Struktur karbon aktif

Apa itu karbon aktif (karbon aktif)

Karbon yang diaktifkan (diaktifkan) adalah penyerap karbon yang dihasilkan dengan kaedah perindustrian. Karbon aktif mempunyai petunjuk kualiti standard. Kapasiti penyerapan, luas pori karbon aktif, ukuran zarah dan sejumlah petunjuk lain ditetapkan oleh standard atau keadaan teknikal pengeluaran..

Perkara utama dalam karbon aktif adalah liang

Karbon aktif mempunyai struktur berpori dan permukaan dalaman yang besar. Oleh kerana sifat ini, karbon aktif digunakan sebagai penyerap. Karbon aktif dapat mengekalkan molekul pencemar di permukaan dalaman liang semasa pembersihan air, pembersihan udara, cecair dan gas.

Isi pori karbon aktif, menurut definisi, melebihi 0.2 ml / g; permukaan dalaman lebih dari 400 m persegi / tahun. Pori boleh berukuran dari 0.3 nanometer hingga beberapa ribu nanometer (1 nanometer = 10 -9 cm).

Struktur karbon aktif

Struktur molekul karbon aktif mengandungi karbon dalam bentuk pelantar atau cincin beberapa atom. Mereka membentuk dinding pori molekul karbon aktif. Biasanya cincin mempunyai jurang. Kerana kecacatan struktur inilah reaksi boleh berlaku di tempat pecah cincin..

Pori-pori karbon aktif dikelaskan berdasarkan diameter:

  • Mikropori karbon aktif - kurang dari 1 nanometer.
  • Mesopori karbon aktif - dari 1 hingga 25 nanometer.
  • Makropori karbon aktif - lebih dari 25 nanometer.

Bahan mentah untuk pengeluaran karbon aktif

Karbon aktif boleh dibuat dari bahan karbon. Pada dasarnya, karbon aktif dihasilkan dari tempurung kelapa - karbon aktif kelapa, arang batu - karbon aktif mineral atau kayu - karbon aktif arang.

Pengeluaran karbon aktif

Pengeluaran karbon aktif dari bahan mentah berpori rendah terdiri daripada pengaktifan, penghancuran dan penyaringan menjadi pecahan. Apabila diaktifkan, struktur yang mengandungi sebilangan besar liang terbentuk. Dalam pengeluaran gred khas karbon aktif, operasi lain mungkin ada..

Kaedah pengaktifan arang batu

Terdapat dua kaedah pengaktifan dalam pengeluaran karbon aktif:

  • Pengaktifan wap.

Pengaktifan wap pada suhu 700 - 900 ° C. Pori terbentuk dalam struktur dalaman karbon aktif, menghasilkan karbon aktif liang halus. Dengan pengaktifan wap, pengoksidaan arang batu sebahagian berlaku.

  • Pengaktifan kimia.

Bahan mentah dicampurkan dengan bahan penyahhidratan (asid atau zink klorida) dan dipanaskan hingga 400 - 600 ° C. Hasilnya adalah karbon aktif berlubang kasar yang digunakan, misalnya, untuk perubahan warna..

Penjerapan dan penyerapan

Pengumpulan zat dalam liang sorben disebut penjerapan. Penjerapan berlaku apabila gas atau cecair melalui karbon aktif. Desorpsi - pembebasan dari sorben bahan yang terkumpul dalam proses penjerapan.

Bezakan antara penjerapan fizikal dan kemiserapan:

  • Penjerapan fizikal berlaku terutamanya akibat tindakan daya van der Waals, dan sifat kimia bahan yang diserap tidak berubah. Penjerapan fizikal boleh diterbalikkan, bahan yang diserap dapat dipisahkan dari penyerap.
  • Semasa chemisorption, bahan tersebut memasuki reaksi kimia dengan sorben. Kedua-dua sifat kimianya dan sifat sorbennya berubah. Chemisorption tidak dapat dipulihkan.

Bahan yang diserap oleh karbon aktif

Karbon aktif dapat menyerap bahan organik dan bukan polar, seperti pelarut, hidrokarbon berklorin, pewarna, minyak dan produk petroleum. Bahan dan molekul tinggi dengan struktur bukan kutub lebih baik diserap.

Kemungkinan penyerapan oleh karbon aktif meningkat dengan penurunan kelarutan suatu zat di dalam air, untuk bahan dengan struktur tidak polar dan dengan peningkatan berat molekul.

Gambaran grafik penjerapan oleh karbon aktif sebagai isoterm penjerapan

Adsorpsi, sebagai fungsi kepekatan bahan yang akan diserap, dinyatakan sebagai isoterm. Isoterm menggambarkan keseimbangan antara bahan dalam cecair atau udara yang mesti diserap (kepekatan sisa) dan bahan yang diserap dalam karbon aktif (jumlah maksimum pada kepekatan sisa ini). Biasanya, kapasiti maksimum meningkat dengan peningkatan kepekatan awal..

Karbon diaktifkan

Bahan mentah dan komposisi kimia

Struktur

Pengeluaran

Pengelasan

Ciri-ciri utama

Kawasan penggunaan

Penjanaan semula

Sejarah

Karbonut aktif

Dokumentasi

Bahan mentah dan komposisi kimia

Karbon aktif (atau diaktifkan) (dari Lat.carbo activatus) adalah penjerap - bahan dengan struktur berpori yang sangat maju, yang diperoleh dari pelbagai bahan yang mengandungi karbon dari organik, seperti arang, kok arang batu, kok petroleum, tempurung kelapa, kenari, lubang aprikot, zaitun dan tanaman buah-buahan lain. Yang terbaik dari segi kualiti pembersihan dan jangka hayat dianggap sebagai karbon aktif (karbolena), terbuat dari tempurung kelapa, dan kerana kekuatannya yang tinggi dapat dihasilkan berulang kali.

Dari sudut kimia, karbon aktif adalah salah satu bentuk karbon dengan struktur yang tidak sempurna, praktikalnya bebas dari kekotoran. Karbon aktif adalah 87-97% berat karbon; ia juga boleh mengandungi hidrogen, oksigen, nitrogen, sulfur dan bahan lain. Dari segi komposisi kimianya, karbon aktif serupa dengan grafit, bahan yang digunakan, termasuk dalam pensel biasa. Karbon aktif, berlian, grafit - ini adalah semua bentuk karbon yang praktikal bebas daripada kekotoran. Mengikut ciri strukturnya, karbon aktif tergolong dalam kumpulan karbon jenis mikrokristalin - ini adalah kristal grafit yang terdiri daripada pesawat yang panjangnya 2-3 nm, yang seterusnya dibentuk oleh cincin heksagon. Walau bagaimanapun, orientasi satah kisi individu yang saling berkaitan dalam bara aktif, khas untuk grafit, dilanggar - lapisan dipindahkan secara rawak dan tidak bertepatan dengan arah tegak lurus dengan satahnya. Sebagai tambahan kepada kristal grafit, karbon aktif mengandungi dari satu hingga dua pertiga karbon amorf; bersamaan dengan ini, terdapat heteroatom. Jisim tidak homogen, terdiri daripada grafit dan kristal karbon amorf, menentukan struktur berpori khas karbon aktif, serta sifat penjerapan dan fizikomekaniknya. Kehadiran oksigen terikat secara kimia dalam struktur karbon aktif, yang membentuk sebatian kimia permukaan asas atau berasid, secara signifikan mempengaruhi sifat penjerapannya. Kandungan abu karbon aktif boleh 1-15%, kadang-kadang deh abu menjadi 0,1-0,2%.

Struktur

Karbon aktif mempunyai sejumlah besar liang dan oleh itu mempunyai permukaan yang sangat besar, akibatnya ia mempunyai penjerapan yang tinggi (1 g karbon aktif, bergantung pada teknologi pembuatan, mempunyai permukaan 500 hingga 1500 m 2). Ini adalah tahap keliangan tinggi yang menjadikan karbon aktif "diaktifkan". Peningkatan keliangan karbon aktif berlaku semasa rawatan khas - pengaktifan, yang meningkatkan permukaan penjerap dengan ketara.

