%) при стандартных условиях, но выделяет более 80% кислорода, если уголь сначала охлаждают до низких температур.

Физически активированный уголь связывает материалы сила Ван дер Ваальса или же Лондонская дисперсионная сила.

Активированный уголь плохо связывается с некоторыми химическими веществами, включая спирты, диолы, сильный кислоты и базы, металлы и большинство неорганика, Такие как литий, натрий, утюг, вести, мышьяк, фтор, и борная кислота.

Адсорберы с активированным углем йод очень хорошо. Йодная емкость, мг / г, (ASTM D28 Standard Method test) может использоваться как показатель общей площади поверхности.

Окись углерода плохо адсорбируется активированным углем. Это должно вызывать особую озабоченность у тех, кто использует материал в фильтрах для респираторов, вытяжных шкафов или других систем газового контроля, поскольку газ не обнаруживается человеческими органами чувств, токсичен для метаболизма и нейротоксичен.

Подробные списки обычных промышленных и сельскохозяйственных газов, адсорбируемых активированным углем, можно найти в Интернете.[22]

Активированный уголь можно использовать в качестве субстрата для нанесения различных химикатов для улучшения адсорбционной способности некоторых неорганических (и проблемных органических) соединений, таких как сероводород (ЧАС2S), аммиак (NH3), формальдегид (HCOH), Меркурий (Hg) и радиоактивные йод-131 (131Я). Это свойство известно как хемосорбция.

Йодное число

Многие атомы углерода преимущественно адсорбируют небольшие молекулы. Йодное число является наиболее фундаментальным параметром, используемым для характеристики характеристик активированного угля. Это мера уровня активности (большее число указывает на более высокую степень активации[23]) часто указывается в мг / г (типичный диапазон 500–1200 мг / г). Это мера содержания микропор активированного угля (от 0 до 20Å, или до 2нм ) адсорбцией йода из раствора, что эквивалентно площади поверхности углерода от 900 до 1100 м 2.2/g. Это стандартная мера для жидкой фазы.

Йодное число определяется как миллиграммы йода. адсорбированный на один грамм углерода, когда концентрация йода в остаточном фильтрате составляет 0,02 нормального (т. е. 0,02 N). В основном, йодное число является мерой йода, адсорбированного в порах, и, как таковое, является показателем объема пор, доступного в интересующем активированном угле. Как правило, угли для очистки воды имеют йодное число от 600 до 1100. Часто этот параметр используется для определения степени истощения используемого угля. Однако к этой практике следует относиться с осторожностью, поскольку химические взаимодействия с адсорбат может влиять на поглощение йода, давая ложные результаты. Таким образом, использование йодного числа в качестве меры степени истощения углеродного слоя может быть рекомендовано только в том случае, если было показано, что он свободен от химических взаимодействий с адсорбатами и если экспериментальная корреляция между йодным числом и степенью истощения имеет было определено для конкретного приложения.

Меласса

Некоторые виды углерода лучше адсорбируют большие молекулы.Количество патоки или эффективность патоки является мерой мезопора содержание активированного угля (более 20 Å, или больше 2 нм ) путем адсорбции патоки из раствора. Высокое число патоки указывает на высокую адсорбцию больших молекул (диапазон 95–600). Карамель dp (обесцвечивающая способность) аналогична количеству патоки. Эффективность патоки выражается в процентах (диапазон 40–185%) и параллельна количеству патоки (600 = 185%, 425 = 85%). Европейское число патоки (диапазон 525–110) обратно пропорционально числу патоки в Северной Америке. .

Число мелассы - это мера степени обесцвечивания стандартного раствора мелассы, который был разбавлен и стандартизирован относительно стандартизированного активированного угля. Из-за размера цветных тел число патоки представляет собой потенциальный объем пор, доступный для более крупных адсорбирующих частиц. Поскольку весь объем пор может быть недоступен для адсорбции при конкретном применении сточных вод, и поскольку часть адсорбата может проникать в более мелкие поры, это не является хорошим показателем ценности конкретного активированного угля для конкретного применения. Часто этот параметр используется для оценки скорости адсорбции ряда активных углей. При наличии двух активных углей с одинаковым объемом пор для адсорбции тот, который имеет большее количество мелассы, обычно будет иметь более крупные питающие поры, что приведет к более эффективному переносу адсорбата в адсорбционное пространство.

