Активированный уголь

Активи́рованный у́голь — пористое вещество, которое получают из различных углеродосодержащих материалов органического происхождения: древесного угля (марки активированного угля БАУ-А, ОУ-А, ДАК[1] и др.), каменноугольного кокса (марки активированного угля АГ-3, АГ-5, АР и др.), нефтяного кокса, скорлупы кокосовых орехов и других материалов. Содержит огромное количество пор и поэтому имеет очень большую удельную поверхность на единицу массы, вследствие чего обладает высокой адсорбционной способностью. В зависимости от технологии изготовления, 1 грамм активированного угля может иметь поверхность от 500 до 2200 м²[2]. Впервые синтезирован Николаем Дмитриевичем Зелинским (1915 г.), использован им в противогазах как универсальное средство химической защиты[3], а позже — в качестве гетерогенного катализатора. Применяют в медицине и промышленности для очистки, разделения и извлечения различных веществ.

Активированный уголь
carbo activatus
Химическое соединение
CAS 16291-96-6
DrugBank 09278
Состав
Действующее вещество
Активированный уголь
Классификация
АТХ A07BA01
Лекарственные формы
таблетки, гранулы, капсулы
Другие названия
Уголь активированный, Карбопект, Сорбекс, Ультра-адсорб
 Медиафайлы на Викискладе

Химические свойства, модифицирование

Обычный активированный уголь является довольно реакционноспособным соединением, способным к окислению кислородом воздуха и кислородной плазмой[4][5][6][7][8][9][10][11], водяным паром[12][13][14], а также углекислым газом[8] и озоном[15][16][17]. Окисление в жидкой фазе проводят целым рядом реагентов (HNO3, H2O2, KMnO4)[18][19][20]. За счёт образования большого количества основных и кислотных групп на поверхности окисленного угля его адсорбционные и другие свойства могут существенно отличаться от неокисленного[21]. Модифицированный азотом уголь получают либо исходя из азотсодержащих природных веществ, либо из полимеров[22][23], либо обработкой угля азотсодержащими реагентами[24][25][26]. Также уголь способен взаимодействовать с хлором[27][28] бромом[29] и фтором[30]. Важное значение имеет серосодержащий уголь, который синтезируют разными путями[31][32] В последнее время химические свойства угля принято объяснять наличием на его поверхности активной двойной связи[17][33][34]. Химически модифицированный уголь находит применение в качестве катализаторов, носителей для катализаторов, селективных адсорбентов, в получении особо чистых веществ, в качестве электродов литиевых аккумуляторов.

Механизмы действия

Есть два основных механизма, которыми активизированный углерод удаляет загрязнители из воды: адсорбция и каталитическое окисление. Явление адсорбции газов углем почти одновременно описали в 80-х годах XVIII века шведский химик Карл Вильгельм Шееле и итальянский учёный Феличе Фонтана. В России в 1785 году академик Товий Егорович Ловиц открыл и подробно исследовал явление адсорбции углем в жидкой среде, предложив применить его для очистки органических веществ.[35] Органические соединения удаляются адсорбцией(это связано с высокой пористостью), а окислители, такие, как хлор и хлорамин, удаляются каталитическим окислением.

Производство

В качестве сырья в производстве активированного угля используются материалы органического происхождения: древесина, каменный уголь, битумный уголь, скорлупа кокосовых орехов и др. Указанное сырьё сначала обугливают, затем подвергают активации.

Сущность активации состоит во вскрытии пор, находящихся в углеродном материале в закрытом состоянии. Это делается либо термохимически (предварительно материал пропитывают раствором хлорида цинка, карбоната калия или некоторыми другими соединениями, и нагревают без доступа воздуха), либо путём обработки перегретым паром или углекислым газом или их смесью при температуре 800—850 °C. В последнем случае технически сложно получить парогазовый агент, имеющий такую температуру. Широко распространён приём подачи в аппарат для активации одновременно с насыщенным паром ограниченного количества воздуха. Часть угля сгорает, и в реакционном пространстве достигается необходимая температура. Выход активированного угля в этом варианте процесса заметно снижается. Значение удельной поверхности пор у лучших марок активированных углей может достигать 1800—2200 м² на 1 г угля.[2] Различают макро-, мезо- и микропоры. В зависимости от размеров молекул, которые нужно удержать на поверхности угля, уголь должен изготавливаться с разными соотношениями размеров пор.

