Активоване вугілля. Тліюча грілка з активованого вугілля.

Активоване вугілля — пориста вуглецева речовина з високими адсорбційними властивостями та гідрофобністю. Є мікропори – видимі в мікроскоп d = 10–1 до 10–3 см; ультрапори – невидимі в мікроскоп d = 9,2∙10–7 см. Ультрапори відіграють головну роль в адсорбційних процесах. Загальна їх поверхня в 1 г активованого вугілля становить понад 1000 м2. Отримують піролізом деревини листяних порід без доступу повітря. Для збільшення адсорбційної здатності вугілля обробляють перегрітою парою при 800 °C. При цьому видаляються смолисті речовини. Потім проводять обробку вугілля розчинами цинку хлориду, магнію хлориду, натрію гідроксиду або кислоти фосфорної з подальшим нагріванням до 300–400 °C. При цьому додані речовини розкладаються і відганяються, розпушуючи вугілля і збільшуючи поверхню пор. Далі вугілля ретельно промивають водою для очищення від домішок і висушують.

Визначають адсорбційну здатність вугілля активованого з метиленовим блакитим та ступінь подрібнення. Зберігають у закупореній тарі, в сухому місці. Застосування у медицині - при диспепсії, харчових інтоксикаціях, отруєнні алкалоїдами, солями важких металів.

Хімічні властивості

Звичайне активоване вугілля є активною сполукою, здатною до окиснення киснем повітря або кисневою плазмою, водяною парою, а також вуглекислим газом чи озоном.

Окислення в рідкій фазі здійснюють низкою реагентів (HNO3, H2O2, KMnO4). За рахунок утворення багатьох основних і кислотних груп на поверхні окисленого вугілля його сорбційні та інші властивості можуть істотно відрізнятися від неокисленого.

Модифіковане азотом вугілля отримують або виходячи з азотовмісних природних речовин або полімерів, або обробкою вугілля азотовмісними реагентами. Також вугілля здатне взаємодіяти з хлором, бромом та фтором.

Важливе значення має сірковмісне вугілля, яке синтезують різними шляхами. Останнім часом хімічні властивості вугілля пояснюються наявністю на його поверхні активного подвійного зв'язку.

Одержання активованого вугілля

Карбонізація – це термічна деструкція вихідного матеріалу за відсутності кисню між 500 і 1000 °С. Під час карбонізації вміст вуглецю збільшується до 95% за вагою. Суть карбонізації – створити первинні пористі структури, які надалі розвиватимуться у процесі активації. Після стадії карбонізації матеріал стає пористим. Для того, щоб розширити свою пористу структуру і зробити її поверхню реактивною, він повинен пройти другу стадію термічної обробки, яка називається активацією. Активація дозволяє створювати пористі мікрострук-тури та підвищити доступність внутрішньої структури, а також створювати нові пори та розширити діаметр тих, що вже створені в процесі карбонізації.

Сировину кілька разів промивають водою для видалення домішок і пилу. Потім його сушать протягом 24 год і подрібнюють до фракції d = 3–6 мм. Надалі проводять карбонізацію, останній заключний етап є активацією.

Існує три типи активації. Парогазова активація: фізична активація, що полягає в окисненні вугілля при високій температурі за допомогою окиснювача протягом 24 до 72 годин. Для цього використовуються газоподібні реагенти: повітря, водяна пара (H2O), вуглекислий газ (CO2) або кисень (O2). Всі ці гази можуть бути використані окремо або суміші. При використанні водяної пари процес активації протікає з прийнятною швидкістю реакції за температури близької до 800 ºС, а при використанні діоксиду вуглецю температура піднімається до 900 ºС. Комбінуючи активацію водяною парою та киснем, можна отримати сорбент з високою знебарвлюючою здатністю. При змішаному методі отримання сорбенту, вихідну сировину після хімічної обробки додатково піддають фізичній активації.

На відміну від фізичної, хімічна активація здійснюється одночасно з етапом карбонізації в присутності каталізаторів окиснення, таких як: хлоро-водень (HCl), фосфатна кислота (H3PO4), амоніак (NH3). Матеріал просочують даними хімічними агентами, потім нагрівають в атмосфері інертного газу при температурі 400–600 °C. Активація методом просочування відбувається за наступною методикою. У термостійку колбу завантажують природний сорбент і розчин кислоти або лугу у співвідношеннях Т:Р від 1:1 до 1:10. Отриману суміш витримують при кімнатній температурі (20–22 °С) заданий час від (24 до 120 годин) при періодичному перемішуванні сорбенту. Потім сорбент промивають проточною водою до нейтральної реакції промивних вод і сушать при температурі 100–110°С до повітряно-сухого стану.

Сфери застосування

Застосовується як адсорбент у засобах протигазового захисту, медицині, хімії, харчовій промисловості тощо, а також як носій каталізаторів у технологічних процесах, сорбент для концентрування мікродомішок в аналітичній хімії. В кулінарії активоване вугілля використовують як сурогат натурального барвника — чорнил каракатиці.