Танин

Танины представляют собой смесь молекул большого и среднего размера. Углерод с комбинацией макропоры и мезопоры адсорбировать таннины. Способность угля адсорбировать дубильные вещества указывается в концентрациях миллионных долей (диапазон 200–362 частей на миллион).

Метиленовый синий

Некоторые атомы углерода имеют мезопоры (20 Å до 50 Å или от 2 до 5 нм) структура, которая адсорбирует молекулы среднего размера, такие как краситель метиленовый синий. Адсорбция метиленового синего указывается в г / 100 г (диапазон 11–28 г / 100 г).

Дехлорирование

Некоторые углеродные углеводороды оцениваются на основе дехлорирование Период полураспада, который измеряет эффективность удаления хлора активированным углем. Длина половинного значения дехлорирования - это глубина залегания углерода, необходимая для снижения уровня хлора в текущем потоке с 5 до 3,5 частей на миллион. Меньшая длина половинного значения указывает на превосходную производительность.

Кажущаяся плотность

Плотность твердого вещества или скелета активированного угля обычно составляет от 2000 до 2100 кг / м3.3 (125–130 фунтов на кубический фут). Однако большая часть образца активированного угля будет состоять из воздушного пространства между частицами, поэтому фактическая или кажущаяся плотность будет ниже, обычно от 400 до 500 кг / м 2.3 (25–31 фунт / куб. Фут).[24]

Более высокая плотность обеспечивает большую объемную активность и обычно указывает на более качественный активированный уголь. ASTM D 2854-09 (2014) используется для определения кажущейся плотности активированного угля.

Число твердости / истирания

Это мера устойчивости активированного угля к истиранию. Это важный индикатор активированного угля для поддержания его физической целостности и противодействия силам трения. Жесткость активированного угля сильно различается в зависимости от сырья и уровней активности.

Содержание золы

Пепел снижает общую активность активированного угля и снижает эффективность реактивации: количество зависит исключительно от основного сырья, используемого для производства активированного угля (например, кокосовый орех, древесина, уголь и т. д.). Оксиды металлов (Fe2О3) может выщелачиваться из активированного угля, что приведет к обесцвечиванию. Содержание кислотной / водорастворимой золы более значимо, чем общее содержание золы. Содержание растворимой золы может быть очень важным для аквариумистов, поскольку оксид железа может способствовать росту водорослей. Углерод с низким содержанием растворимой золы следует использовать для морских, пресноводных рыб и рифовых аквариумов, чтобы избежать отравления тяжелыми металлами и чрезмерного роста растений / водорослей.ASTM (Тест стандартного метода D2866) используется для определения зольности активированного угля.

Активность четыреххлористого углерода

Измерение пористости активированного угля путем адсорбции насыщенного четыреххлористый углерод пар.

Распределение частиц по размерам

Чем мельче размер частиц активированного угля, тем лучше доступ к площади поверхности и тем выше скорость кинетики адсорбции. В парофазных системах это необходимо учитывать с учетом падения давления, которое повлияет на стоимость энергии. Тщательный учет гранулометрического состава может обеспечить значительные эксплуатационные преимущества. Однако в случае использования активированного угля для адсорбции минералов, таких как золото, размер частиц должен находиться в диапазоне 3,35–1,4 мм (0,132–0,055 дюйма). Активированный уголь с размером частиц менее 1 мм не подходит для элюирования (отделения минерала от активированного угля).

