> Техника, страница 9 > Активированный уголь

Активированный уголь

Активированный уголь, видоизменение мелкопористого аморфного углерода, у которого особенно резко проявляются свойственные вообще углю (и другим пористым телам) поверхностные явления, а именно: а) а д с о р б ц и я, то есть поглощение или сгущение на поверхности угля различных газов и растворенных веществ, и б) каталитическое действие, то есть изменение скорости некоторых хим. реакций в присутствии А. у. В промышленности А. у. считают угли, полученные особыми методами или подвергнутые специальной дополнительной обработке (активации), когда их активность доведена до степени, удовлетворяющей требованиям технического применения. При этом возможно, по желанию, усиливать ту или иную сторону активности и придавать ей узко-специфический характер, в зависимости от промышленного назначения угля. Активные свойства А. у. выступают тем отчетливее, чем больше поверхность угля, приходящаяся на единицу его веса (уд. поверхность). А д-сорбц ионная способность, свойственная всем вообще телам, в А. у. выражена наиболее ярко благодаря огромной величине поверхности. Адсорбция (смотрите) происходит на границе соприкосновения твердой фазы (угля) с жидкой или газообразной. Т. к. адсорбционная способность

А. у. по отношению к различным веществам различна, то при внесении в жидкие растворы и газовые смеси А. у. обнаруживает явление избирательной адсорбции, поглощая одни вещества в большей степени, чем другие. Поэтому А. у. может служить для отделения (улавливания) из газовой смеси определенных газов и паров, являющихся технически ценными продуктами или вредными примесями, а также для извлечения всякого рода растворенных примесей из жидкостей (обесцвечивание, удаление смол, и тому подобное.). Последнее относится гл. обр. к водным растворам, но отчасти распространяется также на растворы меводные и коллоидальные. Катализирующее действие (смотрите Катализ) А. у. всегда положительно: он ускоряет течение многих хим. реакций, совершающихся в газообразной или жидкой фазе.

История. Активные свойства угля и отдельные представители группы А. у. известны очень давно. Напр. уже с 1820 г. в сахарной промышленности применялся костяной уголь для обесцвечивания клерса. В 1785 г. русск. ученый Ловиц открыл свойство древесного угля удалять из водных растворов многие окрашивающие примеси. Соссюр в 1814 г. исследовал адсорбцию зерненым углем паров и газов и открыл возможность выделять летучие примеси из газовых смесей. В начале 20 в это свойство угля было использовано герм, заводами для извлечения ароматических углеводородов из светильного газа. В 1915 г. Зелинский предложил древесный А. у. в качестве поглотителя отравляющих веществ из воздуха в фильтрующих противогазах и разработал способ активации готового угля. Вскоре противогазы с А. у. были введены в армиях всех стран. В послевоенное время применение А. у. охватило почти все отрасли хим. промышленности.

Способы получения. Применяются два основных метода получения А. у.: 1) активирование готового угля посредством специальной термической и хим. обработки и 2) прямое получение А. у. обугливанием углеродсодержащих веществ в определенных условиях. 1) Активирование применяется гл. обр. для получения зер-неных А. у. из углей растительного или минерального происхождения, чаще всего — древесных углей. Необходимое условие того, чтобы уголь хорошо активировался,— его аморфное строение и пористость; для этого надо, чтобы уже исходное сырье имело пористую структуру (древесина), a t° обугливания была не выше 600° (при высших t° углерод может выделяться в кристаллическом состоянии). Задача активирования угля — достичь наивысшей пористости и чистоты поверхности, при определенной хим. структуре углерода. Это достигается прокаливанием угля при высокой t° (800—1 100°) с одновременной обработкой каким-либо химически действующим газом (водяной пар, С0₂, NH₃, S0₂, воздух). Часто активации предшествует пропитывание угля растворами щелочей, солей и кислот; в этом случае за активацией обычно следует выщелачивание А. у. жидким рас творителем и вторичное прокаливание. Нередко практикуется пропитывание не самого угля, а исходной древесины перед ее обугливанием. Применяемые для этого материалы для пропитывания делятся: а) на кислотные—дегидратирующие и понижающие t° разложения древесины (H₂S0₄, ZnCl₂, MgClj, СаС1_а), б) на щелочные (NaOH, КОН, карбонаты Na и К) и в) на дающие остов для отложения активного углерода rNaCl, Na_aSi0₃, Na₂S0₄, CaS0₄, СаН₄(Р0₄)₂, Si0₂]. Иногда, наконец, древесина подвергается предварительной экстракции растворителями, для удаления смол, камедей и масел. 2) Прямым обугливанием получаются гл. обр. порошкообразные или рыхлые («мягкие») А. у. из: а) растительных веществ — дерева, торфа, целлулозы, лигнина, б) хим. продуктов·—целлулозных щелоков, сахара, в) животных—костей, крови, волоса, обрезков кожи, г) минеральных — нефти, сланцевых масел. Активирование здесь происходит одновременно с обугливанием материала. Оно также связано с аморфным строением и большим развитием поверхности выделяемого углерода; к этому присоединяется требование, чтобы углерод становился активным в процессе своего образования. Низкая t° обугливания и быстрое проведение процесса благоприятствуют этому. Широко практикуются пред-варите-тыюе пропитывание или смешивание сырья с минеральными веществами; материалы пропитывания те же, что указаны выше. Полученный А. у. иногда подвергается дополнительной активации (по способу 1).