Очищення води

- Використовують для очищення води одноразово на міських станціях водопідготовки, вводячи їх під час або після коагуляції;
- Для очищення питної води та промислових стоків від органічних, хлорорганічних сполук та інших забруднень.

Харчова промисловість

- Очищення рослинних олій;
- Очищення фруктових соків.

Нафтогазова промисловість

- Для ліквідації розливів нафти та нафтопродуктів.

Хімічна промисловість

- Очищення органічних та неорганічних кислот;
- Очищення патоки, меляси;
- Очищення сахарози, глюкози, фруктози;
- Застосовується як носій каталізаторів, а в багатьох реакціях сам діє як каталізатор.

Медицина

- Призначають при диспепсії, харчовій інтоксикації, отруєнням алкалоїдами, глікозидами, солями важких металів, при метеоризмі для зменшення газоутворення, при підготовці до рентгенологічних і ендоскопічних досліджень.

Тліюча грілка з активованого вугілля

Знадобиться: активоване вугілля (порошок або пил), силікатний клей розведений водою у співвідношені 50/50, 20-ти кубовий шприц (обрізаний зі сторони носика для голки)
1. пил або порошок активованого вугілля пропитуємо силікатним клеєм (розведеним водою);
2. формуємо брикети з суміші вугілля трамбуючи його в шприц;
3. по середині вставляємо трубочку до 5 мм для того, щоб в брикеті залишився отвір, та обережно видавлюємо його зі шприца;
4 даємо нашим брикетам обсохнути, та витягуємо трубочки;
5. робимо пропитку для запалу з калієвої або натрієвої селітри та води, ватною паличкою пропитуємо верх брикета;
6. наша грілка готова.
7. підпалюємо вугільний брикет. Під час тління брикету виділяється велика кількість тепла. Одного брикета вистачає до 2 год тління;
8. по завершенні тління обов'язково залити водою і лише потім викинути.

Застосування активованого вугілля у харчовій промисловості

Вугілля активоване у виробництві горілки

Обробка активованим вугіллям – це одна з найважливіших стадій, під час якої зв’язуються шкідливі домішки – ефіри й альдегіди – і формуються органолептичні властивості горілки. Після цього горілку знову фільтрують, інколи навіть кілька разів, щоб видалити найдрібніші частинки вугілля й отримати ідеально прозорий, кришталево чистий продукт.

Відбілювання олії

У виробництві олії використовують активоване вугілля у процесі відбілювання. Вугілля додають до жиру у кількості від 1 до 3 %, потім відокремлюють від олії фільтруванням.

Крохмале-патокова галузь

У технології виробництва крохмальної патоки активоване вугілля застосовується два рази: для адсорбційного очищення сиропів та очищення густих сиропів.
Освітлення сиропів відбувається шляхом обробки їх активованим вугіллям протягом 25-30 хв при перемішуванні при температурі 65-70 °С. Мета очищення паточного сиропу – це повне його обезбарвлення, видалення запахів і домішок. Активоване вугілля видаляє з розчину барвні речовини, золу, солі заліза, колоїдні та азотисті речовини, жир та жирні кислоти.

Застосовують порошок активованого вугілля у вигляді водної суспензії концентрацією 25 %, або сироп пропускають крізь шар вугілля, нанесеного на фільтрувальну перегородку, під тиском 0,5-0,8 МПа, або сиропи очищують гранульованим вугіллям. Активоване вугілля повинно мати рН водної витяжки 4-6 тому, що лужне вугілля значно знижує ефективність обезбарвлення.

Після уварювання сиропи темніють, тому густі сиропи двічі очищуються активованим вугіллям.

Активоване вугілля у медицині

Cорбенти застосовують, в першу чергу, у разі виникнення шлунково-кишкових проблем. Травний тракт людини має загальну площу поверхні – декілька квадратних кілометрів. Ця поверхня контактує з потужною групою хімічних речовин та мікроорганізмів, які потрапляють під час вживання їжі та напоїв. Несприятливі фактори навколишнього середовища, неякісне і нераціональне харчування, шкідливі звички, зловживання ліками лише підсилюють агресивність таких впливів. Приблизно 25 % дорослого населення планети і 40 % дитячого населення страждають від алергічних захворювань, що також є маркерами екологічних негараздів. Ентеросорбенти здатні поглинати та виводити з організму ендо- та екзотоксини, фіксувати на своїй поверхні збудників бактеріальної і вірусної природи з подальшим очищенням організму. За інфекційних хвороб сорбенти вживають як засіб етіотропної терапії. Ентеросорбенти, які можна вільно придбати в аптеках України, представлені лікарськими препаратами і дієтичними добавками, які різняться за формою прийому (гранули, порошки, капсули), хімічною структурою, походженням (натуральні, синтетичні) і механізмами дії. Очевидно, що у споживачів часто виникає питання, який сорбент є більш ефективним і доцільним до застосування в конкретному випадку.