Dalam karbon aktif, terdapat pori makro, meso dan mikro. Bergantung pada ukuran molekul yang akan disimpan di permukaan arang batu, arang batu dengan nisbah ukuran liang yang berbeza mesti dihasilkan. Pori dalam karbon aktif dikelaskan mengikut dimensi liniernya - X (lebar setengah - untuk model liang celah, jejari - untuk silinder atau sfera):

  • X 100-200 nm - makropori.

Untuk penjerapan dalam mikropori (isipadu khusus 0,2-0,6 cm 3 / g dan 800-1000 m 2 / g), ukurannya sebanding dengan molekul yang diserap, mekanisme pengisian volumetrik terutama bersifat. Penjerapan serupa juga berlaku pada supermikropori (isipadu tertentu 0,15-0,2 cm 3 / g) - kawasan pertengahan antara mikropori dan mesopori. Di rantau ini, sifat mikropori secara beransur-ansur merosot, sifat-sifat mesopori muncul. Mekanisme penjerapan dalam mesopori terdiri dalam pembentukan berurutan lapisan penjerapan (penjerapan polimolekul), yang berakhir dengan pengisian pori dengan mekanisme pemeluwapan kapilari. Untuk karbon aktif biasa, isipadu mesopori tertentu ialah 0,02-0,10 cm 3 / g, permukaan khusus 20-70 m 2 / g; namun, bagi sebilangan karbon aktif (contohnya, menjelaskan), petunjuk ini masing-masing boleh mencapai 0,7 cm 3 / g dan 200-450 m 2 / g. Makropori (isipadu dan permukaan tertentu, masing-masing, 0,2-0,8 cm 3 / g dan 0,5-2,0 m 2 / g) berfungsi sebagai saluran pengangkutan, membekalkan molekul bahan yang diserap ke ruang penjerapan butiran karbon aktif. Mikro dan mesopori membentuk bahagian terbesar permukaan karbon aktif, masing-masing, mereka memberikan sumbangan terbesar terhadap sifat penjerapan mereka. Mikropori sangat sesuai untuk penjerapan molekul kecil dan mesopori sangat sesuai untuk penjerapan molekul organik yang lebih besar. Pengaruh yang menentukan pada struktur liang karbon aktif diberikan oleh bahan makanan dari mana ia diperoleh. Karbon aktif berdasarkan tempurung kelapa dicirikan oleh bahagian mikropori yang lebih besar, dan karbon aktif berdasarkan arang batu - bahagian mesopori yang lebih besar. Sebilangan besar makropori adalah ciri karbon aktif berasaskan kayu. Sebagai peraturan, semua jenis liang terdapat dalam karbon aktif, dan keluk pembezaan pengedaran isipadu mengikut ukuran mempunyai 2-3 maksimum. Bergantung pada tahap perkembangan supermikropori, karbon aktif dibezakan dengan taburan yang sempit (liang-liang ini praktikal tidak ada) dan lebar (berkembang dengan ketara).

Di dalam liang karbon aktif, terdapat tarikan intermolekul, yang membawa kepada kemunculan daya penjerapan (daya van der Waals), yang secara semula jadi serupa dengan gaya graviti, dengan satu-satunya perbezaan bahawa mereka bertindak pada molekul dan bukan pada tahap astronomi. Kekuatan ini menimbulkan reaksi seperti pemendakan di mana zat yang diserap dapat dikeluarkan dari aliran air atau gas. Molekul-molekul pencemar yang akan dikeluarkan disimpan di permukaan karbon aktif oleh daya van der Waals intermolekul. Oleh itu, karbon aktif menyingkirkan bahan cemar dari bahan yang akan disucikan (sebaliknya, misalnya, dari perubahan warna, apabila molekul kotoran berwarna tidak dikeluarkan, tetapi secara kimia ditukar menjadi molekul tidak berwarna). Tindak balas kimia juga boleh berlaku antara bahan yang teradsorpsi dan permukaan karbon aktif Proses-proses ini disebut penjerapan kimia atau chemisorption, tetapi pada dasarnya proses penjerapan fizikal berlaku semasa interaksi karbon aktif dan bahan yang teradsorpsi. Chemisorption digunakan secara meluas dalam industri untuk pemurnian gas, pembuangan gas, pemisahan logam, dan juga dalam penyelidikan saintifik. Penjerapan fizikal boleh diterbalikkan, iaitu bahan yang diserap dapat dipisahkan dari permukaan dan dikembalikan ke keadaan asalnya dalam keadaan tertentu. Dalam chemisorption, zat yang diserap terikat ke permukaan melalui ikatan kimia, mengubah sifat kimianya. Chemisorption tidak boleh diterbalikkan.

Sebilangan bahan lemah terserap di permukaan karbon aktif konvensional. Bahan ini merangkumi ammonia, sulfur dioksida, wap merkuri, hidrogen sulfida, formaldehid, klorin dan hidrogen sianida. Untuk membuang bahan-bahan tersebut dengan berkesan, digunakan karbon aktif yang diresapi dengan reagen kimia khas. Karbon aktif yang diresapi digunakan di kawasan khusus pemurnian udara dan air, alat pernafasan, untuk tujuan ketenteraan, dalam industri nuklear, dll..

Pengeluaran

Untuk pengeluaran karbon aktif, tungku pelbagai jenis dan reka bentuk digunakan. Yang paling meluas adalah: tanur putar berbilang rak, poros, mendatar dan menegak, serta reaktor tempat tidur yang bocor. Sifat utama karbon aktif dan, terutama sekali, struktur berpori ditentukan oleh jenis bahan mentah awal karbon dan kaedah pemprosesannya. Mula-mula, bahan mentah yang mengandung karbon dihancurkan hingga ukuran zarah 3-5 cm, kemudian mereka mengalami karbonisasi (pirolisis) - menembak pada suhu tinggi di atmosfera lengai tanpa akses udara untuk menghilangkan bahan mudah meruap. Pada peringkat karbonisasi, kerangka karbon aktif masa depan terbentuk - keliangan dan kekuatan utama.

Walau bagaimanapun, arang batu berkarbonat yang diperoleh (carbonizate) mempunyai sifat penjerapan yang buruk, kerana saiz liangnya kecil dan luas permukaan dalamannya sangat kecil. Oleh itu, karbonisasi dikenakan pengaktifan untuk mendapatkan struktur liang tertentu dan meningkatkan sifat penjerapan. Inti dari proses pengaktifan terdiri dalam membuka liang dalam keadaan tertutup bahan karbon. Ini dilakukan secara termokimia: bahan tersebut sebelumnya diresapi dengan larutan zink klorida ZnCl2, kalium karbonat K2CO3 atau sebilangan sebatian lain dan dipanaskan hingga 400-600 ° C tanpa akses udara, atau, cara pemprosesan yang paling biasa, dengan wap super panas atau karbon dioksida CO2 atau campurannya pada suhu 700-900 ° C dalam keadaan terkawal ketat. Pengaktifan wap adalah pengoksidaan produk berkarbonat ke produk gas sesuai dengan tindak balas - C + H2O -> CO + H2; atau dengan lebihan wap air - C + 2H2O -> CO2+2H2. Diterima secara meluas bahawa sejumlah udara dimasukkan ke dalam alat untuk diaktifkan secara serentak dengan wap tepu. Sebahagian arang batu terbakar dan suhu yang diperlukan tercapai di ruang tindak balas. Hasil karbon aktif dalam versi proses ini dikurangkan dengan ketara. Karbon aktif juga diperoleh melalui penguraian termal polimer sintetik (contohnya, polivinididena klorida).

Pengaktifan dengan wap air membolehkan pengeluaran arang batu dengan luas permukaan dalaman hingga 1500 m 2 per gram arang batu. Berkat luas permukaan ini, karbon aktif adalah penyerap yang sangat baik. Walau bagaimanapun, tidak semua kawasan ini tersedia untuk penjerapan, kerana molekul besar bahan yang diserap tidak dapat menembus ke liang kecil. Dalam proses pengaktifan, keliangan yang diperlukan dan luas permukaan tertentu berkembang, penurunan jisim pepejal yang ketara berlaku, yang disebut burnout..

