Активированный уголь: свойства и применение¶

Активированный уголь — пористое углеродное вещество, получаемое из органического сырья путём термической обработки с последующей активацией; обладает высокой удельной поверхностью и способностью поглощать (адсорбировать) из газов и растворов различные вещества. Относится к классу адсорбентов; применяется в медицине, промышленности, экологии и быту.

¶Состав и строение

Основу активированного угля составляет углерод (обычно 85–95 %), остальное — кислород, водород, азот и минеральные примеси, зависящие от исходного сырья. Структура материала аморфная, образована мелкими графитоподобными кристаллитами, между которыми расположены поры.

Поры классифицируют по размеру:

• микропоры (до 2 нм) — обеспечивают основную долю адсорбционной ёмкости;
• мезопоры (2–50 нм) — отвечают за перенос веществ и адсорбцию крупных молекул;
• макропоры (свыше 50 нм) — служат транспортными каналами.

Суммарная удельная поверхность пор достигает 500–1500 м² на грамм и более, что и определяет высокую поглотительную способность.

¶Сырьё и производство

Сырьём служат материалы с высоким содержанием углерода: древесина, каменный и бурый уголь, торф, скорлупа кокосовых и других орехов, косточки плодов, нефтяные остатки.

Производство включает два этапа:

1. Карбонизация — нагрев сырья без доступа воздуха при 400–700 °C, при котором удаляются летучие вещества и образуется углеродный каркас.
2. Активация — создание развитой пористости одним из способов:

• физический (паровой) — обработка водяным паром, углекислым газом или воздухом при 800–1000 °C;
• химический — пропитка сырья реагентами (фосфорная кислота, хлорид цинка, гидроксиды щелочных металлов) с последующим нагревом.

Готовый продукт измельчают, просеивают и при необходимости формуют в гранулы или таблетки.

¶Формы выпуска

• Порошковый — тонкоизмельчённый, применяется в медицине и при очистке жидкостей; быстро насыщается и плохо отделяется фильтрованием.
• Гранулированный — прочные гранулы для фильтров и колонн с высокой скоростью потока.
• Экструдированный — цилиндрические формованные гранулы для газоочистки.
• Импрегнированный — пропитанный реагентами (серебро, йод, сера) для специфических примесей.

¶Свойства

Ключевые характеристики — адсорбционная ёмкость, удельная поверхность, насыпная плотность, прочность, зольность, влажность. Адсорбция зависит от температуры (снижается при нагреве), концентрации вещества, pH среды и природы сорбата: лучше поглощаются неполярные и слабополярные соединения, крупные молекулы и ионы улавливаются хуже. Отработанный уголь регенерируют термически, паровой обработкой или экстракцией.

¶Применение

¶Медицина

В медицине активированный уголь используется как энтеросорбент — средство, связывающее в желудочно-кишечном тракте токсины, газы и некоторые лекарственные вещества. Его назначают при отравлениях, метеоризме, пищевых интоксикациях. Уголь не всасывается в кровь и выводится с содержимым кишечника. Препарат неэффективен против солей тяжёлых металлов, кислот и щелочей, а также ряда низкомолекулярных соединений; при длительном приёме возможны запоры и нарушение всасывания витаминов и питательных веществ.

¶Промышленность и экология

• очистка питьевой и сточных вод от органических примесей, хлора, нефтепродуктов, красителей;
• улавливание паров растворителей, рекуперация летучих веществ;
• очистка газов и воздуха, в том числе в системах вентиляции и противогазах;
• осветление и стабилизация напитков, сахарных сиропов, растительных масел;
• извлечение золота и других металлов из растворов (сорбция из пульп);
• носитель катализаторов.

¶Быт

Бытовые фильтры для воды, картриджи для очистки воздуха, средства для аквариумов и холодильников построены на угольных адсорбентах.

¶История

Адсорбционные свойства угля известны с древности: ещё в Древнем Египте и Греции уголь применяли для очистки воды и лечения ран. Промышленное производство началось в Европе в конце XVIII — начале XIX века; в 1773 году русский химик Товий Ловиц описал обесцвечивание растворов углём, а в 1785 году впервые применил его для очистки воды. В XX веке с развитием химической промышленности и водоподготовки производство активированного угля стало массовым, появились промышленные печи активации и технологии регенерации.

¶Меры предосторожности

Порошок активированного угля образует взрывоопасную пылевоздушную смесь, поэтому на производстве соблюдают правила пылеулавливания и заземления. При хранении уголь поглощает влагу и посторонние запахи, теряя эффективность, поэтому его держат в герметичной таре. Медицинское применение имеет противопоказания (язвенные поражения, кровотечения в желудочно-кишечном тракте) и требует соблюдения дозировки.