Изменение свойств и реактивности

Кислотно-основные, окислительно-восстановительные и специфические адсорбционные характеристики сильно зависят от состава поверхностных функциональных групп.[25]

Поверхность обычного активированного угля реактивна, способна окисляться кислородом воздуха и кислородом. плазма[26][27][28][29][30][31][32][33] пар,[34][35][36] а также углекислый газ[30] и озон.[37][38][39]

Окисление в жидкой фазе вызывается широким спектром реагентов (HNO3, H2О2, КМно4).[40][41][42]

За счет образования большого количества основных и кислотных групп на поверхности окисленный углерод по сорбционным и другим свойствам может существенно отличаться от немодифицированной формы.[25]

Активированный уголь может быть азотирован натуральными продуктами или полимеры[43][44] или обработка углерода азотированием реагенты.[45][46][47]

Активированный уголь может взаимодействовать с хлор,[48][49] бром[50] и фтор.[51]

Поверхность активированного угля, как и других углеродных материалов, может быть фторалкилирована обработкой пероксидом (пер) фторполиэфира.[52] в жидкой фазе или с широким спектром фторорганических веществ методом CVD.[53] Такие материалы сочетают в себе высокую гидрофобность и химическую стабильность с электрической и теплопроводностью и могут использоваться в качестве электродного материала для суперконденсаторов.[54]

Функциональные группы сульфоновой кислоты могут быть присоединены к активированному углю с образованием «звездообразных атомов», которые можно использовать для селективного катализа этерификации жирных кислот.[55] Образование таких активированных углей из галогенированных предшественников дает более эффективный катализатор, который, как полагают, является результатом оставшихся галогенов, улучшающих стабильность.[56] Сообщается о синтезе активированного угля с химически привитыми суперкислотными центрами –CF.2ТАК3ЧАС.[57]

Некоторые из химических свойств активированного угля приписываются присутствию поверхностно-активного угля. двойная связь.[39][58]

В Теория адсорбции Поляни - популярный метод анализа адсорбции на их поверхности различных органических веществ.

Примеры адсорбции

Гетерогенный катализ

Наиболее часто встречающаяся в промышленности форма хемосорбции происходит, когда твердое вещество катализатор взаимодействует с газообразным сырьем, реагентом / с. Адсорбция реагента / реагентов на поверхности катализатора создает химическую связь, изменяя электронную плотность вокруг молекулы реагента и позволяя ей вступать в реакции, которые обычно не доступны для нее.

Реактивация и регенерация

Крупнейшая в мире установка реактивации, расположенная в Фелуй [fr ], Бельгия.
Центр реактивации активированного угля в г. Roeselare, Бельгия.

Реактивация или регенерация активированного угля включает восстановление адсорбционная способность насыщенного активированного угля путем десорбции адсорбированных загрязнений на поверхности активированного угля.

Термическая реактивация

Наиболее распространенным методом регенерации, применяемым в промышленных процессах, является термическая реактивация.[59] Процесс термической регенерации обычно состоит из трех этапов:[60]

  • Сушка адсорбента примерно при 105 ° C (221 ° F)
  • Высокотемпературная десорбция и разложение (500–900 ° C (932–1652 ° F)) в инертной атмосфере.
  • Остаточная органическая газификация неокисляющим газом (пар или двуокись углерода) при повышенных температурах (800 ° C (1470 ° F))

На стадии термообработки используется экзотермический характер адсорбции и приводит к десорбции, частичная треск и полимеризация адсорбированной органики. Заключительный этап направлен на удаление обугленных органических остатков, образовавшихся в пористой структуре на предыдущем этапе, и повторное обнажение пористой углеродной структуры с восстановлением ее исходных характеристик поверхности. После обработки адсорбционную колонку можно использовать повторно. За цикл адсорбционно-термической регенерации выгорает от 5 до 15 мас.% Углеродного слоя, что приводит к потере адсорбционной способности.[61] Термическая регенерация - это высокоэнергетический процесс из-за высоких требуемых температур, что делает этот процесс дорогим как с энергетической, так и с коммерческой точки зрения.[60] Установки, которые полагаются на термическую регенерацию активированного угля, должны быть определенного размера, прежде чем станет экономически целесообразным наличие регенерационных установок на месте. В результате небольшие предприятия по переработке отходов обычно отправляют свои ядра с активированным углем на специализированные предприятия для регенерации.[62]