Hasil daripada pengaktifan termokimia, karbon aktif berpori kasar terbentuk, yang digunakan untuk penyahwarnaan. Hasil daripada pengaktifan wap, karbon aktif berpori halus terbentuk, yang digunakan untuk pembersihan.

Seterusnya, karbon aktif disejukkan dan disortir dan diayak terlebih dahulu, di mana enapcemar disaring keluar, kemudian, bergantung pada keperluan untuk mendapatkan parameter yang ditentukan, karbon aktif dikenakan pemprosesan tambahan: mencuci dengan asid, impregnasi (impregnasi dengan pelbagai bahan kimia), penggilingan dan pengeringan. Kemudian karbon aktif dimasukkan ke dalam pembungkusan industri: beg atau beg besar.

Pengelasan

Karbon aktif diklasifikasikan mengikut jenis bahan mentah dari mana ia dihasilkan (arang batu, kayu, kelapa, dan lain-lain), mengikut kaedah pengaktifan (termokimia dan wap), sesuai dengan tujuan (gas, pemulihan, penjelasan dan pembawa arang batu pemangkin kimia), serta dalam bentuk pelepasan. Pada masa ini, karbon aktif dihasilkan dalam bentuk berikut:

  • karbon aktif serbuk,
  • karbon aktif berbutir (dihancurkan, zarah berbentuk tidak teratur),
  • karbon aktif yang dibentuk,
  • karbon aktif yang diekstrusi (butiran silinder),
  • kain arang aktif.

Karbon aktif serbuk mempunyai zarah kurang dari 0.1 mm (lebih daripada 90% daripada keseluruhan komposisi). Arang batu serbuk digunakan untuk rawatan cecair industri, termasuk rawatan air buangan domestik dan industri. Selepas penjerapan, arang batu serbuk mesti dipisahkan dari cecair untuk disucikan dengan penapisan.

Karbon aktif berbutir dengan zarah yang berukuran dari 0.1 hingga 5 mm (lebih daripada 90% komposisi). Karbon aktif berbutir digunakan untuk pemurnian cecair, terutama untuk pemurnian air. Semasa membersihkan cecair, karbon aktif diletakkan di dalam penapis atau penjerap. Karbon aktif dengan zarah yang lebih besar (2-5 mm) digunakan untuk membersihkan udara dan gas lain.

Karbon aktif berbentuk adalah karbon aktif dalam bentuk pelbagai bentuk geometri, bergantung pada aplikasinya (silinder, tablet, briket, dll.). Arang yang dibentuk digunakan untuk membersihkan pelbagai gas dan udara. Semasa membersihkan gas, karbon aktif juga diletakkan di dalam penapis atau penjerap.

Arang batu yang diekstrusi dihasilkan dengan zarah-zarah dalam bentuk silinder dengan diameter 0,8 hingga 5 mm, sebagai peraturan, ia diresapi (diresapi) dengan bahan kimia khas dan digunakan dalam pemangkin.

Kain yang diresapi karbon tersedia dalam pelbagai bentuk dan ukuran, yang paling sering digunakan untuk pemurnian gas dan udara, misalnya, dalam penapis udara kereta.

Ciri-ciri utama

Ukuran granulometrik (granulometri) - ukuran bahagian utama butiran karbon aktif. Unit ukuran: milimeter (mm), mesh USS (Amerika) dan mesh BSS (Bahasa Inggeris). Jadual ringkasan penukaran ukuran zarah USS - milimeter (mm) diberikan dalam fail yang sesuai.

Ketumpatan pukal adalah jisim bahan yang mengisi satuan isi padu di bawah beratnya sendiri. Unit pengukuran - gram per sentimeter padu (g / cm 3).

Luas permukaan - luas permukaan pepejal berbanding jisimnya. Unit pengukuran - meter persegi hingga gram arang batu (m 2 / g).

Kekerasan (atau kekuatan) - semua pengeluar dan pengguna karbon aktif menggunakan kaedah yang berbeza untuk menentukan kekuatan. Sebilangan besar kaedah berdasarkan prinsip berikut: sampel karbon aktif dikenakan tekanan mekanikal, dan kekuatannya diukur dengan jumlah pecahan halus yang terbentuk semasa pemusnahan arang batu atau pengisaran ukuran rata-rata. Sebagai ukuran kekuatan, jumlah arang batu yang tidak musnah diambil sebagai peratusan (%).

Kelembapan adalah jumlah kelembapan dalam karbon aktif. Unit pengukuran - peratus (%).

Kandungan abu - jumlah abu (kadang-kadang dianggap hanya larut dalam air) dalam karbon aktif. Unit pengukuran - peratus (%).

pH ekstrak berair - nilai pH larutan berair setelah merebus sampel karbon aktif di dalamnya.

Tindakan perlindungan - pengukuran masa penjerapan gas tertentu oleh arang batu sebelum berlalunya kepekatan gas minimum oleh lapisan karbon aktif. Ujian ini digunakan untuk arang batu yang digunakan untuk membersihkan udara. Selalunya, karbon aktif diuji untuk benzena atau karbon tetraklorida (aka karbon tetraklorida CCl4).

Penjerapan STS (penjerapan pada karbon tetraklorida) - karbon tetraklorida dilewatkan melalui isipadu karbon aktif, ketepuan berlaku kepada jisim tetap, maka jumlah wap yang teradsorpsi diperoleh, disebut sampel arang batu dalam persen (%).

Indeks yodium (penjerapan iodin, nombor iodin) - jumlah iodin dalam miligram yang 1 gram karbon aktif dapat menyerap, dalam bentuk serbuk dari larutan berair yang dicairkan. Unit pengukuran - mg / g.

Penjerapan metilena biru adalah bilangan miligram metilena biru yang diserap oleh satu gram karbon aktif dari larutan berair. Unit pengukuran - mg / g.

Perubahan warna molase (bilangan molekul atau indeks, petunjuk untuk molase) - jumlah karbon aktif dalam miligram yang diperlukan untuk penjelasan 50% larutan molase standard.

Kawasan penggunaan

Karbon aktif menyerap bahan organik, molekul tinggi dengan struktur bukan polar, contohnya: pelarut (hidrokarbon berklorin), pewarna, minyak, dan lain-lain. Kemungkinan penjerapan meningkat dengan penurunan kelarutan dalam air, dengan struktur tidak polaritas yang lebih besar dan peningkatan berat molekul. Karbon aktif menyerap wap bahan dengan titik didih yang agak tinggi (contohnya, benzena C6H6), lebih teruk - sebatian mudah menguap (contohnya, ammonia NH3). Pada tekanan wap relatif pR/ Rkita kurang daripada 0.10-0.25 (hlmR - tekanan keseimbangan bahan yang diserap, hkita - tekanan wap tepu) karbon aktif menyerap wap air secara tidak signifikan. Walau bagaimanapun, di hlmR/ Rkita lebih daripada 0.3-0.4, penjerapan ketara diperhatikan, dan dalam hal pR/ Rkita = 1 hampir semua mikropori dipenuhi dengan wap air. Oleh itu, kehadiran mereka dapat merumitkan penyerapan bahan sasaran..

Karbon aktif digunakan secara meluas sebagai penyerap yang menyerap wap dari pelepasan gas (misalnya, ketika membersihkan udara dari karbon disulfida CS2), menangkap wap pelarut mudah menguap untuk tujuan pemulihannya, untuk pemurnian larutan berair (contohnya, sirap gula dan minuman beralkohol), minuman dan air sisa, dalam topeng gas, dalam teknologi vakum, misalnya, untuk membuat pam penyerapan, dalam kromatografi penjerapan gas, untuk mengisi penyerap bau dalam peti sejuk, pemurnian darah, penyerapan bahan berbahaya dari saluran gastrointestinal, dll. Karbon aktif juga boleh menjadi pembawa aditif pemangkin dan pemangkin untuk polimerisasi. Untuk memberikan sifat pemangkin kepada karbon aktif, bahan tambahan khas diperkenalkan ke dalam makro dan mesopori.