Хим. состав и физ. структура. По хим. составу А. у. не представляют чистого углерода, но содержат его 80—99%; остальное приходится на водород, кислород, азот, зольные вещества и вещества пропиток, введенных при получении А. у. Пористость А. у. колеблется от 15 до 79% по объёму, в отдельных случаях она достигает 97,5%. Поры имеются двоякого рода: а) крупные, видимые в микроскоп, занимают до 18% объёма и имеют (в древесных А. у.) диам. от 10^-3 до 10^-4 см; б) микро-поры, или «ультраиоры», невидимые в микроскоп и играющие главную роль в адсорбционных процессах; диам. их из данных опыта исчисляется в 9,2.10~⁷—2,8.10^-7 сантиметров (Lowry and Hulet); теорет. соображения заставляют допускать существование пор еще меньшего размера, порядка 1СГ⁸ сантиметров и даже менее (О. Ruff). Активная поверхность на 1 г А. у. равна 200—1000 м² или 160 — 430м² (Lowry and Hulet), 500 м² (Eucken), 460—747 м² (Ο. Ruff). Истинный уд. в (вещества угля) d=1,45—1,88, в некоторых случаях достигает 2,10—2,38. Кажущаяся плотность (угля с порами) s=0,05—2,30, обычно 0,40—1,33. Вес 1 л А. у. равен 30—1 000 г, обычно 170—700 г.

Активность. Понятие активности А. у. обычно относят к их адсорбционному действию; для каталитического действия еще не выработано точного критерия активности. Активность адсорбционных углей определяют как предельное количество какого-нибудь вещества, поглощаемого ими из раствора или из газовой смеси; ее выражают в процентах на единицу веса А. у. В отношении растворенных веществ (фенол, сулема, органические краски и тому подобное.) активность угля после активации возрастает до 50:1, в отношении газов — до 5:1. При исследовании противогазовых А. у. понятие активности усложняется. Здесь различают: 1) полную активность — предельное количество данного газа, поглощаемое весовой (или объёмной) единицей А. у. в атмосфере чистого газа; 2) статическую активность — предельное количество газа, поглощаемое из атмосферы данной концентрации (при концентрации равной 100% статическая активность превращается в полную); 3) динамическую активность (зависящую от скорости адсорбции) — количество газа, поглощаемое данным слоем А. у. из струи газовой смеси данной концентрации, при данной ее скорости, до момента «проскока» газа. Последнюю величину чаще выражают в минутах и называют «временем защитного д е и с т в и я». Хороший противогазовый А. у. должен иметь высокую динамическую активность и высокую статическую активность на единицу объёма. На активность А. у. влияют следующие факторы: 1) Постоянные, присущие данному сорту А. у.:

а) удельная поверхность (на единицу веса),

б) объём капиллярного пространства на единицу веса (пористость), в) сечение капилляров (пор), г) величина зерен, д) химич. характер поверхности, е) присутствие посторонних веществ в А. у. 2) Переменные: а) природа адсорбируемых веществ, б) концентрация последних, в) аггрегатное состояние среды (газ или жидкость), г) темп-ра,

д) давление, е) влажность А. у. и ж) степень изношенности его (количество ранее поглощенных веществ). Полная активность А. у. пропорциональна величине уд. поверхности. Активность на единицу объёма растет пропорционально кажущейся плотности s. Скорость адсорбции пропорциональна полной активности и обратно пропорциональна кубу кажущейся плотности s угля и кв. корню из молекулярного веса М адсорбируемого вещества (приближенно). Скорость адсорбции для различных А. у. может колебаться в пределах от 1 до 400.