Другие методы регенерации

Текущие опасения по поводу высокой энергии / затрат на термическую регенерацию активированного угля стимулировали исследования альтернативных методов регенерации для уменьшения воздействия таких процессов на окружающую среду. Хотя некоторые из процитированных методов регенерации остались областями чисто академических исследований, в промышленности использовались некоторые альтернативы системам термической регенерации. Текущие альтернативные методы регенерации:

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я Чада, Нагараджу; Романос, Джимми; Хилтон, Рэмси; Суппес, Гален; Берресс, Джейкоб; Пфайфер, Питер (2012-03-01). «Монолиты активированного угля для хранения метана». Бюллетень Американского физического общества. 57 (1): W33.012. Bibcode:2012APS..MARW33012C.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я j k Су, Ючжун; Чада, Нагараджу; Бекнер, Мэтью; Романос, Джимми; Берресс, Джейкоб; Пфайфер, Питер (2013-03-20). «Свойства адсорбированной пленки метана в нанопористых углеродных монолитах». Бюллетень Американского физического общества. 58 (1): M38.001. Bibcode:2013APS..MARM38001S.
  3. ^ ""Свойства активированного угля ", CPL Caron Link, дата обращения 02.05.2008". Архивировано из оригинал 19 июня 2012 г.. Получено 13 октября 2014.
  4. ^ а б Диллон, Эдвард С; Уилтон, Джон Х; Барлоу, Джаред С; Уотсон, Уильям А. (1989-05-01). «Активированный уголь с большой площадью поверхности и ингибирование всасывания аспирина». Анналы неотложной медицины. 18 (5): 547–552. Дои:10.1016 / S0196-0644 (89) 80841-8. PMID  2719366.
  5. ^ а б П. Дж. Пол. «Продукты с добавленной стоимостью от газификации - активированный уголь» (PDF). Бангалор: Лаборатория сжигания, газификации и движения (CGPL) Индийского института науки (IISc).
  6. ^ «Уголь активированный». Американское общество фармацевтов систем здравоохранения. Получено 23 апреля 2014.
  7. ^ IBM Micromedex (1 февраля 2019 г.). «Активированный уголь (пероральный путь)». Клиника Майо. Получено 15 февраля 2019.
  8. ^ Всемирная организация здоровья (2019). Типовой список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения: 21-й список 2019 г.. Женева: Всемирная организация здравоохранения. HDL:10665/325771. WHO / MVP / EMP / IAU / 2019.06. Лицензия: CC BY-NC-SA 3.0 IGO.
  9. ^ Эллиотт CG, Colby TV, Kelly TM, Hicks HG (1989). «Уголь легкое. Облитерирующий бронхиолит после аспирации активированного угля». Грудь. 96 (3): 672–4. Дои:10.1378 / сундук.96.3.672. PMID  2766830.
  10. ^ Экснер, Т; Michalopoulos, N; Пирс, Дж; Ксавье, Р; Ахуджа, М. (март 2018 г.). «Простой метод удаления DOAC из образцов плазмы». Исследование тромбоза. 163: 117–122. Дои:10.1016 / j.thromres.2018.01.047. PMID  29407622.
  11. ^ Экснер, Т; Ахуджа, М; Элвуд, Л. (24 апреля 2019 г.). «Влияние продукта с активированным углем (DOAC Stop ™), предназначенного для извлечения DOAC, на различные другие антикоагулянты, увеличивающие АЧТВ». Клиническая химия и лабораторная медицина. 57 (5): 690–696. Дои:10.1515 / cclm-2018-0967. PMID  30427777. S2CID  53426892.