Dengan perkembangan pengeluaran karbon aktif industri, penggunaan produk ini semakin meningkat. Pada masa ini, karbon aktif digunakan dalam banyak proses pembersihan air, dalam industri makanan, dalam proses teknologi kimia. Di samping itu, gas buangan dan rawatan air sisa didasarkan pada penjerapan oleh karbon aktif. Dan dengan perkembangan teknologi nuklear, karbon aktif adalah penyerap utama gas radioaktif dan air sisa di loji tenaga nuklear. Pada abad ke-20, penggunaan karbon aktif muncul dalam proses perubatan yang kompleks, misalnya, hemofiltrasi (pemurnian darah pada karbon aktif). Karbon aktif digunakan:

  • untuk rawatan air (pemurnian air dari dioksin dan xenobiotik, karbonasi);
  • dalam industri makanan dalam pengeluaran minuman beralkohol, minuman beralkohol rendah dan bir, penjelasan wain, dalam pengeluaran penapis rokok, pemurnian karbon dioksida dalam pengeluaran minuman berkarbonat, pemurnian larutan pati, sirap gula, glukosa dan xilitol, klarifikasi dan penyahbauan minyak dan lemak, dalam pengeluaran lemon, susu dan asid lain;
  • dalam industri kimia, pengeluaran dan pemprosesan minyak dan gas untuk penjelasan pemplastik, sebagai pembawa pemangkin, dalam pengeluaran minyak mineral, reagen kimia dan cat dan pernis, dalam pengeluaran getah, dalam pengeluaran serat kimia, untuk pemurnian larutan amina, untuk pemulihan uap pelarut organik;
  • dalam aktiviti perlindungan alam sekitar untuk rawatan limbah industri, untuk pembubaran tumpahan minyak dan produk minyak, untuk membersihkan gas buang di kilang pembakaran sampah, untuk membersihkan pelepasan gas-udara pengudaraan;
  • dalam industri perlombongan dan metalurgi untuk pembuatan elektrod, untuk pengapungan bijih mineral, untuk pengekstrakan emas dari larutan dan pulpa dalam industri perlombongan emas;
  • dalam industri bahan bakar dan tenaga untuk pemurnian kondensat wap dan air dandang;
  • dalam industri farmaseutikal untuk penyelesaian pembersihan dalam pembuatan ubat-ubatan, dalam pembuatan tablet arang batu, antibiotik, pengganti darah, tablet Allohol;
  • dalam perubatan untuk membersihkan organisma haiwan dan orang dari racun, bakteria, ketika membersihkan darah;
  • dalam pengeluaran peralatan pelindung diri (topeng gas, alat pernafasan, dll.);
  • dalam industri nuklear;
  • untuk pemurnian air di kolam renang dan akuarium.

Air dikelaskan sebagai air buangan, air tanah dan air minum. Ciri khas klasifikasi ini adalah kepekatan bahan pencemar, yang boleh menjadi pelarut, racun perosak dan / atau hidrokarbon halogen seperti hidrokarbon berklorin. Julat kepekatan berikut dibezakan, bergantung pada kelarutan:

  • 10-350 g / liter untuk air minuman,
  • 10-1000 g / liter untuk air tanah,
  • 10-2000 g / liter untuk air sisa.

Rawatan air kolam tidak sesuai dengan klasifikasi ini kerana kita berurusan dengan penyahklorinan dan penyahtoksikan daripada penyingkiran bahan pencemar yang menjerap secara tulen. Dechlorination dan deozonation digunakan dengan berkesan dalam rawatan air kolam menggunakan karbon aktif shell kelapa, yang mempunyai kelebihan mempunyai permukaan penjerapan yang besar dan oleh itu mempunyai kesan deklorinasi yang sangat baik dengan ketumpatan tinggi. Ketumpatan tinggi membolehkan aliran balik tanpa mengalirkan karbon aktif dari penapis.

Karbon aktif berbutir digunakan dalam sistem penjerapan pegun tidak bergerak. Air yang tercemar mengalir melalui dasar karbon aktif (terutamanya dari atas ke bawah). Agar sistem penjerapan ini berfungsi dengan bebas, air mestilah bebas daripada zarah pepejal. Ini dapat dijamin dengan pra-rawatan yang sesuai (misalnya, menggunakan penapis pasir). Zarah-zarah yang memasuki penapis pegun dapat dikeluarkan oleh aliran balas sistem penjerapan.

Dalam banyak proses industri, gas berbahaya dikeluarkan. Bahan toksik ini tidak boleh dilepaskan ke udara. Bahan toksik yang paling biasa di udara adalah pelarut, yang diperlukan untuk pengeluaran bahan untuk penggunaan sehari-hari. Untuk pemisahan pelarut (terutamanya hidrokarbon, seperti hidrokarbon berklorin), karbon aktif dapat berjaya digunakan kerana penolakan airnya.

Pembersihan udara diklasifikasikan ke dalam kawalan pencemaran udara dan pemulihan pelarut mengikut jumlah dan kepekatan bahan pencemar di udara. Pada kepekatan tinggi, lebih baik mendapatkan pelarut dari karbon aktif (contohnya dengan wap). Tetapi jika bahan toksik terdapat pada kepekatan yang sangat rendah atau dalam campuran yang tidak dapat digunakan kembali, digunakan karbon aktif yang dibentuk, sekali pakai. Karbon aktif berbentuk digunakan dalam sistem penjerapan pegun. Jet pengudaraan yang tercemar melalui tempat tidur arang batu kekal dalam satu arah (terutamanya dari bawah ke atas).

Salah satu bidang utama penggunaan karbon aktif yang diresapi adalah pemurnian gas dan udara. Udara yang tercemar akibat banyak proses teknikal mengandungi bahan toksik yang tidak dapat dikeluarkan sepenuhnya dengan karbon aktif konvensional. Bahan beracun ini, terutamanya bahan polar yang tidak organik atau tidak stabil, boleh menjadi sangat toksik walaupun pada kepekatan rendah. Dalam kes ini, karbon aktif yang diresapi digunakan. Kadang-kadang oleh pelbagai tindak balas kimia antara komponen pencemar dan bahan aktif dalam karbon aktif, bahan pencemar dapat dikeluarkan sepenuhnya dari udara tercemar. Karbon yang diaktifkan diresapi (diresapi) dengan perak (untuk pemurnian air minuman), yodium (untuk pemurnian dari sulfur dioksida), sulfur (untuk pemurnian dari merkuri), alkali (untuk pemurnian dari asid dan gas gas - klorin, sulfur dioksida, nitrogen dioksida, dll. dll), asid (untuk membersihkan dari alkali gas dan ammonia).

Penjanaan semula

Oleh kerana penjerapan adalah proses yang boleh diterbalikkan dan tidak mengubah permukaan atau komposisi kimia karbon aktif, bahan cemar dapat dikeluarkan dari karbon aktif dengan penyerapan (pelepasan bahan yang diserap). Kekuatan van der Waals, yang merupakan daya penggerak utama dalam penjerapan, semakin lemah, jadi tiga kaedah teknikal digunakan untuk memastikan bahawa bahan cemar dapat dikeluarkan dari permukaan arang batu:

  • Kaedah turun naik suhu: Kesan daya Van der Waals menurun ketika suhu meningkat. Suhu dinaikkan oleh aliran nitrogen yang panas atau peningkatan tekanan wap pada suhu 110-160 ° C.
  • Kaedah ayunan tekanan: apabila tekanan separa menurun, kesan daya Van der Waltz menurun.
  • Pengekstrakan - penyerapan dalam fasa cecair. Bahan yang diserap dikeluarkan secara kimia.

Semua kaedah ini mempunyai kekurangan, kerana bahan yang diserap tidak dapat dikeluarkan sepenuhnya dari permukaan arang batu. Sebilangan besar bahan cemar kekal di dalam liang karbon aktif. Semasa menggunakan penjanaan semula wap, 1/3 dari semua zat yang diserap masih kekal dalam karbon aktif.

