Școala de chimie a carbonului activ

Cărbune activ

Cărbune activ, mic de statura Cărbune, de asemenea cărbune medicinal numit, este carbon poros, cu granulație fină, cu o suprafață interioară mare, care este utilizat ca adsorbant în chimie, medicină, tratarea apei și a apelor uzate, precum și tehnologia de ventilație și aer condiționat. Se utilizează sub formă granulată sau presată sub formă de tablete (tablete de carbon).

caracteristici

Cărbunele activ constă în principal din carbon (majoritatea> 90%) cu o structură foarte poroasă. Porii sunt conectați între ei ca un burete (cu pori deschiși). Suprafața interioară este cuprinsă între 300 și 2000 m²/g carbon, astfel încât suprafața interioară a patru grame de cărbune activ corespunde aproximativ cu aria unui teren de fotbal. Densitatea cărbunelui activ este cuprinsă între 0,2 și 0,6 g/cm³.

Mărimea porilor și distribuția mărimii porilor sunt împărțite în trei ordine de mărime: Micropori (50 nm). [1]

Macroporii sunt principalele căi de acces pentru gaze sau lichide în interiorul cărbunilor și nu au practic o importanță semnificativă pentru adsorbție. Cea mai mare parte a adsorbției are loc pe materialul carbonic de pe suprafața microporilor. Această zonă este suprafața efectivă și determină proprietățile de adsorbție ale unui carbon. Următoarele date arată dimensiunea suprafeței interioare în raport cu volumul unui cărbune activ. În cazul unui cub cu o lungime a marginii de 1 cm, suprafața interioară depășește suprafața exterioară cu un factor mai mare de 10.000.

În principiu, adsorbabilitatea unui compus crește odată cu acesta

creșterea greutății moleculare
creșterea numărului de grupări funcționale precum legături duble sau liganzi halogeni
polarizarea crescândă a moleculei. [2]

Extracţie

Cărbunele activ este fabricat din substanțe vegetale, animale, minerale sau petrochimice. Materiile prime utilizate sunt z. B. lemn, turbă, coji de nuci, cărbune maro sau bituminos sau materiale plastice. În consecință, este, de asemenea, cunoscut sub numele de biochar. Ca cărbune animal, lat. carbo animalis, se numește cărbune activ, care este fabricat din sânge de animal (cărbune de sânge) sau din oase (cărbune osos). Cu Cărbune de zahăr este un cărbune activ care este fabricat din glucoză sau alt zahăr ca produs de pornire. [3]

Două procese pot fi utilizate pentru producție și activare, și anume: [4]

activarea gazului și
activare chimică

În Activarea gazului materialul deja carbonizat este tratat într-un flux de gaze oxidante, cum ar fi vapori de apă, dioxid de carbon, aer sau amestecuri ale acestor gaze. Întrucât acest lucru are loc la temperaturi de 800–1000 ° C, o parte din carbon este gazificată prin procedeul de gaze cu apă. Acesta formează cărbunele activ poros și extrem de activ.

Când faci cu activare chimică un amestec de materie primă necarburată este tratat cu substanțe chimice. Acest lucru se face în general prin utilizarea cu agenți de deshidratare (de exemplu, clorură de zinc, acid fosforic) la 500-900 ° C sau prin distilare uscată. Cărbunele activ brut obținut în acest mod este apoi activat oxidativ la 700-1000 ° C. cu vapori de apă sau dioxid de carbon și, uneori, cu aer. [5] În timpul acestei activări, o parte din carbon este transformată în monoxid de carbon, ceea ce creează pori suplimentari și crește suprafața carbonului [6] .

În anumite scopuri, cărbunele activ este tratat (impregnat) cu alte substanțe chimice pentru a îmbunătăți efectul de separare. Filtrul de carbon pentru filtrele de respirație din măștile de gaze este acoperit cu săruri metalice, ceea ce îmbunătățește efectul de separare pentru multe toxine chimice. Cărbunele activ cu un strat de argint este potrivit în special pentru filtrarea apei potabile. Contaminarea acestor filtre în timpul funcționării este în mare parte suprimată de argint.

Domenii de aplicare

Purificarea lichidelor și gazelor

Cărbunele activ este utilizat în principal ca adsorbant pentru a elimina culoarea, aroma și mirosul nedorit din gaze, vapori și lichide. Un mare avantaj al carbonilor activi este că pot fi reactivați termic. O reactivare biologică este posibilă și cu cărbunele activ utilizat pentru tratarea apelor uzate. [7]

Cărbunele activ este utilizat în principal sub formă de granule, sub formă de pulbere sau sub formă de pelete. Țesăturile cu carbon activ sunt, de asemenea, disponibile pe piață.