  12. ^ «Активированный уголь | Восстановление растворителя | Системы снижения выбросов ЛОС». DEC IMPIANTI. Получено 2019-10-20.
  13. ^ Ассоциация выпускников EPA: высокопоставленные должностные лица EPA обсуждают скорейшее выполнение Закона о безопасной питьевой воде 1974 года, видео, Стенограмма (см. страницы 15-16).
  14. ^ «Активированный уголь | Восстановление растворителя | Системы борьбы с выбросами». DEC IMPIANTI. Получено 2019-10-21.
  15. ^ Обзорный лист активированного угля, Обзор органических материалов Министерства сельского хозяйства США, февраль 2002 г.
  16. ^ Петиция об активированном угле, Петиция Министерства сельского хозяйства США по обзору органических материалов, вино Канадыгуа, май 2002 г.
  17. ^ «Альянс за совместные исследования в области технологий альтернативного топлива». All-craft.missouri.edu. Получено 2014-03-13.
  18. ^ Бурк, Марта (1989). «Активированный уголь для удаления ртути». Архивировано из оригинал на 2013-08-03. Получено 2013-08-27.
  19. ^ Тим Флэннери, Здесь, на Земле: новое начало, Аллен Лейн (2011), стр. 186.
  20. ^ J.Romanos; и другие. (2012). «Нанокосмическая инженерия активированного угля КОН». Нанотехнологии. 23 (1): 015401. Bibcode:2012Nanot..23a5401R. Дои:10.1088/0957-4484/23/1/015401. PMID  22156024.
  21. ^ Отделение наиболее летучих газов от воздуха без сжижения
  22. ^ "SentryAir". SentryAir. Получено 2014-03-13.
  23. ^ Mianowski, A .; Owczarek, M .; Марецка, А. (24 мая 2007 г.). «Площадь поверхности активированного угля, определяемая числом адсорбции йода». Источники энергии, Часть A: Восстановление, использование и воздействие на окружающую среду. 29 (9): 839–850. Дои:10.1080/00908310500430901. S2CID  95043547.
  24. ^ Корпорация TIGG. Выбор гранулированного активированного угля В архиве 2012-09-12 в Wayback Machine. Опубликовано 8 мая 2012 г., проверено 21 сентября 2012 г.
  25. ^ а б Филипп Серп, Хосе Луис Фигейредо, Углеродные материалы для катализа, Wiley, - 2009, - 550 с.
  26. ^ Gómez-Serrano, V .; Piriz-Almeida, F. N .; Durán-Valle, C.J .; Пастор-Виллегас, Дж. (1999). «Формирование кислородных структур при активации воздухом. Исследование методом ИК-Фурье спектроскопии». Углерод. 37 (10): 1517–1528. Дои:10.1016 / S0008-6223 (99) 00025-1.
  27. ^ Machnikowski J .; Kaczmarska H .; Герус-Пясецка I .; Diez M.A .; Альварес Р .; Гарсия Р. (2002). «Структурная модификация фракций каменноугольного пека при мягком окислении - отношение к карбонизации». Углерод. 40 (11): 1937–1947. Дои:10.1016 / с0008-6223 (02) 00029-5.
  28. ^ Петров Н .; Будинова Т .; Развигорова М .; Ekinci E .; Ярдим Ф .; Минкова В. (2000). «Приготовление и характеристика углеродных адсорбентов из фурфурола». Углерод. 38 (15): 2069–2075. Дои:10.1016 / с0008-6223 (00) 00063-4.
  29. ^ Гарсия А.Б .; Мартинес-Алонсо А .; Леон С. А .; Tascon J.M.D. (1998). «Модификация поверхностных свойств активированного угля обработкой кислородной плазмой». Топливо. 77 (1): 613–624. Дои:10.1016 / S0016-2361 (97) 00111-7.
