Активированный уголь

Активированный уголь — это пористый материал, получаемый из углеродсодержащего сырья органического происхождения (древесного угля, каменного угля, скорлупы кокосовых орехов, нефтяного кокса, торфа) путём термической обработки и последующей активации. Отличается от обычного угля наличием огромного количества пор, что придаёт ему высокую удельную поверхность (до 1500–2000 м²/г) и способность эффективно адсорбировать (поглощать) из газовой или жидкой среды различные вещества, преимущественно органические. Используется в медицине, промышленности, водоочистке, химической технологии и в быту.

История

Способность древесного угля поглощать газы и примеси была известна с глубокой древности. Египтяне использовали уголь для мумификации и очистки воды, а в Древнем Риме — для обесцвечивания сахара. Однако систематическое научное изучение адсорбционных свойств угля началось в XVIII веке. В 1773 году шведский химик Карл Вильгельм Шееле впервые описал поглощение газов древесным углём. В 1785 году русский учёный Товий Егорович Ловиц открыл способность угля обесцвечивать органические жидкости и очищать воду.

Промышленное производство активированного угля началось в начале XX века. В 1910-х годах в Германии была разработана технология активации угля водяным паром при высоких температурах, что позволило получать материал с высокой пористостью. Во время Первой мировой войны активированный уголь начали массово применять в противогазах для защиты от отравляющих газов. В СССР в 1920–1930-х годах были созданы первые отечественные заводы по производству активированного угля.

Производство и активация

Процесс получения активированного угля включает два основных этапа: карбонизацию (пиролиз) и активацию.

Карбонизация

Исходное сырьё нагревают без доступа воздуха при температуре 400–600 °C. В результате происходит разложение органических соединений с образованием твёрдого углеродистого остатка (кокса) и выделением летучих веществ. Полученный карбонизат имеет низкую пористость и адсорбционную способность.

Активация

Для создания разветвлённой системы пор карбонизат обрабатывают окислительными агентами при высокой температуре (800–1000 °C). Основные методы активации:

• Парогазовая активация: обработка перегретым водяным паром или углекислым газом. Вода реагирует с углеродом, образуя оксиды углерода и водород, что приводит к выгоранию части углерода и формированию пор.
• Химическая активация: пропитка сырья химическими реагентами (хлорид цинка, фосфорная кислота, гидроксид калия) с последующим нагревом. Реагенты способствуют дегидратации и разрыхлению структуры.

Тип и размер пор (микропоры <2 нм, мезопоры 2–50 нм, макропоры >50 нм) зависят от исходного сырья и режима активации. Кокосовый уголь даёт преимущественно микропоры, а каменноугольный — смешанную структуру.

Физико-химические свойства

Основное свойство активированного угля — адсорбция. Механизм включает физическую адсорбцию (за счёт сил Ван-дер-Ваальса) и, в меньшей степени, химическое взаимодействие. Эффективность адсорбции характеризуется:

• Удельной поверхностью (по методу БЭТ): от 500 до 2000 м²/г.
• Адсорбционной ёмкостью (по йоду, метиленовому синему, бензолу).
• Зольностью (остаток неорганических примесей, обычно 1–15%).
• pH водной вытяжки (от кислого до щелочного в зависимости от обработки).

Активированный уголь нерастворим в воде и органических растворителях, химически инертен при обычных условиях, но может окисляться при нагреве на воздухе. Он является гидрофобным материалом, поэтому лучше адсорбирует неполярные органические вещества, чем полярные (например, воду).

Классификация и виды

Активированный уголь классифицируют по нескольким признакам:

По исходному сырью

• Древесный (из берёзы, сосны, бука) — мягкий, с высокой пористостью, используется в медицине и быту.
• Каменноугольный (из каменного или бурого угля) — твёрдый, износостойкий, применяется в промышленных фильтрах.
• Кокосовый (из скорлупы кокосовых орехов) — обладает преимущественно микропорами, высокой твёрдостью, идеален для газоочистки.
• Торфяной — лёгкий, с высокой зольностью, используется в водоочистке.