Классификация и примене-н и е. А. у. применяются в порошкообразном или зерненом виде: порошки — там, где скорость диффузии поглощаемого вещества очень мала (главн. обр. в жидких средах); зерненые угли — там, где скорость диффузии достаточна (газы) и где требуется поглощать большие количества веществ. В последнем случае играет большую роль капиллярная конденсация сжиженных паров вещества в порах А. у. По промышленному применению все А. у. делятся на следующие группы: 1) Конденсационные угли— обычно зерненые, твердые; они получаются активированием древесных углей, кокса, обугленного сахара, кокосовой скорлупы ит. п.; применяются для улавливания углеводородов (бензол) из светильного газа и паров летучих растворителей (, эфир, бензин) из воздуха; поглощенное вещество регенерируют из А. у. нагреванием или т. э. т. т. обработкой перегретым паром. 2) Противогазовые угли — зерненые, твердые; получаются активацией углей, приготовляемых из различных пород дерева, скорлупы орехов и плодовых косточек, антрацита, прессованной сажи или угольной пыли и т. д. Применяются для очищения воздуха от газообразных ядовитых примесей — в войсковых и промышленных противогазах (смотрите), фильтрах-поглотителях для газоубежищ (смотрите), приборах для дезодорации и очистки воздуха рабочих помещений и тому подобное. От конденсационных углей отличаются более высокой динамической активностью.

3) Медицинские угли — порошкообразные, применяются при некоторых заболеваниях кишечника. Активность определяется по поглощению метиленовой сини (органической краски) из водного раствора.

4) Обесцвечивающие угли — порошкообразные или мелкозернистые, мягкие; получаются из древесины, соломы, бурого угля, торфа, древесных экстрактов, целлулозных щелоков, барды, патоки, крови, отбросов животного происхождения, нефти, сланцевых масел и др.; могут быть получены из углей (1), (2) и (5) путем обработки кислотами. Применяются для обесцвечивания сахарных сиропов, растительных экстрактов, кислот и всевозможных растворов, для осветления вин, масел и т. д. Активность устанавливается в водных растворах.

5) Угли, адсорбирующие металлы— порошкообразные, мягкие. Получаются обугливанием дерева или сахара в присутствии щелочей. Применяются для извлечения благородных металлов (золото, серебро, платина) из разбавленных растворов их солей. Металл при этом осаждается на А. у. в свободном состоянии. 6) Кат а-лизирующие или контактные угл и — порошкообразные или зерненые. Обычно тождественны с (4) или (2). Применяются как катализаторы в нек-рых хим. процессах: при получении а из СО и С1₂, хлористого сульфурила из S0₂ и С1_а, при окислении сероводорода в серу кислородом воздуха, и тому подобное. Если реакция ведется в газообразной среде, предпочитают зерненые угли, в жидкой среде — порошкообразные.

Теорий активности А. у. существует несколько. По Чанею, в каждом угле имеются две модификации углерода— активная и неактивная. По Дебаю и Шереру, активный углерод есть аморфный графит, находящийся в состоянии тончайшего раздробления. О. Руфф принимает существование особых активных «ненасыщенных» атомов углерода (которых имеется по одному на каждые 12 обыкновенных атомов С), которые и являются центрами притяжения для молекул адсорбируемого вещества. Активирование, с этой точки зрения, состоит в удалении неактивной пленки, закрывающей активные атомы. По Гербсту, активность А. у. обусловлена присутствием в поверхностном слое ненасыщенных молекул углерода, имеющих кольцеобразное строение (С₃, С₄, С₆ и С₆). По Мекленбургу, активность угля есть свойство не вещества, но его структуры (пористость, строение поверхностного слоя и тому подобное.).

24

Лит.: «Химическая Промышленность», Берлин, 7, стр. 185, 1923, 2, стр. 37, 3, стр. 71, 1925, 4, стр. 128, 1926; Herbst Heinrich, «Biome-chanische Ztschr.», Berlin, 1921, В. 115, Η. 3 — 6, ρ. 204, В. 118, ρ. 103; Herbst Η., «Kolloidche-mische Beihefte», Dresden-Lpz., 1925, В. 21, Η. 1—2; Ruff Ο. u. audere, «Kolloid-Ztschr.», Dresden-Lpz., 1924, B. 34, H. 3, p. 135, 1925, B. 32, H. 4, p. 225, 1926, B. 38, H. 1, p. 59; Mecklenburg W. «Ztschr. f. angew. Chemie», Lpz., 1924, Jg. 37, 45, p. 873; «Ztschr. f. Elektrochemie u. angewandte physi-kalische Chemie», Lpz., 1925, B. 31, 9; Mc К ее Ralph a. Horton Paul, «Chemical a. Metallurgical Engineering», N. Y., 1925, v. 32, 1, p. 13, 2, p. 56, 4, p. 164. В. Янковский.