Активированный уголь

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Активированный уголь
Активированный уголь (carbo activatus)
Действующее вещество
Активированный уголь
Классификация
АТХ A07BA01
Лекарственные формы
таблетки, гранулы, капсулы
Торговые названия
Уголь активированный, Карбопект, Сорбекс, Ультра-адсорб

Активированный (активный) уголь — пористое вещество, которое получают из различных углеродосодержащих материалов органического происхождения: древесный уголь (марки активированного угля БАУ-А, ОУ-А, ДАК[1] и др.), каменноугольный кокс (марки активированного угля АГ-3, АГ-5, АР и др.), нефтяной кокс, кокосовый уголь и др. Содержит огромное количество пор и поэтому имеет очень большую удельную поверхность на единицу массы, вследствие чего обладает высокой сорбционной способностью. 1 грамм активированного угля в зависимости от технологии изготовления имеет поверхность от 500 до 1500 м²[2]. Применяют в медицине и промышленности для очистки, разделения и извлечения различных веществ.

Химические свойства и модифицирование[править | править исходный текст]

Обычный активированный уголь является довольно реакционоспособным соединением, способным к окислению кислородом воздуха и кислородной плазмой[3] [4] [5] [6] [7] [8] [9],[10], водяным паром[11][12] [13], а также углекислым газом[7] и озоном[14][15][16]. Окисление в жидкой фазе проводят целым рядом реагентов (HNO3, H2O2, KMnO4)[17], [18],[19]. За счёт образования большого количества основных и кислотных групп на поверхности окисленного угля его сорбционные и другие свойства могут существенно отличаться от неокисленного[20]. Модифицированный азотом уголь получают либо исходя из азотсодержащих природных веществ, либо полимеров [21],[22], либо обработкой угля азотсодержащими реагентами [23],[24],[25]. Также уголь способен взаимодействовать с хлором[26],[27] бромом,[28] и фтором[29]. Важное значение имеет серусодержащий уголь, который синтезируют разными путями[30],[31] В последнее время химические свойства угля принято объяснять наличием на его поверхности активной двойной связи[16],[32], [33]. Химически модифицированный уголь находит применение в качестве катализаторов, носителей для катализаторов, селективных адсорбентов, в получении особо чистых веществ, в качестве электродов литиевых аккумуляторов.

Как работает уголь[править | править исходный текст]

Есть два основных механизма, которыми активизированный углерод удаляет загрязнители из воды: адсорбция и каталитическое окисление. Органические соединения удаляются адсорбцией, а окислители, такие как хлор, и хлорамины удаляются каталитическим окислением.

Производство[править | править исходный текст]

В качестве сырья в производстве активированного угля используются материалы органического происхождения: древесина, каменный уголь, битумный уголь, скорлупа кокосовых орехов и др. Указанное сырьё сперва 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 градусов. 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 активного угля в этом варианте процесса заметно снижается. Значение удельной поверхности пор у лучших марок активных углей может достигать 1800—2200 м²; на 1 г угля.[2] Различают макро-, мезо- и микро-поры. В зависимости от размеров молекул, которые нужно удержать на поверхности угля, уголь должен изготавливаться с разными соотношениями размеров пор.

Применение[править | править исходный текст]

В противогазах[править | править исходный текст]

Классический пример использования активированного угля связан с использованием его в противогазах. Разработанный Н. Д. Зелинским противогаз 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.

При производстве сахара[править | править исходный текст]

Первоначально для очистки сахарного сиропа от красящих веществ при сахароварении использовался костная мука. Однако этот сахар нельзя было 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.

Другие области применения[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

Размер пор[править | править исходный текст]

Определяющее влияние на структуру пор активированных углей оказывают исходные материалы для их получения. Активированные угли на основе скорлупы кокосов характеризуются большей долей микропор (до 2 нм), на основе каменного угля — большей долей мезопор (2—50 нм). Большая доля макропор характерна для активированных углей на основе древесины (более 50 нм).

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

Йодное число (Йодный индекс)[править | править исходный текст]

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

Твёрдость[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

Оказывает энтеросорбирующее, дезинтоксикационное и противодиарейное действие. Относится к группе поливалентных физико-химических антидотов, обладает большой поверхностной активностью, адсорбирует 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).

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, абстинентный алкогольный 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.

Примечания[править | править исходный текст]

  1. ГОСТ 6217-74
  2. 1 2 Водоподготовка: Справочник. // Под ред. С. Е. Беликова. М.: Аква-Терм, 2007. — 240 с.
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  7. 1 2 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
  8. Polovina M., Babic B., Kaluderovic B., Dekanski A. Surface characterization of oxidized activated carbon cloth // Carbon −1997. — V.35, № 8. — P.1047-1052
  9. 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
  10. 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
  11. 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
  12. 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
  13. 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
  14. 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
  15. 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
  16. 1 2 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
  17. 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
  18. 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
  19. 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
  20. Тарковская, И. А. Окисленный уголь Текст.: учеб. пособие для вузов / И. А. Тарковская; Киев: Наукова думка. 1981. — 200 с
  21. 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
  22. Biniak S., Szymański G., Siedlewski J., Światkowski A. The characteri¬ zaíion of activated carbons with oxygen and nitrogen surface groups // Carbón. — 1997. — Vol.35, № 12. — P. 1799—1810
  23. 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
  24. Sano H., Ogawa H. Preparation and application nitrogen containing active carbons // Osaka Kogyo Gijutsu Shirenjo. — 1975. — Vol. 26, № 5. — P.2084—2086
  25. ScienceDirect.com — Applied Catalysis A: General — The influence of surface functionalization of activated carbon on palladium dispersion and catalytic activity in hydrogen ox …
  26. ScienceDirect.com — Carbon — The effect of chlorination on surface properties of activated carbon
  27. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/000862239400111C
  28. ScienceDirect.com — Carbon — XPS Study of the halogenation of carbon black-part 1. Bromination
  29. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622397000031
  30. ScienceDirect.com — Carbon — Formation of carbon black-sulfur surface derivatives by reaction with P2S5
  31. ScienceDirect.com — Fuel — Sulfonic groups anchored on mesoporous carbon Starbons-300 and its use for the esterification of oleic acid
  32. ScienceDirect.com — Catalysis Communications — Efficient carbon-based acid catalysts for the propan-2-ol dehydration
  33. Chemical reactions of double bonds in activated carbon: microwave and bromination methods — Chemical Communications (RSC Publishing)

См. также[править | править исходный текст]

Ссылки[править | править исходный текст]