Поняття «ентеросорбція» введено 1983 року вченими Інституту експериментальної патології, онкології і радіобіології НАН України як визначення сорбційної терапії за рахунок перорального прийому високоактивного вугілля сферичної грануляції. З того часу фармацевтичний ринок суттєво збільшив свій асортимент і у сучасній медичній практиці використовують різноманітні сорбуючі речовини:
1) сорбенти для зовнішнього застосування у вигляді пудри-присипки або тканинних різновидів (наприклад, сорбент тканинний карбонвмісний);
2) сорбенти для плазмо- та гемосорбції (внутрішньосудинні сорбенти);
3) пероральні сорбенти чи ентеросорбенти, які ковтають, запиваючи великою кількістю води.

Загалом, ентеросорбенти повинні відповідати наступним вимогам:

• мати високу сорбційну ємність для забезпечення клінічного ефекту у разі прийому терапевтичних доз;
• мати достатню ефективність, особливо щодо речовин з великою молекулярною масою (бактерії та їх токсини);
• не викликати подразнення слизової оболонки шлунка та кишечника;
• не містити токсичних домішок;
• не всмоктуватись у шлунково-кишковому тракті;
• діяти в широкому інтервалі pН;
• не мати негативних органолептичних властивостей (смак, запах).

Активоване вугілля відповідає всім вимогам та нормам.

Вугілля активоване - фільтр в органічному синтезі

Бензімідазол

Реагенти:

• о-фенілендіамін – 2,7 г
• кислота мурашина 90% - 1,6 мл
• натрію гідроксиду 10 % водний розчин – 15 мл
• вугілля активоване – 0,2 г
• папір індикаторний універсальний

Обладнання:

• колба круглодонна з/ш 100 мл
• дефлегматор
• баня водяна
• стакан 100 мл
• колба конічна б/ш 100 мл
• плитка електрична
• воронка
• колба Бунзена
• воронка Бюхнера або фільтр Шота

о-Дифункціоналізовані бензени – зручні сполуки для синтезу бензоконденсованих 1,3-азолів (бензімідазолів, бензотіазолів тощо).
Нагріваємо у круглодонній колбі місткістю 100 мл із дефлегматором на водяній бані 2,7 г о-фенілендіаміну та 1,6 мл 90 % мурашиної кислоти впродовж 2 годин. Додаємо до охолодженої реакційної суміші, помішуючи, 10 % розчин гідроксиду натрію порціями до слабколужного середовища. Осад, що утворився, відфільтровуємо і промиваємо водою (для промивання продукту варто застосовувати холодну воду, щоб мінімізувати втрати, пов’язані з розчинністю бензімідазолу у воді).

Неочищений продукт без попереднього осушення перекристалізовуємо з води, для чого розчиняємо бензімідазол у 40 мл киплячої води, додаємо активоване вугілля, витримуємо при слабкому кипінні 5 хв і фільтруємо від вугілля гарячий розчин через прогріти воронку. Фільтрат охолоджуємо впродовж 20 хв на льодяній бані, кристали відфільтровуємо, промиваємо близько 10 мл води та висушуємо на повітрі.
Отримуємо 2,4 г (83 %) продукту у вигляді крупних безбарвних кристалів із температурою плавлення 170-172 °С.

Активоване вугілля у хроматографії

Очищення солей від домішок сторонніх металів

Адсорбційно-комплексоутворювальні хроматографічні колонки використовують для очищення солей металів, які не реагують з комплексоутворювальним реагентом, що міститься в колонці. При цьому на колонці сорбуються тільки іони металів, які є домішками. Після очищення певної порції розчину солі поглинені домішки вилучають елююванням певним розчинником і визначають кількісно. Так, одночасно реалізуються процес очищення солі й аналіз наявних у ній домішок. Наприклад, колонки з носієм – активованим вугіллям і сорбованим на ньому реагентом диметилгліоксимом або 1-нітрозо-2-нафтолом були використані для очищення сульфатів цинку і кадмію від мікродомішок іонів міді, феруму, ніколу і кобальту. Вміст їх після очищення 8-10%-вих розчинів зазначених солей становив 1∙10-6- 1∙10-5 г/л, що засвідчує високу ефективність очищення.

У рідинній адсорбційній хроматографії активоване вугілля використовується як адсорбент для розділення спиртів, карбонових кислот, естерів і вуглеводів.

Приклад використання активованого вугілля для очищення від шкідливих викидів

Спосіб очищення газових викидів від нітрилу акрилової кислоти (НАК) (Патент RU2210430) характеризується тим, що він передбачає, що газові викиди, які містять НАК, заздалегідь пропускають через апарат з активованим вугіллям, обумовлюючий демпфуючий ефект, а потім через біоабсорбер з насадкою, що містить біокаталізатор на основі штамів Rhodococcus rhodochrous M8 або Rhodococcus rhodochrous M33.