Penjanaan semula kimia difahami sebagai rawatan sorben dengan reagen organik atau anorganik cair atau gas pada suhu biasanya tidak lebih tinggi daripada 100 ° C. Kedua-dua penyerap karbon dan bukan karbon dijana semula secara kimia. Hasil daripada rawatan ini, sorbat diserap tidak berubah, atau produk interaksinya dengan agen penjana semula diserap. Penjanaan semula kimia sering berlaku secara langsung dalam alat penjerapan. Sebilangan besar kaedah pemulihan kimia sangat khusus untuk jenis sorbat tertentu..

Penjanaan semula terma suhu rendah adalah rawatan sorben dengan wap atau gas pada suhu 100-400 ° C. Prosedur ini agak mudah dan dalam banyak kes ia dilakukan secara langsung di penjerap. Kerana entalpi yang tinggi, wap paling sering digunakan untuk pertumbuhan semula terma suhu rendah. Ia selamat dan tersedia dalam pengeluaran.

Penjanaan semula kimia dan regenerasi terma suhu rendah tidak memberikan pemulihan karbon penjerap sepenuhnya. Penjanaan semula termal adalah proses bertingkat yang sangat kompleks yang mempengaruhi bukan sahaja sorbat, tetapi juga sorben itu sendiri. Penjanaan semula termal hampir dengan teknologi untuk menghasilkan karbon aktif. Semasa pengkarbonan sorbat pelbagai jenis pada arang batu, sebahagian besar kekotoran terurai pada suhu 200-350 ° C, dan pada suhu 400 ° C, kira-kira separuh daripada jumlah adsorbat biasanya musnah. CO, CO2, CH4 - produk penguraian utama sorbat organik dilepaskan apabila dipanaskan hingga 350 - 600 ° C. Secara teori, kos penjanaan semula tersebut adalah 50% daripada kos karbon aktif baru. Ini menunjukkan keperluan untuk meneruskan pencarian dan pengembangan kaedah baru yang sangat efisien untuk penjanaan semula sorben..

Pengaktifan semula - penjanaan semula karbon aktif dengan wap pada suhu 600 ° C. Bahan pencemar dibakar pada suhu ini tanpa membakar arang batu. Ini mungkin berlaku kerana kepekatan oksigen yang rendah dan kehadiran sejumlah besar wap. Wap air secara selektif bertindak balas dengan organik yang teradsorpsi yang sangat reaktif dalam air pada suhu tinggi ini, mengakibatkan pembakaran lengkap. Walau bagaimanapun, pembakaran arang batu yang minimum tidak dapat dielakkan. Kerugian ini mesti diimbangi dengan arang batu baru. Selepas pengaktifan semula, karbon aktif menunjukkan permukaan intrinsik yang lebih besar dan kereaktifan yang lebih tinggi daripada karbon asal. Fakta ini disebabkan oleh pembentukan liang tambahan dan bahan cemar kok dalam karbon aktif. Struktur liang juga berubah - peningkatannya berlaku. Pengaktifan semula dilakukan dalam ketuhar pengaktifan semula. Terdapat tiga jenis kiln: tanur putar, poros dan aliran gas berubah-ubah. Relau aliran gas yang berubah-ubah mempunyai kelebihan kehilangan dan geseran pembakaran yang rendah. Karbon aktif diisi ke aliran udara dan gas pembakaran dapat dibawa ke atas melalui parutan. Karbon aktif sebahagiannya dibuat cecair oleh aliran gas yang kuat. Gas juga mengangkut produk pembakaran semasa pengaktifan semula dari karbon aktif ke afterburner. Udara ditambahkan ke afterburner sehingga gas yang tidak dapat dinyalakan sepenuhnya sekarang dapat dibakar. Suhu meningkat hingga sekitar 1200 ° C. Setelah pembakaran, gas mengalir ke mesin basuh gas di mana gas disejukkan ke suhu antara 50-100 ° C dengan menyejukkan dengan air dan udara. Di ruang ini, asid hidroklorik, yang terbentuk oleh klorohidrokarbon yang diserap dari karbon aktif yang disucikan, dineutralkan dengan natrium hidroksida. Tiada gas beracun (seperti dioksin dan furan) terbentuk kerana suhu tinggi dan penyejukan cepat.

Sejarah

Penyebutan sejarah awal penggunaan arang batu berasal dari India kuno, di mana tulisan suci Sanskrit mengatakan bahawa air minum mesti terlebih dahulu disalurkan melalui arang batu, disimpan di dalam kapal tembaga dan terkena cahaya matahari.

Sifat arang batu yang unik dan bermanfaat juga diketahui di Mesir Kuno, di mana arang digunakan untuk tujuan perubatan seawal 1500 SM. eh.

Orang Rom kuno juga menggunakan arang batu untuk membersihkan air minuman, bir dan wain..

Pada akhir abad ke-18, saintis mengetahui bahawa karbolena mampu menyerap pelbagai gas, wap, dan zat terlarut. Dalam kehidupan seharian, orang mengamati: jika, ketika mendidih air, sedikit arang dibuang ke dalam periuk tempat makan malam dimasak sebelumnya, rasa dan bau makanan hilang. Seiring berjalannya waktu, karbon aktif mulai digunakan untuk menyempurnakan gula, untuk menangkap petrol dalam gas asli, untuk mewarnai kain, menyamak kulit.

Pada tahun 1773, ahli kimia Jerman Karl Scheele melaporkan penjerapan gas pada arang. Kemudian didapati bahawa arang juga boleh mengubah warna cecair..

Pada tahun 1785, ahli farmasi St. Petersburg T.E. Lovitz, yang kemudian menjadi ahli akademik, pertama kali menarik perhatian pada kemampuan karbon aktif untuk membersihkan alkohol. Sebagai hasil daripada eksperimen berulang, dia mendapati bahawa walaupun sekadar minum anggur dengan serbuk arang membolehkan anda mendapatkan minuman yang lebih bersih dan berkualiti..

Pada tahun 1794, arang mula-mula digunakan di sebuah kilang gula Inggeris..

Pada tahun 1808, arang pertama kali digunakan di Perancis untuk menjelaskan sirap gula..

Pada tahun 1811, keupayaan pemutihan arang tulang ditemui ketika menyediakan krim but hitam..

Pada tahun 1830, seorang ahli farmasi, melakukan eksperimen pada dirinya sendiri, mengambil satu gram strychnine di dalamnya dan tetap hidup, kerana pada masa yang sama dia menelan 15 gram karbon aktif, yang menyerap racun kuat ini.

Pada tahun 1915, topeng gas karbon penapis pertama di dunia dicipta di Rusia oleh saintis Rusia Nikolai Dmitrievich Zelinsky. Pada tahun 1916 dia diadopsi oleh tentera Entente. Karbon aktif adalah bahan penyerap utama di dalamnya..

Pengeluaran karbon aktif industri bermula pada awal abad ke-20. Pada tahun 1909, kumpulan karbon aktif serbuk pertama dihasilkan di Eropah.

Semasa Perang Dunia Pertama, karbon aktif dari tempurung kelapa pertama kali digunakan sebagai penyerap pada topeng gas.

Pada masa ini, karbon aktif adalah antara bahan penapis terbaik.

Karbonut aktif

Chemical Systems menawarkan pelbagai jenis karbon aktif Karbonut yang telah membuktikan diri mereka dalam pelbagai proses dan industri teknologi:

  • Carbonut WT untuk pemurnian cecair dan air (tanah, sisa dan minuman, serta untuk rawatan air),
  • Carbonut VP untuk membersihkan pelbagai gas dan udara,
  • Carbonut GC untuk pemulihan emas dan logam lain dari larutan dan buburan dalam industri perlombongan,
  • Carbonut CF untuk penapis rokok.

Karbonut diaktifkan dihasilkan secara eksklusif dari tempurung kelapa, kerana karbon aktif kelapa mempunyai kualiti pembersihan yang terbaik dan daya serap tertinggi (kerana kehadiran lebih banyak liang dan, dengan itu, luas permukaan yang lebih besar), jangka hayat yang paling lama (kerana kekerasan yang tinggi dan kemungkinan regenerasi berganda), kekurangan penyerapan bahan yang diserap dan kandungan abu yang rendah.

Karbonut aktif telah dihasilkan sejak 1995 di India dengan peralatan automatik dan berteknologi tinggi. Pengeluaran ini mempunyai lokasi yang sangat strategik, pertama, dekat dengan sumber bahan mentah - kelapa, dan kedua, dekat dengan pelabuhan laut. Kelapa tumbuh sepanjang tahun, menyediakan sumber bahan mentah berkualiti tanpa gangguan dalam jumlah besar, dengan kos penghantaran yang minimum. Kedekatan dengan pelabuhan juga mengelakkan kos logistik tambahan. Semua peringkat kitaran teknologi dalam pengeluaran karbon aktif Carbonut dikawal dengan ketat: ini adalah pemilihan bahan mentah input yang berhati-hati, kawalan parameter utama setelah setiap peringkat pengeluaran pertengahan, serta kawalan kualiti produk akhir yang sesuai dengan piawaian yang ditetapkan. Karbon aktif dieksport hampir ke seluruh dunia dan kerana kombinasi harga dan kualiti yang sangat baik adalah permintaan tinggi.

Dokumentasi

Anda memerlukan Adobe Reader untuk melihat dokumentasi. Sekiranya anda tidak memasang Adobe Reader di komputer anda, kunjungi laman web Adobe www.adobe.com, muat turun dan pasang versi terbaru program ini (program ini percuma). Proses pemasangannya mudah dan hanya akan memakan masa beberapa minit, program ini akan berguna untuk anda pada masa akan datang.

Sekiranya anda ingin membeli Karbon aktif di Moscow, wilayah Moscow, Mytishchi, St. Petersburg - sila hubungi pengurus syarikat. Penghantaran ke wilayah lain di Persekutuan Rusia juga dilakukan.

Dari apa arang batu itu dibuat? Apakah formula kimia arang batu

Arang batu adalah salah satu bahan bakar tertua yang diketahui oleh manusia. Dan bahkan hari ini ia menduduki kedudukan terkemuka dari segi penggunaan. Sebab untuk ini adalah kelaziman, kemudahan pengekstrakan, pemprosesan dan penggunaannya. Tetapi apa itu? Apakah formula kimia arang batu?

Sebenarnya, soalan ini tidak betul sepenuhnya. Arang batu bukan bahan, ia adalah campuran pelbagai bahan. Terdapat banyak dari mereka, jadi mustahil untuk menentukan komposisi arang batu sepenuhnya. Oleh itu, dengan formula kimia arang batu dalam artikel ini, kita akan bermaksud komposisi unsurnya dan beberapa ciri lain.

Tetapi apa yang dapat kita pelajari mengenai keadaan bahan ini? Arang batu terbentuk dari sisa tanaman selama bertahun-tahun kerana terdedah kepada suhu dan tekanan tinggi. Dan kerana tumbuhan bersifat organik, bahan organik akan berlaku dalam komposisi arang batu.

Bergantung pada usia dan keadaan asal yang lain, arang batu dibahagikan kepada beberapa jenis. Setiap spesies dibezakan oleh komposisi asasnya, kehadiran kekotoran dan ciri penting lain..

Arang batu coklat

Ini adalah jenis arang batu termuda. Malah mempunyai struktur berkayu. Terbentuk langsung dari gambut pada kedalaman kira-kira 1 kilometer.

Arang batu jenis ini mengandungi kelembapan yang cukup banyak: dari 20 hingga 40%. Apabila terkena udara, ia menguap, dan arang batu menjadi serbuk. Seterusnya, kita akan membincangkan komposisi kimia sisa kering ini. Jumlah kekotoran bukan organik dalam arang batu coklat juga besar dan berjumlah 20-45%. Kekotoran ini adalah silikon dioksida, oksida aluminium, kalsium dan besi. Mungkin juga mengandungi oksida logam alkali.

Terdapat banyak bahan organik dan anorganik yang tidak menentu dalam arang batu ini. Mereka boleh mencapai separuh daripada jisim arang batu jenis ini. Komposisi unsur tolak bahan anorganik dan tidak menentu adalah seperti berikut:

  • Karbon 50-75%.
  • Oksigen 26-37%.
  • Hidrogen 3-5%.
  • Nitrogen 0-2%.
  • Sulfur 0,5-3%.

Arang batu

Pada masa pembentukan, arang batu jenis ini adalah selepas coklat. Ia mempunyai warna hitam atau abu-abu-hitam, serta kilauan resin, kadang-kadang logam.

Kandungan kelembapan arang batu lebih rendah daripada arang batu coklat: hanya 1-12%. Kandungan arang batu yang tidak menentu sangat bergantung pada tempat penambangannya. Ia boleh menjadi minimum (dari 2%), tetapi juga dapat mencapai nilai yang serupa dengan arang batu coklat (hingga 48%). Komposisi asasnya adalah seperti berikut:

  • Karbon 75-92%.
  • Hidrogen 2.5-5.7%.
  • Oksigen 1.5-15%.
  • Nitrogen hingga 2.7%.
  • Sulfur 0-4%.

Dari ini kita dapat menyimpulkan bahawa formula kimia arang batu bitumen terdiri daripada jumlah karbon yang lebih besar daripada arang batu coklat. Ini menjadikan arang batu jenis ini menjadi bahan bakar yang lebih baik..

Antrasit

Anthracite adalah bentuk arang batu fosil tertua. Ia mempunyai warna hitam gelap dan kilauan logam khas. Ini adalah arang batu terbaik dari segi jumlah haba yang dihasilkannya semasa pembakaran..

Jumlah kelembapan dan volatil di dalamnya sangat kecil. Lebih kurang 5-7% untuk setiap penunjuk. Dan komposisi unsur dicirikan oleh kandungan karbon yang sangat tinggi:

  • Karbon melebihi 90%.
  • Hidrogen 1-3%.
  • Oksigen 1-1.5%.
  • Nitrogen 1-1.5%.
  • Sulfur hingga 0.8%.

Lebih banyak arang batu hanya terkandung dalam grafit, yang merupakan tahap selanjutnya dari penggabungan antrasit..

Arang

Jenis arang batu ini bukan fosil, jadi ia mempunyai beberapa keunikan dalam komposisinya. Ia dihasilkan dengan memanaskan kayu kering hingga suhu 450-500 oC tanpa akses udara. Proses ini dipanggil pirolisis. Selama itu, sejumlah zat dilepaskan dari kayu: metanol, aseton, asid asetik dan lain-lain, setelah itu berubah menjadi arang batu. Ngomong-ngomong, pembakaran kayu juga merupakan pirolisis, tetapi disebabkan adanya oksigen di udara, gas yang dipancarkan menyala. Inilah yang menentukan kehadiran nyalaan semasa pembakaran.

Kayu tidak homogen, ia mempunyai banyak liang dan kapilari. Struktur serupa sebahagiannya dipelihara dalam arang batu yang diperoleh darinya. Atas sebab ini, ia mempunyai kapasiti penjerapan yang baik dan digunakan bersama dengan karbon aktif..

Kandungan kelembapan arang batu jenis ini sangat rendah (sekitar 3%), tetapi semasa penyimpanan jangka panjang, ia menyerap kelembapan dari udara dan peratusan air meningkat menjadi 7-15%. Kandungan kekotoran bukan organik dan bahan mudah menguap diatur oleh GOST dan masing-masing tidak boleh melebihi 3% dan 20%. Komposisi unsur bergantung pada teknologi pengeluaran, dan kelihatan seperti ini:

  • Karbon 80-92%.
  • Oksigen 5-15%.
  • Hidrogen 4-5%.
  • Nitrogen

Formula kimia arang menunjukkan bahawa dari segi kandungan karbonnya dekat dengan batu bara batu, tetapi di samping itu hanya memiliki sejumlah kecil unsur yang tidak diperlukan untuk pembakaran (sulfur dan nitrogen).

Karbon diaktifkan

Karbon aktif adalah sejenis karbon dengan luas permukaan liang spesifik yang tinggi, yang menjadikannya lebih terserap daripada arang kayu. Arang dan arang batu, serta tempurung kelapa digunakan sebagai bahan mentah untuk pengeluarannya. Bahan permulaan dikenakan proses pengaktifan. Intinya adalah membuka liang yang tersumbat dengan tindakan suhu tinggi, larutan elektrolit atau wap air..

Semasa proses pengaktifan, hanya struktur bahan yang berubah, oleh itu formula kimia karbon aktif sama dengan komposisi bahan mentah dari mana ia dibuat. Kandungan kelembapan karbon aktif bergantung pada luas permukaan liang tertentu dan biasanya kurang dari 12%.

Karbon aktif. Hartanah, aplikasi dan teknologi pengeluaran

Pengarang karya: Pengguna menyembunyikan nama, 06 Jun 2014 pada 19:57, abstrak

Penerangan Ringkas

Karbon aktif (Carbo activatus - lat.) - arang batu dengan permukaan dalaman yang maju dan kapasiti penjerapan yang tinggi.
Karbon aktif adalah badan karbon berliang, berbutir (berbutir) dan serbuk. Sifat arang batu yang berguna diketahui seawal Mesir kuno, di mana arang digunakan untuk tujuan perubatan seawal 1,500 SM. Orang Rom kuno juga menggunakan arang batu untuk membersihkan air, bir dan anggur. Pada masa ini, karbon aktif menempati tempat utama di antara bahan penapis. Kawasan penggunaan karbon aktif telah berkembang dengan pesat. Karbon aktif memainkan peranan penting dalam melindungi alam sekitar.

Fail terlampir: 1 fail

aktivnye_ugli_svoistva_poluchenie_primenenie.doc

Kementerian Pendidikan dan Sains Persekutuan Rusia

Institusi pendidikan negeri

Pendidikan profesional yang lebih tinggi

"Universiti Teknikal Negeri Omsk"

mengenai topik:
“Karbon aktif. Hartanah, aplikasi dan teknologi pengeluaran "

Pengenalan

Karbon aktif (Carbo activatus - lat.) - arang batu dengan permukaan dalaman yang maju dan kapasiti penjerapan yang tinggi.

Karbon aktif adalah badan karbon berliang, berbutir (berbutir) dan serbuk. Sifat arang batu yang berguna diketahui di Mesir Kuno, di mana arang digunakan untuk tujuan perubatan seawal 1.5 ribu tahun SM. Orang Rom kuno juga menggunakan arang batu untuk membersihkan air, bir, dan anggur. Pada masa ini, karbon aktif menempati tempat utama di antara bahan penapis. Kawasan penggunaan karbon aktif telah berkembang dengan pesat. Karbon aktif memainkan peranan penting dalam melindungi alam sekitar.

Karbon aktif mempunyai permukaan yang sangat maju, kerana ia menyerap (menyerap) banyak zat (terutama hidrokarbon baik dan turunannya, lebih lemah - alkohol, amonia, air dan bahan kutub lain). Karbon aktif berpori halus diperoleh melalui penguraian termal (pengarbonan tanpa akses udara) beberapa polimer.

Saiz liang berkisar antara 1.6 nm (luas permukaan tertentu mencapai 1000 m2 / g) hingga 200 atau lebih nm (luas permukaan spesifik kira-kira 1 m2 / g). Karbon aktif berpori halus menyerap dengan baik walaupun pada kepekatan rendah atau tekanan separa rendah. Karbon aktif pori besar dicirikan oleh fenomena pemeluwapan kapilari.

Struktur dan sifat karbon aktif

Pada mulanya, karbon aktif biasanya diambil untuk jenis karbon amorf, dan hanya analisis difraksi sinar-X Hoffmann yang menunjukkan untuk pertama kalinya bahawa zarah-zarah ini adalah kristal dengan ukuran 1-3 nm. Oleh itu, pada masa ini, karbon aktif tergolong dalam kumpulan karbon jenis mikrokristal. Walaupun kristal grafit terdiri daripada bidang yang panjangnya 2-3 nm dibentuk oleh cincin enam anggota, orientasi satah kisi individu saling berkaitan, khas untuk grafit, dilanggar. Ini bermaksud bahawa dalam arang aktif lapisan dipindahkan secara rawak antara satu sama lain dan tidak bertepatan dengan arah tegak lurus dengan bidang lapisan (Gamb. 1).

Gambar 1 - Struktur lapisan grafit:

struktur tertib dalam grafit; b - struktur tidak teratur dalam karbon mikrokristal (karbon aktif).

Ciri struktur bahan karbon berliang dikaitkan dengan jenis ikatan atom karbon. Dalam keadaan tanah, atom karbon mempunyai konfigurasi elektronik 1s22s22p2 dengan dua elektron yang tidak berpasangan. Karbon dicirikan oleh pembentukan 4 ikatan kovalen, yang dikaitkan dengan hibridisasi elektron 2s dan 2p dengan pembentukan ikatan sp3, sp2 dan sp hibridisasi dengan ciri-ciri tenaga dan geometri yang berbeza. Karbon aktif tergolong dalam model sebatian karbon dengan hibridisasi sp2. Semasa hibridisasi sp2, ikatan 1π dan 3σ terbentuk, terletak di satah yang sama dengan sudut ikatan 1200. Sebatian karbon dengan hibridisasi sp2 ("karbon trigonal") dicirikan oleh struktur rata, seperti dalam grafit. Dengan peningkatan ukuran molekul (sp2 - hibridisasi), terdapat kecenderungan pengagregatan spontan mereka ke dalam struktur "dek kad".

Jarak antara lapisan lebih besar daripada grafit (0.3354 nm) dan berkisar antara 0.344 hingga 0.365 nm. Diameter elemen bangunan yang tertutup dalam satu satah ialah 2.0-2.5 nm, dan kadang-kadang lebih tinggi lagi. Ketinggian timbunan lapisan adalah 1.0-1.3 nm. Oleh itu, kristal grafit dalam karbon aktif mengandungi 3-4 lapisan karbon selari.

Pengesahan kimia struktur grafit karbon aktif adalah kemungkinan pembentukan sebatian interstisial.

Kerana adanya struktur grafit yang teratur, karbon aktif biasanya dicirikan oleh kekonduksian elektrik yang ketara. Sebahagiannya bergantung pada suhu pengaktifan dan meningkat pada suhu tinggi, kerana sebatian oksigen permukaan yang bertindak sebagai penebat dikeluarkan dan kristal elementer yang lebih besar terbentuk..

Sebagai tambahan kepada kristal grafit, karbon aktif mengandungi dari satu hingga dua pertiga karbon amorf; seiring dengan ini, heteroatom terdapat, khususnya oksigen. Pada arang batu yang diperoleh dari bahan mentah yang kaya dengan oksigen, kandungan yang terakhir juga sangat tinggi..

Jisim tidak homogen, terdiri daripada kristal grafit dan karbon amorf, menimbulkan struktur karbon aktif yang tidak biasa. Retakan dan retakan (liang) dengan lebar sekitar 10-10-10-8 m muncul di antara zarah individu.Pemindahan jisim dilakukan melalui sistem liang ini dalam semua proses yang berlaku di permukaan dalaman bahan yang mengandungi karbon. Arang aktif didominasi oleh liang berbentuk V dan seperti celah bersama dengan liang yang tidak teratur. Sebilangan besar karbon aktif industri mengandungi liang pelbagai bentuk pada masa yang sama. Di samping itu, banyak kajian membuktikan adanya liang berbentuk botol dengan pintu masuk yang sempit, yang terbentuk, khususnya, dalam proses klasik pengaktifan zink klorida..

Taburan liang di sepanjang jejari dalam karbon aktif individu boleh sangat berbeza. Sesuai dengan ini, perbezaan dibuat antara karbon aktif pori besar, yang, bagaimanapun, selalu mengandung pori-pori halus, dan karbon aktif pori halus, yang, selain mikropori, juga dapat mencakup pori-pori besar..

Meso- dan makroporositi paling sering ditentukan oleh sifat bahan permulaan dan keadaan pemprosesannya. Ukuran permukaan yang kecil menunjukkan bahawa makropori tidak memainkan peranan penting dalam jumlah penjerapan; dalam kes ini, mereka hanya mengangkut liang untuk molekul kecil, di mana zat-zat yang teradsorpsi menembusi jauh ke dalam biji-bijian..

Kerana adanya liang, bahan karbon mempunyai luas permukaan spesifik yang tinggi dan kemampuan untuk menyerap (menyerap) pelbagai bahan dari cecair dan gas. Keupayaan bahan karbon untuk menyerap pelbagai molekul ditentukan oleh struktur permukaannya, sifat dan kepekatan kumpulan reaktif permukaan.

Jadual 1 - Taburan liang khas dalam karbon aktif (isi pori
dalam ml / g)

Penapis molekul karbon

Coke aktif adalah produk khusus yang dicirikan oleh pengedaran mikropori yang sangat homogen. Penapis molekul karbon belum banyak digunakan dalam teknologi penjerapan, nampaknya kerana harganya yang tinggi..

Pada masa ini, masih mustahil untuk mendapatkan imej optik sistem mikropori karbon aktif. Walaupun pada pembesaran yang sangat tinggi, gambar mikroskopik elektron hanya dapat membezakan liang dengan diameter sekitar 10 nm.

Secara amnya, permukaan sorben karbon adalah heterogen dari segi geometri dan bertenaga. Atom karbon di permukaan sorben berada dalam keadaan elektronik yang berbeza daripada atom dalam fasa pukal, terutamanya di tempat-tempat kecacatan kisi kristal, di sudut, muka, dan tepi kristalit. Kehadiran valensi bebas atom tersebut memudahkan interaksi kimia dan penyerapan dengan pelbagai bahan. Analisis unsur menunjukkan bahawa sebilangan atom asing (hidrogen, oksigen, nitrogen) dapat terdapat dalam rangka karbon karbon aktif.

Penyelidikan telah membuktikan bahawa atom asing ini terikat secara kimia dengan karbon. Dari keterangan struktur kristal yang diberikan di atas, menunjukkan bahawa tumpukan lapisan mengandungi atom karbon di tepinya dengan ikatan kimia tak jenuh. Akibat keadaan tenaga "pusat aktif" ini, yang juga merangkumi kecacatan kisi kristal, reaksi pertukaran dengan oksigen dan hidrogen dari atmosfera sekitarnya berlaku walaupun pada suhu yang relatif rendah. Kereaktifan karbon aktif ditunjukkan dalam kemampuannya untuk menyerap, jika bersentuhan dengan bahan tertentu, bersama dengan oksigen dan hidrogen, juga heteroatom lain. Oleh itu, jika bersentuhan dengan fasa gas yang mengandungi unsur klorin, karbon aktif membentuk sebatian karbon homeopolar dengan klorin; apabila dipanaskan, sebatian organik yang mengandungi klorin terurai, dan karbon aktif setelah proses desulfurisasi tertentu dapat mengandungi beberapa persen sulfur terikat secara kimia; penyerapan sulfur konvensional dengan pengekstrakan atau pemanasan dalam hal ini mustahil, dan hanya hidrogenasi yang merosakkan memastikan penukaran sulfur menjadi hidrogen sulfida yang tidak menentu.

Kompleks oksigen karbon mikrokristal, yang disebut permukaan oksida, sangat mempengaruhi sifat polar permukaan karbon dan kapasiti penjerapannya dan oleh itu menarik perhatian penyelidik. Kekutuban permukaan karbon aktif yang mengandungi sebatian oksigen permukaan menyebabkan penjerapan wap air yang kuat dari atmosfera gas lembap, sementara penyerapan wap atau gas lain dapat diperlahankan. Dalam fasa cair, kapasiti penjerapan selektif karbon aktif berkenaan dengan pelbagai bahan polar bergantung pada sebatian permukaan ini. Oleh itu, sebatian oksigen permukaan juga penting dari sudut praktikal..

Ciri-ciri struktur utama mana-mana badan berpori adalah diameter liang berkesan (radius) dp (rp), permukaan spesifik Ssp dan isipadu pori tertentu Vp (per unit jisim). Dalam satu sampel, liang boleh berbeza dari segi ukuran dan bentuknya..

Untuk satu dan pepejal yang sama dengan sifat permukaan kimia yang berbeza, luas permukaan spesifik Ssp boleh berbeza dengan ketara, yang berkaitan dengan tahap dan sifat keliangan. Di kebanyakan badan berpori, permukaan dalamannya mempunyai beberapa ukuran magnitud yang lebih besar daripada bahagian luar.

Luas permukaan spesifik adalah ciri rata-rata keliangan (penyebaran) pepejal berliang atau pepejal (tersebar) yang sesuai. Luas permukaan spesifik terdiri daripada jumlah permukaan luar (kelihatan) dan permukaan geometri dalaman (tidak kelihatan) liang per unit jisim badan berliang. Oleh kerana bagi badan dengan keliangan yang dikembangkan, luas permukaan utama jatuh di permukaan liang, luas permukaan tertentu berkadar langsung dengan diameter atau ukuran zarah-zarah yang membentuk badan padat jisim tertentu. Setelah menentukan jumlah pori dari pengukuran penjerapan, dan mengetahui diameternya, seseorang dapat menganggarkan luas permukaan tertentu:

Ssp = 4000Vp / dp, (1.1)

di mana Vp - isipadu liang, cm3 / g, dp - diameter liang purata, nm.

Analisis lengkap struktur berpori sorben dilakukan dengan menggunakan satu set kaedah fizikal dan fizikokimia: mikroskopi optik atau elektron, analisis difraksi sinar-X, kaedah penjerapan, kaedah hidromekanik dan kaedah porosimetri merkuri..

Kaedah yang paling biasa untuk menentukan luas permukaan tertentu adalah mengukur penjerapan gas, cecair atau sebatian apa pun dari fasa gas atau fasa cecair dan porosimetri merkuri. Walaupun terdapat banyak persamaan yang dicadangkan untuk menggambarkan isoterm penjerapan, persamaan Brunauer, Emmett, dan Taylor (kaedah BET) banyak digunakan. Bentuk linear dari persamaan BET asas adalah:

di mana P adalah tekanan keseimbangan, adalah tekanan wap tepu pada suhu pengukuran, adalah jumlah gas yang teradsorpsi (wap) pada tekanan keseimbangan, mol / g, adalah kapasiti monolayer di permukaan (jumlah mol adsorbat yang diperlukan untuk menutup permukaan dengan molekul padat molekul teradsorpsi per 1 g penjerap), C ialah pemalar yang merupakan fungsi haba penjerapan dan bergantung pada sifat permukaan.

Untuk C ≥1 dan nilai kecil P, persamaan BET berubah menjadi persamaan Langmuir.

Dari data yang diketahui, nilai Vm dapat dikira, dan luas permukaan tertentu dapat ditentukan oleh persamaan:

SBET = VmwmNA10-18 (1.3)

di mana SBET adalah luas permukaan tertentu mengikut kaedah BET, m2 / g, wm adalah kawasan penjerapan yang ditempati oleh molekul di permukaan (penulis kaedah menentukan wm untuk nitrogen pada 77K sama dengan 0.162 nm2), NA adalah nombor Avogadro (6.02 * 1023), mol- 1.

Kaedah yang paling biasa untuk menentukan ciri struktur badan berliang adalah kaedah penjerapan suhu rendah.

Dengan ukuran dan bentuk zarahnya, karbon aktif dikelaskan kepada:

    • berbutir;
    • hancur;
    • serbuk.

Batubara berbutir biasanya dibuat dalam bentuk silinder dengan diameter 2 - 5 mm, dan ketinggian silinder selalu lebih besar daripada diameternya. Batubara berbutir terutama digunakan dalam pemasangan dengan lapisan adsorben tetap untuk pemurnian dan pemisahan aliran proses dalam fasa gas. Untuk meningkatkan intensiti pertukaran jisim, arang batu berbutir kadang-kadang dihancurkan dan setelah diayak, pecahan sempit diperoleh. Sudut hancur digunakan dalam semua versi proses penjerapan: semasa menjalankan proses: baik dalam gas dan dalam fasa cair, dengan tempat tidur adsorben pegun, bergerak atau cecair.