  30. ^ а б Saha B .; Tai M.H .; Стрит М. (2001). «Исследование активированного угля после окисления и определение характеристик последующей обработки». Технологическая безопасность и охрана окружающей среды. 79 (4): 211–217. Дои:10.1205/095758201750362253.
  31. ^ Половина М .; Бабич Б .; Калудерович Б .; Деканский А. (1997). «Характеристика поверхности ткани из окисленного активированного угля». Углерод. 35 (8): 1047–1052. Дои:10.1016 / с0008-6223 (97) 00057-2.
  32. ^ Fanning P.E .; Ваннис М.А. (1993). «ДРИФТЫ исследование образования поверхностных групп на углероде путем окисления». Углерод. 31 (5): 721–730. Дои:10.1016 / 0008-6223 (93) 90009-л.
  33. ^ Юссеф А.М .; Abdelbary E.M .; Samra S.E .; Довидар А.М. (1991). «Поверхностные свойства углей, полученных из поливинилхлорида». Ind. J. Chem. А. 30 (10): 839–843.
  34. ^ Arriagada R .; Гарсия Р .; Молина-Сабио М .; Родригес-Рейносо Ф. (1997). «Влияние паровой активации на пористость и химическую природу активированного угля из Eucalyptus globulus и персиковых косточек». Микропористый мат. 8 (3–4): 123–130. Дои:10.1016 / s0927-6513 (96) 00078-8.
  35. ^ Молина-Сабио М .; Гонсалес М.Т .; Родригес-Рейносо Ф .; Сепульведа-Эскрибано А. (1996). «Влияние активации водяным паром и диоксидом углерода на распределение микропор активированного угля по размерам». Углерод. 34 (4): 505–509. Дои:10.1016/0008-6223(96)00006-1.
  36. ^ Брэдли Р. Х., Сазерленд I, Шэн Э (1996). «Поверхность углерода: площадь, пористость, химический состав и энергия». Журнал коллоидной и интерфейсной науки. 179 (2): 561–569. Bibcode:1996JCIS..179..561B. Дои:10.1006 / jcis.1996.0250.
  37. ^ Сазерленд I .; Sheng E .; Braley R.H .; Фрикли П.К. (1996). «Влияние окисления озона на поверхности технического углерода». J. Mater. Наука. 31 (21): 5651–5655. Bibcode:1996JMatS..31.5651S. Дои:10.1007 / bf01160810. S2CID  97055178.
  38. ^ Ривера-Утрилла Дж, Санчес-Поло М (2002). «Роль дисперсионных и электростатических взаимодействий в водной фазе адсорбции нафталинсульфоновых кислот на активированных углях, обработанных озоном». Углерод. 40 (14): 2685–2691. Дои:10.1016 / с0008-6223 (02) 00182-3.
  39. ^ а б Valdés, H .; Sánchez-Polo, M .; Ривера-Утрилла, Дж .; Зарор, К. А. (2002). «Влияние обработки озоном на поверхностные свойства активированного угля». Langmuir. 18 (6): 2111–2116. Дои:10.1021 / la010920a.
  40. ^ Pradhan B.K .; Сандле Н.К. (1999). «Влияние обработки различными окислителями на поверхностные свойства активированного угля». Углерод. 37 (8): 1323–1332. Дои:10.1016 / с0008-6223 (98) 00328-5.
  41. ^ Acedo-Ramos M .; Gomez-Serrano V .; Валенсуэлла-Калахорро С .; Лопес-Пейнадо А.Дж. (1993). «Окисление активированного угля в жидкой фазе. Исследование методом FT-IR». Письма о спектроскопии. 26 (6): 1117–1137. Bibcode:1993SpecL..26.1117A. Дои:10.1080/00387019308011598.
  42. ^ Gomez-Serrano V .; Acedo-Ramos M .; Лопес-Пейнадо А.Дж .; Валенсуэла-Калаорро К. (1991). «Устойчивость к нагреванию и дегазации активированного угля, окисленного в жидкой фазе». Термохимика Акта. 176: 129–140. Дои:10.1016 / 0040-6031 (91) 80268-н.