Применение

В противогазах

Классический пример использования активированного угля связан с использованием его в средствах индивидуальной защиты органов дыхания. Противогаз, разработанный Н. Д. Зелинским, спас множество жизней солдат в Первой мировой войне после применения кайзеровской Германией боевых отравляющих веществ. К 1916 году он был принят на вооружение почти во всех европейских армиях.

Для улучшения улавливания некоторых веществ уголь может насыщаться добавками. Например, добавка оксидов металлов может увеличить сорбционную ёмкость при улавливании меркаптанов в несколько раз[36].

В связи с деградацией производственных отраслей экономики РФ, на 2015 г. потребность в активированном угле (для российских фильтрующих противогазных СИЗОД) на 75% удовлетворялась за счёт импорта[37]

При производстве сахара

Первоначально для очистки сахарного сиропа от красящих веществ при сахароварении использовалась костная мука. Однако этот сахар не следовало употреблять в пост, как имеющий животное происхождение. Сахарозаводчики начали выпускать «постный сахар», который либо не очищался и имел вид цветных помадок, либо чистился через древесный уголь.

Для производства органического удобрения терра прета

Терра прета — компостирование органических отходов жизнедеятельности человека и животных методом силосования с использованием низкотемпературного активированного древесного угля. Полученный силокомпост доводится до кондиции компостными дождевыми червями либо поверхностно вносится в почву с последующим мульчированием.

Другие области применения

Активированный уголь применяется в медицине, химической, фармацевтической и пищевой промышленности. Фильтры, содержащие активированный уголь, используются во многих современных моделях устройств для очистки питьевой воды.

Характеристики активированного угля

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 (пор диаметром до 2 нм), на основе каменного угля — большей долей мезопор (2—50 нм). Большая доля макропор (более 50 нм) характерна для активированных углей на основе древесины.

Микропоры особенно хорошо подходят для адсорбции молекул небольшого размера, а мезопоры — для адсорбции более крупных органических молекул.

Иодное число (иодный индекс)

Иодное число — основной параметр, характеризующий площадь поверхности пор и, как следствие, сорбционную ёмкость угля. Определяется массой иода, которую может сорбировать единица массы угля (мг/г). Метод основан на сорбции углем мономолекулярного слоя иода. Более высокое число указывает на более высокую степень активации, типовое значение показателя — 500—1200 мг/г. Численное значение иодного числа примерно соответствует удельной площади поверхности пор, измеренной в м²/г.

Твёрдость

Это мера сопротивления активированного угля истиранию. Это важный параметр 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.

Гранулометрический состав

Чем меньше размер частицы активированного угля, тем лучше доступ к поверхности и быстрее происходит адсорбция. В системах фазы пара это нужно учитывать при снижении давления, которое затронет затраты энергии. Внимательное рассмотрение гранулометрического состава может обеспечить существенную операционную выгоду.

Фармакология

Оказывает энтеросорбирующее, дезинтоксикационное и противодиарейное действие.

Уголь активированный

Относится к группе поливалентных физико-химических антидотов, обладает большой поверхностной активностью, абсорбирует яды и токсины из желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) до их всасывания, алкалоиды, гликозиды, барбитураты и др. снотворные, лекарственные средства для общей анестезии, соли тяжёлых металлов, токсины бактериального, растительного, животного происхождения, производные фенола, синильной кислоты, сульфаниламиды, газы. Активен как сорбент при гемоперфузии. Слабо адсорбирует кислоты и щёлочи, а также соли железа, цианиды, малатион, метанол, этиленгликоль. Не раздражает слизистые оболочки. При лечении интоксикаций необходимо создать избыток угля в желудке (до его промывания) и в кишечнике (после промывания желудка). Уменьшение концентрации угля в среде способствует десорбции связанного вещества и его всасыванию (для предупреждения резорбции освободившегося вещества рекомендуется повторное промывание желудка и назначение угля). Наличие пищевых масс в ЖКТ требует введения в высоких дозах, так как содержимое ЖКТ сорбируется углем и его активность снижается. Если отравление вызвано веществами, участвующими в энтерогепатической циркуляции (сердечные гликозиды, индометацин, морфин и др. опиаты), необходимо применять уголь в течение нескольких дней. Особенно эффективен в качестве сорбента при гемоперфузии в случаях острых отравлений барбитуратами, глютатимидом, теофиллином. Снижает эффективность одновременно принимаемых лекарственных средств, уменьшает эффективность лекарственных средств, действующих на слизистую оболочку ЖКТ (в том числе ипекакуаны и термопсиса).