De exemplu, cărbunele activ elimină:

Clor, ozon și alte substanțe care afectează gustul și mirosul, precum și bacteriile din apă, îndulcitori, glicerină și lichide chimice
Substanțe colorante și contaminanți din fluxurile de lichide din industria chimică sau alimentară
Toxine din aer (filtre în măști de gaze, sisteme de ventilație pentru rezervoare și adăposturi, aer evacuat în sistemele de producție)
Hexafluorură de uraniu din aer în tehnologia nucleară (producția de combustibil)
Vapori de benzină din aerul evacuat al sistemelor de rezervoare
Hidrocarburi clorurate din aerul evacuat și gazele evacuate z. B. în curățarea chimică
Gudron din fumul de țigară din filtrele de țigări
arome nedorite de la vodcă și alte spirite
culori nedorite din romul alb și alte spirite
Miros de transpirație în pantofi (datorită branțurilor care conțin cărbune activ)
Subproduse de fermentație, cum ar fi uleiuri fusel și esteri din bere
Poluanții din filtrele de acvariu și iaz
mirosuri neplăcute din aerul evacuat din ventilația camerei
Praful fin, polenul și mirosurile din aerul de alimentare al vehiculelor (vezi filtrul de aer din cabină)

În tratarea apelor uzate, cărbunele activ este utilizat pentru a adsorbi din apă componentele adsorbabile, dizolvate. Această etapă a procesului este de obicei utilizată numai atunci când metodele mai ieftine, cum ar fi procesele biologice, precipitațiile și flocularea, nu ating obiectivul. Această metodă poate fi utilizată și pentru curățarea fluxurilor parțiale din industrie, cu scopul recuperării reziduurilor. Apele uzate din vopselele textile conțin coloranți care adesea pot fi îndepărtați numai prin adsorbție cu cărbune activ. Acest lucru se poate face economic cu cărbune activ regenerat biologic. [7]

O altă aplicație importantă pentru cărbunele activ este în filtrele de aer din cabină pentru industria auto. Această clasă de filtrare a fost utilizată în sistemele de aer condiționat de la mijlocul anilor 1990. Așa-numitele filtre combinate (aceasta este o clasă specifică de filtre de aer din cabină) conțin un strat de cărbune activ, care filtrează gazele nocive din aer și astfel protejează pasagerii de acești poluanți. Pentru această aplicație, peste 5000 de tone de cărbune activ sunt procesate în fiecare an la nivel mondial.

În liniile de aer evacuate ale centralelor nucleare, filtrele cu cărbune activ sunt utilizate ca linii de întârziere pentru gazele nobile radioactive de scurtă durată. Datorită adsorbției temporare, gazele nobile trec prin secțiunile filtrului mult mai încet decât restul aerului evacuat. Dezintegrarea radioactivă reduce semnificativ cantitatea de gaze nobile radioactive din aerul evacuat.

Tratarea apei folosește și adsorbția pe cărbune activ pentru a purifica apa brută.

Datorită capacității sale ridicate de adsorbție, cărbunele activ poate fi utilizat și în pompele de sorbție pentru a genera aspirații.

Carbonul activ are doar o capacitate de încărcare limitată. Regenerarea are loc de obicei prin încălzire la câteva sute de grade Celsius. Pe de o parte, o parte din sarcină (de exemplu, solvenți organici) se evaporă, dar o altă parte poate de asemenea să se cocsifice, caz în care cărbunele activ trebuie reactivat cu vapori de apă, ca în procesul de producție.

Aplicație medicală

În medicină, cărbunele activ este utilizat în principal pentru îndepărtarea toxinelor din tractul gastro-intestinal. În bolile diareice inofensive, de ex. B. gripa gastrointestinala (gastroenterita), se folosesc de obicei tablete de carbune. În caz de otrăvire, cărbunele activ este utilizat în cantități mari pentru a îndepărta otrăvurile ingerate oral care se află în tractul digestiv sau sunt supuse unui ciclu enterohepatic din organism. Dozarea în astfel de cazuri este de 0,5 până la 1 g de cărbune pe kilogram de greutate corporală la un om adult.

Colorant alimentar

Cărbunele activ este utilizat în industria alimentară ca agent de colorare E 153. E 153 este utilizat în concentratele de suc de fructe, jeleuri, gemuri, cofetărie și în acoperirile cu ceară neagră pentru brânză.