Активированных углей

Марка АУ	Объем пор, см3/г
суммарный,	макропор, Vма	мезопор, Vме	микропор, Vми
СКТ	0,83-0,95	0,26-0,28	0,18-0,19	0,40-0,48
АГ-3	0,83-0,98	0,51-0,60	0,08-0,10	0,24-0,28
АРТ-1	0,70-0,95	0,12-0,30	0,15-0,20	0,43-0,45
ПАУ-1	0,45-0,52	0,01-0,02	0,01-0,02	0,42-0,50
ФАС-З	0,64-0,78	0,01-0,02	0,30-0,36	0,33-0,40

Эти разновидности пор представляют единую разветвленную систему, в которой мезопоры являются ответвлениями от макропор, а микропоры – продолжением мезопор. Определяющую роль в процессах адсорбции играют микропоры, которые в АУ представлены двумя разновидностями: щелевидные микропоры в кристаллитах и межкристаллитные микропоры цилиндрической формы. Основными параметрами микропористой структуры являются объем микропор V_ми и их полуширина х_о.

В микропористых углеродных адсорбентах две разновидности микропор образуют зоны микропористости протяженностью 10–60 нм. Суммарный объем пор между зонами микропористости – это объем мезопор.

В геометрическом и энергетическом отношениях поверхность активных углей весьма неоднородна. Атомы углерода на поверхности находятся в ином электронном состоянии, чем атомы объемной фазы, особенно в местах дефектов кристаллической решетки, на углах, гранях и ребрах кристаллитов. Но считается, что в целом поверхность углеродных адсорбентов электронейтральна и адсорбция веществ на АУ в основном определяется дисперсионными силами.

Анализ имеющихся данных говорит о сложности химического состава поверхности активных углей [4]. При нагревании АУ в интервале температур 0–100 ^оС кислород хемосорбируется на угле с образованием непрочных поверхностных соединений основного характера С_хО_у. При взаимодействии АУ с кислородом при температурах более 200 ^оС образуются поверхностные оксиды преимущественно кислотного характера. Поглощенный кислород в том и другом случае может быть удален с поверхности углей только в виде оксидов углерода.

Угли, содержащие на поверхности химически адсорбированный при комнатной температуре кислород (обычные активные угли), и угли, хемосорбировавшие до 15–25 % кислорода при высоких температурах (окисленные угли), существенно отличаются по свойствам. Поверхностные оксиды на обычном активном угле занимают примерно 2 % поверхности, на окисленном угле – до 20 %. Как показал анализ, на поверхности окисленного угля существуют по крайней мере 4 в разной степени окисленные функциональные группы: фенольные, карбоксильные, лактонные и хиноидные, и эти группы являются фрагментами единой сложной группировки типа фенолфталеина [4].

Вероятность нахождения тех или иных функциональных групп на углеродной поверхности мала. В адсорбции могут принимать участие все функциональные группы и отдельно каждая. При этом число функциональных групп для данного угля не является постоянной величиной, а зависит от температуры, в том числе и от температуры предварительной подготовки активных углей. Х.П. Боем в своих работах [10,11] для характеристики кислых групп окисленных активных углей применил метод нейтрализации основаниями различной силы – NaHCO₃, Na₂CO₃, NaOH и C₂H₅ONa.

При хранении углеродных материалов на воздухе происходит окисление их поверхности («старение»), которое заметно ускоряется в присутствии паров воды [11].

Активированные угли, полученные из природных веществ, неоднородны как по химическому составу, так и по пористости. Угли, полученные при термическом разложении полимеров (например, поливинилиденхлорида), обладают значительно более тонкой и однородной пористостью и более химически однородной поверхностью, почти не несущей оксидов. При адсорбции молекул, обладающих примерно равной массой и различными свойствами (например, О₂, N₂, СО, СН₄, С₂Н₂, С₂Н₄ и СО₂), такой уголь ведет себя как химически и геометрически однородный адсорбент, не проявляющий специфических взаимодействий [12].

Классификация

Большое разнообразие адсорбционных процессов и, соответственно, требований к активным углям привело к существованию многочисленных их классификаций.

1. Классификация по форме частиц:

– гранулированные; форма гранул может быть цилиндрической и сферической. Эти активные угли применяют на установках со стационарным слоем для очистки и разделения газовых и жидкофазных потоков;

– дробленые; зернистая неправильная форма. Применяются во всех вариантах адсорбционных процессов (со стационарным, движущимся, псевдоожиженным слоем адсорбента);

– порошковые; пылевидные частицы размером < 100 мкм. Используются для очистки веществ в жидкой фазе.

2. Классификация активных углей в зависимости от их назначения [7,8].

В этой классификации каждый тип угля отличается характерной структурой пор. Активные угли для:

– адсорбции газов и паров (например, СКТ); предназначены для улавливания примесей, присутствующих в газовых потоках в небольших концентрациях. Эти угли должны обладать большим объемом микропор (не менее 0,3-0,5 см³/г) и умеренно развитой транспортной пористостью (не менее 0,1 см³/г), обеспечивающей достаточную интенсивность диффузии внутри зерна адсорбента;

– рекуперации паров органических растворителей (например, АРТ). Их назначение – улавливание паров органических растворителей с последующей их десорбцией и возвратом растворителей в технологический процесс. Так как стадия десорбции должна проводиться без осложнений, суммарный объем макро- и мезопор рекуперационных углей должен быть примерно равным объему микропор;

– адсорбции из жидкой фазы (осветляющие активные угли, например, БАУ, ОУ, КАД); применяются для поглощения веществ из жидких сред, поэтому их структура должна обладать развитой мезопористостью. Кроме того, осветляющие угли должны содержать не более 10 мас. % минеральных зольных компонентов, особенно водорастворимых;

– очистки почв (угли марки «Агросорб»); предназначены для детоксикации почв, загрязненных пестицидами; для устранения из почвы тяжелых металлов, радионуклидов с одновременным кондиционированием почв. Эти угли должны обладать объемом микропор ~ 0,2–0,3 см³/г) и развитой транспортной пористостью;

– медицинских целей (ФАС-Э, СКТ-6А); применяются для детоксикации организма человека путем поглощения вредных веществ из желудочно-кишечного тракта, крови, плазмы и лимфы. Эти угли должны обладать большими объемами микропор (не менее 0,4–0,5 см³/г) и транспортных пор (не менее 0,4 см³/г). Помимо высокой пористости эти угли должны обладать высокой механической прочностью;

– приготовления катализаторов, осушителей и химических поглотителей [ОЛБ, ОЛ, КГ]; используются в качестве основы, характеризуются развитыми объемами макро- и мезопор.

Помимо перечисленных, существуют еще классификации АУ по типу используемого углеродсодержащего сырья (например каменноугольные, торфяные, полимерные), по способу активации (парогазовой активации, химической активации), по способу формования (экструзионные, брикетированные, жидкостного формования), а также по прочностным свойствам (низкопрочные, высокопрочные).

Реактивированные АУ – это отработанные угли с восстановленными адсорбционными свойствами для повторного использования (АР-Р, АГ-Р).

Определяющими техническими характеристиками активных углей являются адсорбционная способность, прочность при истирании, насыпная плотность, фракционный состав и содержание золы.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: