Активированный уголь
Активи́рованный у́голь (активный уголь), углеродный абсорбент с развитой пористой структурой. На 87–97 % (по массе) состоит из углерода С, содержит также водород Н, кислород О и вещества, введённые в активированный уголь при его получении. Зольность активного угля может составлять 1–15 % (иногда его обеззоливают до 0,1–0,2 %).
Поры в активированном угле классифицируют по их линейным размерам x (полуширина – для щелевидной модели пор, радиус – для цилиндрической или сферической): х ⩽ 0,6–0,7 нм – микропоры; 0,6–0,7 < х < 1,5–1,6 нм – супермикропоры; 1,5–1,6 < х < 100–200 нм – мезопоры; х > 100–200 нм – макропоры.
Для адсорбции в микропорах (удельный объём 0,2–0,6 см3/г), соизмеримых по размерам с адсорбируемыми молекулами, характерен главным образом механизм объёмного заполнения. Аналогично происходит адсорбция также в супермикропорах (удельный объём 0,15–0,2 см3/г) – промежуточных областях между микропорами и мезопорами. В этой области свойства микропор постепенно вырождаются, свойства мезопор проявляются.
Механизм адсорбции в мезопорах заключается в последовательном образовании адсорбционных слоёв (полимолекулярная адсорбция), которое завершается заполнением пор по механизму капиллярной конденсации. У обычных активированных углей удельный объём мезопор составляет 0,02–0,10 см3/г, удельная поверхность – от 20 до 70 м2/г; однако у некоторых активированных углей (например, осветляющих) эти показатели могут достигать соответственно 0,7 см3/г и 200–450 м2/г.
Макропоры (удельный объём и поверхность соответственно 0,2–0,8 см3/г и 0,5–2,0 м2/г) служат транспортными каналами, подводящими молекулы поглощаемых веществ к адсорбционному пространству зёрен (гранул) активированного угля. Для придания углю каталитических свойств в макро- и мезопоры вносят, как правило, специальные добавки.
В активированном угле часто существуют все разновидности пор, и дифференциальная кривая распределения их объёма по размерам имеет 2–3 максимума. В зависимости от степени развития супермикропор различают активированные угли с узким распределением (эти поры практически отсутствуют) и широким (существенно развиты).
Активированные угли хорошо адсорбируют пары веществ со сравнительно высокими температурами кипения (например, бензол), хуже – летучие соединения (например, NH3). При относительном давлении пара рр/рнас менее 0,10–0,25 (рр – равновесное давление адсорбируемого вещества, рнас – давление насыщенного пара). Активированный уголь незначительно поглощает водяные пары. Однако при (рр/рнас) > 0,3–0,4 наблюдается заметная адсорбция, а в случае (рр/рнас)≈1 практически все микропоры заполнены водяными парами. Поэтому их наличие может осложнить поглощение целевого вещества.
Основное сырьё для производства активированного угля – каменноугольный полукокс, углеродсодержащие растительные материалы (например, древесный уголь, торф, древесные опилки, скорлупа орехов, косточки плодов фруктовых деревьев). Продукты карбонизации этого сырья подвергают активации (в большинстве случаев парогазовой – в присутствии паров Н2О и СО2, реже – химической, т. е. в присутствии солей металлов, например ZnCl2, K2S) при 850–950 °С. Кроме того, активированный уголь получают термическим разложением синтетических полимеров (например, поливинилиденхлорида).
Активированный уголь широко применяют как адсорбент для поглощения паров из газовых выбросов (например, для очистки воздуха от CS2), улавливания паров летучих растворителей с целью их рекуперации, для очистки водных растворов (например, сахарных сиропов и спиртных напитков), питьевой и сточных вод, в противогазах, в вакуумной технике, например для создания сорбционных насосов, в газоадсорбционной хроматографии, для заполнения запахопоглотителей в холодильниках, очистки крови, поглощения вредных веществ из желудочно-кишечного тракта и др. Активированный уголь – также носитель каталитических добавок и катализатор полимеризации.