Уголь активированный — УБФ

Назначается при следующих показаниях: дезинтоксикация при повышенной кислотности желудочного сока при экзо- и эндогенных интоксикациях: диспепсия, метеоризм, процессы гниения, брожения, гиперсекреция слизи, HCl, желудочного сока, диарея; отравление алкалоидами, гликозидами, солями тяжёлых металлов, пищевая интоксикация; пищевая токсикоинфекция, дизентерия, сальмонеллёз, ожоговая болезнь в стадии токсемии и септикотоксемии; почечная недостаточность, хронический гепатит, острый вирусный гепатит, цирроз печени, атопический дерматит, бронхиальная астма, гастрит, хронический холецистит, энтероколит, холецистопанкреатит; отравления химическими соединениями и лекарственными средствами (в том числе фосфорорганическими и хлорорганическими соединениями, психоактивными лекарственными средствами), аллергические заболевания, нарушения обмена веществ, алкогольный абстинентный синдром; интоксикация у онкологических больных на фоне лучевой и химиотерапии; подготовка к рентгенологическим и эндоскопическим исследованиям (для уменьшения содержания газов в кишечнике).

Противопоказан при язвенных поражениях желудочно-кишечного тракта (в том числе язвенной болезни желудка и 12-перстной кишки, неспецифическом язвенном колите), кровотечениях из ЖКТ, одновременном назначении антитоксических лекарственных средств, эффект которых развивается после всасывания (метионин и др.).

В качестве побочных эффектов называются диспепсия, запоры или диарея; при длительном применении — гиповитаминоз, снижение всасывания из ЖКТ питательных веществ (жиров, белков), гормонов. При гемоперфузии через активированный уголь — тромбоэмболия, геморрагии, гипогликемия, гипокальциемия, гипотермия, снижение артериального давления.