По форме выпуска

• Порошкообразный (размер частиц <0,1 мм) — для жидких сред (медицина, обесцвечивание растворов).
• Гранулированный (0,5–5 мм) — для газовых и жидкостных фильтров.
• Таблетированный — для медицинского применения.
• Волокнистый (угольное волокно) — для высокоэффективной фильтрации.

По назначению

• Медицинский (активированный уголь для приёма внутрь).
• Промышленный (для очистки газов, жидкостей, рекуперации растворителей).
• Бытовой (фильтры для воды, воздухоочистители).

Применение

Медицина

Активированный уголь применяют как энтеросорбент при отравлениях, интоксикациях, метеоризме, диарее. Он адсорбирует токсины, алкалоиды, соли тяжёлых металлов, газы в желудочно-кишечном тракте, препятствуя их всасыванию в кровь. Дозировка обычно составляет 0,5–1 г на 10 кг массы тела. Применяется также наружно в составе повязок для лечения гнойных ран (сорбция бактерий и продуктов их жизнедеятельности).

Водоочистка

В фильтрах для питьевой воды активированный уголь удаляет хлор, органические загрязнители, пестициды, нефтепродукты, неприятные запахи и привкусы. Используется как в бытовых кувшинных фильтрах, так и в промышленных установках (например, на станциях водоподготовки). Угольные фильтры не удаляют растворённые соли (жёсткость, нитраты) и микроорганизмы, поэтому часто комбинируются с другими методами.

Очистка газов

Применяется в противогазах, респираторах, системах вентиляции для поглощения токсичных газов (хлор, аммиак, сероводород, органические пары). В промышленности — для улавливания летучих растворителей (рекуперация) и очистки выбросов.

Пищевая промышленность

Используется для обесцвечивания сахарных сиропов, масел, спиртов, вин, соков. Адсорбирует красящие вещества, придающие продуктам нежелательный цвет, не влияя на вкус.

Химическая технология

Активированный уголь служит носителем катализаторов, используется в процессах разделения газов (например, выделение метана из биогаза), в золотодобыче (цианидное выщелачивание — уголь адсорбирует комплексные ионы золота).

Регенерация и утилизация

После насыщения адсорбатом активированный уголь теряет свою эффективность. Для восстановления свойств применяют регенерацию:

• Термическая (нагрев до 600–900 °C в инертной или паровой атмосфере) — выжигание адсорбированных веществ.
• Химическая (обработка кислотами, щелочами, растворителями) — удаление специфических загрязнений.
• Биологическая (использование микроорганизмов для разложения органики на поверхности угля).

После многократной регенерации (обычно 5–10 циклов) уголь теряет механическую прочность и пористость, после чего подлежит утилизации (сжигание, захоронение на полигонах). В некоторых случаях отработанный уголь используется как топливо или добавка в строительные материалы.

Интересные факты

• Один грамм активированного угля имеет площадь поверхности, сравнимую с футбольным полем (около 5000–7000 м²).
• В XIX веке активированный уголь использовали для очистки воды в Лондоне после эпидемии холеры.
• В космических аппаратах активированный уголь применяется для очистки воздуха в замкнутых системах жизнеобеспечения.
• В России активированный уголь традиционно выпускается в таблетках по 0,25 г (торговые марки «Активированный уголь-УБФ», «Карболен» и др.).
• При отравлении угарным газом активированный уголь неэффективен, так как CO не адсорбируется углём.

Источники

• ГОСТ 6217-74 «Уголь активный древесный дробленый. Технические условия».
• ГОСТ 20464-75 «Уголь активный. Методы испытаний».
• Фармакопейная статья ФС.2.1.0023.15 «Уголь активированный» (Государственная фармакопея РФ, XIV издание).
• Брежнева Т. А., Козлов В. А. «Активированные угли: получение, свойства, применение». — М.: Химия, 2008.
• Руководство по эксплуатации фильтров для воды с активированным углем (производители: «Аквафор», «Барьер»).