  43. ^ Stőhr B .; Boehm H.P .; Schlgl R. (1991). «Повышение каталитической активности активированных углей в реакциях окисления путем термической обработки аммиаком или цианистым водородом и наблюдения за разновидностями супероксида в качестве возможного промежуточного продукта». Углерод. 29 (6): 707–720. Дои:10.1016/0008-6223(91)90006-5.
  44. ^ Биняк С .; Szymański G .; Siedlewski J .; Святковский А. (1997). «Характеристика активированного угля с поверхностными группами кислорода и азота». Углерод. 35 (12): 1799–1810. Дои:10.1016 / с0008-6223 (97) 00096-1.
  45. ^ Boudou J.P .; Chehimi M .; Broniek E .; Семеневская Т .; Бимер Дж. (2003). «Адсорбция H2S или SO2 на ткани из активированного угля, модифицированной обработкой аммиаком» (PDF). Углерод. 41 (10): 1999–2007. Дои:10.1016 / с0008-6223 (03) 00210-0.
  46. ^ Sano H .; Огава Х. (1975). «Приготовление и применение азотсодержащих активных углей». Осака Когио Гидзюцу Ширендзё. 26 (5): 2084–2086.
  47. ^ Радкевич, В. З .; Сенько, Т.Л .; Wilson, K .; Грищенко, Л. М .; Задерко, А. Н .; Диюк В.Ю. (2008). «Влияние поверхностной функционализации активированного угля на диспергирование палладия и каталитическую активность в окислении водорода». Прикладной катализ A: Общие. 335 (2): 241–251. Дои:10.1016 / j.apcata.2007.11.029.
  48. ^ Evans, M.J.B .; Halliop, E .; Liang, S .; Макдональд, Дж. А. Ф. (1998). «Влияние хлорирования на поверхностные свойства активированного угля». Углерод. 36 (11): 1677–1682. Дои:10.1016 / S0008-6223 (98) 00165-1.
  49. ^ Papirer, E.N .; Lacroix, R .; Donnet, J. B .; Nansé, G. R .; Фиу, П. (1995). «Исследование XPS галогенирования технического углерода - Часть 2. Хлорирование». Углерод. 33: 63–72. Дои:10.1016 / 0008-6223 (94) 00111-C.
  50. ^ Папирер, Эжен; Лакруа, Рено; Доннет, Жан-Батист; Нансе, Жерар; Fioux, Филипп (1994). «Исследование XPS галогенирования сажи-части 1. Бромирование». Углерод. 32 (7): 1341–1358. Дои:10.1016 / 0008-6223 (94) 90121-X.
  51. ^ Nansé, G .; Papirer, E .; Fioux, P .; Moguet, F .; Трессо, А. (1997). «Фторирование технического углерода: исследование с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. III. Фторирование различных углеродных саж газообразным фтором при температурах ниже 100 ° C, влияние морфологии, структуры и физико-химических характеристик технического углерода на фиксацию фтора» . Углерод. 35 (4): 515–528. Дои:10.1016 / S0008-6223 (97) 00003-1.
  52. ^ US8648217B2, «Модификация углеродистых материалов», выдано 04.08.2008 
  53. ^ US10000382B2, «Способ модификации поверхности углеродных материалов фторуглеродами и производными», выпущен 03.11.2015. 
  54. ^ Задерко, Александр Н .; Швец, Роман Я .; Григорчак, Иван I .; Афонин, Сергей; Диюк, Виталий Е .; Марийчук, Руслан Т .; Болдырева Ольга Юрьевна; Канухова, Мария; Лисняк, Владислав В. (20.11.2018). «Фторалкилированные нанопористые угли: испытание в качестве электрода суперконденсатора». Прикладная наука о поверхности. 470: 882–892. Дои:10.1016 / j.apsusc.2018.11.141. ISSN  0169-4332.