См. также

Примечания
  1. ГОСТ 6217-74
  2. Водоподготовка: Справочник. // Под ред. С. Е. Беликова. М.: Аква-Терм, 2007. — 240 с.
  3. Проф. Зелинский и Садиков. Уголь как противогаз. Петроград.1918, с4-5
  4. Gomez-Serrano V., Piriz-Almeida F., Duran-Valle C.J., Pastor-Villegas J. Formation of oxygen structures by air activation. A studu by FT-IR spectroscopy // Carbon. — 1999. — V.37. — P. 1517—1528
  5. Machnikowski J., Kaczmarska H., Gerus-Piasecka I., Diez M.A., Alvarez R., Garcia R. Structural modification of coal-tar pitch fractions during mild oxidation — relevance to carbonization behavior // Carbon. — 2002. — V.40. — P. 1937—1947
  6. Petrov N., Budinova T., Razvigorova M., Ekinci E., Yardim F., Minkova V. Preparation and characterization of carbon adsorbents from furfural // Carbon — 2000. — V. 38, № 15. — P. 2069—2075
  7. Garcia A. B., Martinez-Alonso A., Leon C. A., Tascon J. M. D. Modification of the surface properties of an activated carbon by oxygen plasma treatment // Fuel. — 1998. — V. 77, № 1 — P. 613—624
  8. Saha B., Tai M.H., Streat M. Study of activated carbon after oxidation and subsequent treatment characterization // Process safety and environmental protection — 2001. — V.79, № B4. — P. 211—217
  9. Polovina M., Babic B., Kaluderovic B., Dekanski A. Surface characterization of oxidized activated carbon cloth // Carbon −1997. — V.35, № 8. — P.1047-1052
  10. Fanning P.E., Vannice M.A. A DRIFTS study of the formation of surface groups on carbon by oxidation // Carbon — 1993. — V.31, № 5. — P.721-730
  11. Youssef A.M., Abdelbary E.M., Samra S.E., Dowidar A.M. Surface-properties of carbons obtained from polyvinyl-chloride // Ind. J. of Chem. section a-inorganic bio-inorganic physical theoretical & analytical chemistry — 1991. — V. 30, № 10. — P. 839—843
  12. Arriagada R., Garcia R., Molina-Sabio M., Rodriguez-Reinoso F. Effect of steam activation on the porosity and chemical nature of activated carbons from Eucalyptus globulus and peach stones // Microporous Mat. — 1997. — V.8, № 3—4. — P.123—130
  13. Molina-Sabio M., Gonzalez M.T., Rodriguez-Reinoso F., Sepulveda-Escribano A. Effect of steam and carbon dioxide activation in the micropore size distribution of activated carbon // Carbon — 1996. — V.34, № 4. — P.505—509
  14. Bradley RH, Sutherland I, Sheng E Carbon surface: Area, porosity, chemistry, and energy // J. of colloid and interface science — 1996. — V. 179, № 2. — P. 561—569
  15. Sutherland I., Sheng E., Braley R.H., Freakley P.K. Effects of ozone oxidation on carbon black surfaces // J. Mater. Sci. — 1996. — V. 31. — P. 5651—5655
  16. Rivera-Utrilla J; Sanchez-Polo M. The role of dispersive and electrostatic interactions in the aqueous phase adsorption of naphthalenesulphonic acids on ozone-treated activated carbons // Carbon — 2002. — V.40, № 14. — P. 2685—2691
  17. Valdes H., Sanchez-Polo M., Rivera-Utrilla J., and Zaror C.A. Effect of Ozone Treatment on Surface Properties of Activated Carbon // Langmuir — 2002. — V. 18. — P. 2111—2116
  18. Pradhan B.K., Sandle N.K. Effect of different oxidizing agent treatments on the surface properties of activated carbons // Carbon. — 1999. — V. 37, № 8. — P. 1323—1332
  19. Acedo-Ramos M., Gomez-Serrano V., Valenzuella-Calahorro C., and Lopez-Peinado A. J. Oxydation of activated carbon in liquid phase. Study by FT-IR // Spectroscopy letters. — 1993. — V. 26(6). — P. 1117—1137
  20. Gomez-Serrano V., Acedo-Ramos M., Lopez-Peinado A.J., Valenzuela-Calahorro C. Stability towards heating and outgassing of activated carbon oxidized in the liquid-phase // Thermochimica Acta. — 1991. — V.176. — P.129-140
  21. Тарковская, И. А. Окисленный уголь Текст.: учеб. пособие для вузов / И. А. Тарковская; Киев: Наукова думка. 1981. — 200 с
  22. Stőhr B., Boehm H.P., Schlőgl R. Enhancement of the catalytic activiti of activated carbons in oxidation reactions by termal treatment with ammonia or hydrogen cyanide and observation of a superoxide species as a posible intermediate // Carbon. — 1991. — Vol. 26, № 6. — P. 707—720
  23. Biniak S., Szymański G., Siedlewski J., Światkowski A. The characterizaíion of activated carbons with oxygen and nitrogen surface groups // Carbón. — 1997. — Vol.35, № 12. — P. 1799—1810
  24. Boudou J.P., Chehimi M., Broniek E., Siemieniewska T., Bimer J. Adsorption of H2S or SO2 on an activated carbon cloth modified by ammonia treatment // Carbon. — 2003. — Vol. 41, № 10. — P. 1999—2007
  25. Sano H., Ogawa H. Preparation and application nitrogen containing active carbons // Osaka Kogyo Gijutsu Shirenjo. — 1975. — Vol. 26, № 5. — P.2084—2086
  26. ScienceDirect.com — Applied Catalysis A: General — The influence of surface functionalization of activated carbon on palladium dispersion and catalytic activity in hydrogen ox …
  27. ScienceDirect.com — Carbon — The effect of chlorination on surface properties of activated carbon
  28. XPS study of the halogenation of carbon black—Part 2. Chlorination
  29. ScienceDirect.com — Carbon — XPS Study of the halogenation of carbon black-part 1. Bromination
  30. Fluorination of carbon blacks: An X-ray photoelectron spectroscopy study: III. Fluorination of different carbon blacks with gaseous fluorine at temperatures below 100 °C influ…
  31. ScienceDirect.com — Carbon — Formation of carbon black-sulfur surface derivatives by reaction with P2S5
  32. ScienceDirect.com — Fuel — Sulfonic groups anchored on mesoporous carbon Starbons-300 and its use for the esterification of oleic acid
  33. ScienceDirect.com — Catalysis Communications — Efficient carbon-based acid catalysts for the propan-2-ol dehydration
  34. Chemical reactions of double bonds in activated carbon: microwave and bromination methods — Chemical Communications (RSC Publishing)
  35. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. — Москва: Химия, 1981. — 632 с.
  36. Струнина А.В., Белозовский А.Б., Савельева И.Ф., Каплан Л.К., Голубев В.Н., Старицина Г.И. Очистка природного газа от меркаптанов активированными углями // Углеродные адсорбенты и их применение в промышленности / Деменева Э.М., Сукманова К.Г. (ред). — Пермь: Ленинградский технологический институт, 1969. — Т. (выпуск 2). — С. 51-59. — 149 с. — 600 экз.
  37. Стяжкин Константин Кириллович. Курс на импортозамещение // Ассоциация СИЗ Вестник АСИЗ. — Москва: Союзпечать, 2015. — Март (№ 1 (33)). — С. 2-3.

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.