Производство активированных углей

Активированные угли получают путем термической обработки углеродсодержащего сырья с последующей активацией в присутствии окислителей. Технологический процесс включает несколько этапов.

Карбонизация

Карбонизацией называется термическая обработка (обжиг) сырья при высокой температуре в инертной атмосфере без доступа воздуха. В результате получается уголь – карбонизат. Карбонизат обладает недостаточными адсорбционными свойствами, поскольку размеры его пор невелики и внутренняя площадь поверхности мала. Поэтому его подвергают предварительному дроблению и активации для получения специфической структуры пор и улучшения адсорбционных свойств.

Предварительное дробление

Карбонизат имеет размер фракции 30-150 мм. Качественная активация таких больших кусков затруднена, поэтому карбонизат подвергают предварительному дроблению. Для эффективной активации размер фракции должен быть 4 - 10 мм.

Активация

Процесс активации проводят двумя основными методами:

Химическая активация - обработка специальными химическими компонентами
Паро-газовая активация обработка перегретым водяным паром или окисление газом

Химическая активация

Процесс химической активации заключается в обработке угля солями, которые при высокой температуре выделяют газ-активатор ( например СО2 или О2):

карбонатами
сульфатами
нитратами
кислотами-окислителями (азотной, серной, фосфорной и др.)

Угли, полученные химическим активированием, называются в соответствии с применяемым реагентом, например "уголь хлорцинковой активации". Химическую активацию проводят при температуре 200 - 650 oС.

Недостатки метода:

нетехнологичность процесса
большие количества экологически опасных стоков
коррозия аппаратуры
высокая стоимость получаемого сорбента

Парогазовая активация

Парогазовая активация производиться при температуре 800-1000oС в строго контролируемых условиях. При парогазовой активации в качестве окислительных агентов используют диоксид углерода и водяной пар.

Процесс в присутствии диоксида углерода ведут при высоких температурах, при этом часть углерода выгорает по реакции:

С + СО2 -> 2CO

В качестве окислителя чаще всего применяют водяной пар, при этом активация протекает по реакции:

С + Н2О -> СО + Н2 - 130 кДж

Параллельно протекает побочная экзотермическая реакция:

СО + Н2О -> СО2 + Н2 + 42 кДж

Реакция углерода с паром катализируется оксидами и карбонатами щелочных металлов. Поэтому их в небольших количествах иногда добавляют к исходному сырью при производстве активных углей. Катализаторами процесса являются также и соединения меди.

Активация водяным паром позволяет получать угли с внутренней площадью поверхности до 1500 м2 на грамм угля. Именно благодаря этой огромной площади внутренней поверхности активированные угли являются прекрасными адсорбентами. Тем не менее, не вся эта площадь может быть доступна для адсорбции, поскольку крупные молекулы адсорбируемых веществ не могут проникать в поры малого размера.

Формы и фракционные размеры активированных углей

Активные угли выпускаются в виде цилиндрических и сферических гранул, зерен неправильной формы (дробленый) или мелкодисперсного порошка. Размеры фракций определены ГОСТом для различных марок активированных углей.

Активированный уголь - структура пор

В активированных углях различают три категории пор: микро-, мезо- и макропоры.

Размеры пор

микропоры (0,6-0,7 нм)
мезопоры (1,5-100-200 нм)
макропоры (>100-200 нм)

Микро- и мезопоры составляют наибольшую часть поверхности активированного угля. Соответственно, именно они вносят наибольший вклад в их адсорбционные свойства. Микропоры особенно хорошо подходят для адсорбции молекул небольшого размера, а мезопоры - для адсорбции более крупных органических молекул.

Площадь внутренней поверхности

Размеры пор определяют удельную площадь внутренней поверхности активированных углей, например для пор размером 1,6 нм удельная поверхность составляет порядка 1000 м2/г, а для пор 200 и более нм – «всего» около 1 м2/г. Тонкопористый уголь активированный хорошо адсорбирует даже при малых концентрациях или небольших парциальных давлениях пара. Для широкопористого активированного угля характерно явление капиллярной конденсации.

Адсорбционная способность зависит от пор

Широкий диапазон пор и значительная величина удельной поглощающей поверхности дают возможность эффективно использовать активированные угли для очистки жидкостей и газов от широкого спектра примесей. Размер удаляемых примесей колеблется от самых мелких, соизмеримых с молекулами йода до молекул жиров, масел, нефтепродуктов, хлорорганических соединений.

Особенно хорошо активированный уголь поглощает (адсорбирует) углеводороды и их производные, слабее - спирт, аммиак, воду и другие полярные вещества.

Исходные материалы для производства активированных углей

Исходные материалы оказывают определяющее влияние на структуру пор активированных углей. Активированные угли на основе скорлупы кокоса характеризуются большей долей микропор, а активированные угли на основе каменного угля - большей долей мезо пор. Большая доля макропор характерна для активированных углей на основе древесины. На картинках представлены увеличенные фотографии активных углей, изготовленных из различного сырья:

1 Активированный каменный уголь

2 Карбонизированная древесина

3 Активированная скорлупа кокосов