  55. ^ Aldana-Pérez, A .; Lartundo-Rojas, L .; Gómez, R .; Ниньо-Гомес, М. Э. (2012). «Сульфоновые группы, закрепленные на мезопористом углероде Starbons-300, и его использование для этерификации олеиновой кислоты». Топливо. 100: 128–138. Дои:10.1016 / j.fuel.2012.02.025.
  56. ^ Диюк, В. Э .; Задерко, А. Н .; Грищенко, Л. М .; Яцимырский, А.В .; Лисняк, В. В. (2012). «Эффективные углеродные кислотные катализаторы дегидратации пропан-2-ола». Catalysis Communications. 27: 33–37. Дои:10.1016 / j.catcom.2012.06.018.
  57. ^ "WO18194533 СПОСОБ ХИМИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ ФТОРИРОВАННЫХ УГЛЕРОДОВ СЕРЫСОДЕРЖАЩИМ ВЕЩЕСТВОМ". patentscope.wipo.int. Получено 2018-11-24.
  58. ^ Бударин, В. Л .; Clark, J. H .; Tavener, S.J .; Уилсон, К. (2004). «Химические реакции двойных связей в активированном угле: микроволновые методы и методы бромирования». Химические коммуникации (23): 2736–7. Дои:10.1039 / B411222A. PMID  15568092.
  59. ^ Багреев А .; Rhaman, H .; Бандош, Т. Дж (2001). «Термическая регенерация отработанного адсорбента активированного угля, ранее использовавшегося в качестве адсорбента сероводорода». Углерод. 39 (9): 1319–1326. Дои:10.1016 / S0008-6223 (00) 00266-9.
  60. ^ а б Sabio, E .; Gonzalez, E .; Gonzalez, J. F .; Gonzalez-Garcia, C.M .; Рамиро, А .; Ганан, Дж (2004). «Термическая регенерация активированного угля, насыщенного п-нитрофенолом». Углерод. 42 (11): 2285–2293. Дои:10.1016 / j.carbon.2004.05.007.
  61. ^ Мигель Г.С., Ламберт С.Д., Грэм Нью-Джерси (2001). «Регенерация полевых отработанных гранулированных активированных углей». Водные исследования. 35 (11): 2740–2748. Дои:10.1016 / S0043-1354 (00) 00549-2. PMID  11456174.
  62. ^ Альварес П.М., Бельтран Ф.Дж., Гомес-Серрано В., Харамилло Дж., Родригес Э.М. (2004). «Сравнение термической и озоновой регенерации отработанного активированного угля, истощенного фенолом». Водные исследования. 38 (8): 2155–2165. Дои:10.1016 / j.watres.2004.01.030. PMID  15087197.
  63. ^ Martin, R.J .; Wj, N (1997). «Многократное исчерпание и химическая регенерация активированного угля». Водные исследования. 21 (8): 961–965. Дои:10.1016 / S0043-1354 (87) 80014-3.
  64. ^ Aizpuru A, Malhautier L, Roux JC, Fanlo JL (2003). «Биофильтрация смеси летучих органических соединений на гранулированном активированном угле». Биотехнологии и биоинженерия. 83 (4): 479–488. Дои:10.1002 / бит.10691. PMID  12800142. S2CID  9980413.
  65. ^ Нарбаитц Р.М., Карими-Яшни А. (2009). «Электрохимическая регенерация гранулированного активированного угля, содержащего фенол и природные органические вещества». Экологические технологии. 30 (1): 27–36. Дои:10.1080/09593330802422803. PMID  19213463.
  66. ^ Лим Дж. Л., Окада М (2005). «Регенерация гранулированного активированного угля с помощью ультразвука». Ультразвук-соно-химия. 12 (4): 277–285. Дои:10.1016 / j.ultsonch.2004.02.003. PMID  15501710.
  67. ^ Шенде Р.В., Махаджани В.В. (2002). «Мокрая окислительная регенерация активированного угля, наполненного реактивным красителем». Управление отходами. 22 (1): 73–83. Дои:10.1016 / S0956-053X (01) 00022-8. PMID  11942707.

внешняя ссылка