Основи активованого вугілля

Новачок у галузі активованого вугілля? Ви виявите, що це надзвичайно корисно для вас, щоб ви ознайомились з основами активованого вугілля

активованим

  • Що таке активоване вугілля
  • Основні властивості активованого вугілля
  • Адсорбція
  • Види активованого вугілля
  • Виробництво активованого вугілля
  • Вибір активованого вугілля

Що таке активоване вугілля?

Активоване вугілля - це вуглецеве, високопористе адсорбційне середовище, яке має складну структуру, що складається переважно з атомів вуглецю. Мережі пір в активованому вугіллі - це канали, створені в жорсткому каркасі з невпорядкованих шарів атомів вуглецю, з’єднаних між собою хімічними зв’язками, складених нерівномірно, створюючи надзвичайно пористу структуру закутків, щілин, тріщин і щілин між шарами вуглецю.

Активоване вугілля виробляється з кокосової шкаралупи, торфу, твердої та м'якої деревини, бурого вугілля, бітумного вугілля, оливкових кісточок та різних вуглецевих спеціальних матеріалів. При виробництві активованого вугілля з цієї сировини використовуються механізми хімічної активації або високотемпературної парової активації.

Власна сітка пор у гратчастій структурі активованого вугілля дозволяє видаляти домішки з газоподібних та рідких середовищ за допомогою механізму, який називається адсорбцією. Це ключ до ефективності активованого вугілля.

Адсорбція

Адсорбція - це приєднання або прилипання атомів, іонів та молекул (адсорбатів) з газоподібного, рідкого або розчинного середовища на поверхню адсорбенту - активованого вугілля. Пористість активованого вугілля забезпечує величезну поверхню, на якій може відбуватися ця адсорбція. Адсорбція відбувається в порах, дещо більших, ніж молекули, які адсорбуються, саме тому дуже важливо узгодити молекулу, яку ви намагаєтеся адсорбувати, з розміром пор активованого вугілля. Потім ці молекули потрапляють у внутрішню пористу структуру вуглецю силами Ван Дер Ваальса або іншими зв'язками тяжіння і накопичуються на твердій поверхні.

Зазвичай 1 м3 активованого вугілля з 0,3 м3 внутрішніх пор може адсорбувати 30 м3 або більше газу, навіть якщо він присутній у носії в низьких концентраціях.

Два типи адсорбції

Фізична адсорбція - Під час цього процесу адсорбати утримуються на поверхні стінок пор слабкими силами притягання, відомими як Сили Ван Дер Ваальса або дисперсійні сили Лондона.

Хемосорбція - Це включає відносно сильні сили притягання, фактичні хімічні зв’язки між адсорбатами та хімічними комплексами на поровій стінці активованого вугілля.

Основні властивості активованого вугілля

Область поверхні - Як правило, чим вище внутрішня площа поверхні, тим вища ефективність вуглецю. Площа поверхні активованого вугілля вражає, від 500 до 1500 м2/г або навіть більше; ложка активованого вугілля легко прирівнює площу поверхні футбольного поля.

Саме в процесі активації створюється ця величезна поверхня. Найпоширеніший процес - активація парою; при температурі близько 1000 ° C молекули пари вибірково спалюють отвори у вуглецевій сировині, створюючи таким чином безліч пор всередині вуглецевої матриці. При хімічній активації фосфорна кислота використовується для побудови такої пористої системи при більш низькій температурі.

Загальний обсяг пор - Відноситься до всіх порних просторів всередині частинки активованого вугілля. Це виражається в мілілітрах на грам (мл/г), обсязі по відношенню до ваги. Загалом, чим більший об’єм пор, тим вища ефективність. Однак, якщо розміри молекул, що підлягають адсорбції, не відповідають розміру пор, частина обсягу пор не буде використана. Загальний об’єм пор (T.P.V.) відрізняється залежно від джерела сировини та типу методу активації.

Радіус пор - Середній (середній) радіус пір, часто вимірюваний в ангстремах, відрізняється залежно від типу активованого вугілля.

Розподіл пор - кожен тип вуглецю має свій унікальний розподіл розмірів пор. Їх називають мікропорами (малі), мезопорами (середні) та макропорами (великими). Вуглеці для адсорбції багатьох видів молекул газу мікропористі. Найкращі вуглеці для знебарвлення мають більш високий розподіл мезопор.

  • Мікропори r 25 нм
    нм = нанометр

Різні типи активованого вугілля

Активоване вугілля в основному випускається у трьох формах або формах: порошкоподібний, гранульований та екструдований. І кожна форма доступна у багатьох розмірах. На основі заявки та вимог рекомендується конкретна форма та розмір.

Гранульоване активоване вугілля (GAC)

GAC - це частинки неправильної форми, утворені подрібненням та просіванням. Ці вироби варіюються від розмірів 0,2 мм до 5 мм. Вони мають переваги в тому, що вони твердіші та довговічніші, ніж порошкові активовані вугілля, чисті в обробці, очищають великі обсяги газу або рідин стабільної якості, і можуть бути повторно активовані та повторно використані багато разів. GAC використовуються як у рідкій, так і в газовій фазі, а також як у нерухомих, так і в рухомих системах.

При використанні рідкої фази гранульоване активоване вугілля упаковується в колони та башти, через які протікають рідини. GAC використовуються там, де є один продукт, який слід переробляти або постійно виробляти у великих кількостях. У застосуванні в газовій фазі ГАК мають перевагу в тому, що вони мають достатній потік при прийнятному перепаді тиску через вуглецевий шар.

Крім того, гранульовані активовані вугілля майже завжди регенеруються та використовуються повторно. Період між реактивацією значно варіює, але становить у середньому 18 місяців. Втрати матеріалу при реактивації коливаються від 5% до 15%.

Порошковий активоване вугілля (PAC)

PAC зазвичай мають розподіл частинок за розміром від 5 до 150 Å, хоча доступні більш грубі та більш дрібні сорти. Перевагами порошкоподібного активованого вугілля є їх менші витрати на переробку та гнучкість в експлуатації. Дозування порошкоподібного активованого вугілля можна легко збільшити або зменшити, оскільки умови процесу змінюються. Порошкові активовані вугілля в основному використовуються для рідкофазної адсорбції. Вони додаються до рідини, що підлягає обробці, змішуються з рідиною і після адсорбції видаляються осадженням та фільтруванням. Порошкові активовані вугілля зазвичай використовують у періодичному процесі, оскільки додану кількість можна легко змінити, а порошок легко видалити. Мокрий порошковий пиріг не регенерується через проблеми, пов'язані з переробкою вуглецю, а спалюється або розміщується на звалищах.

Екструдований вуглець

Це циліндричні гранули діаметром від 1 мм до 5 мм. Процес екструзії разом із сировиною, що використовується, гарантує, що кінцевий продукт є твердим і придатним для великих навантажень. Екструдована гранулятна форма забезпечує низький перепад тиску в системі, що є важливим фактором при використанні газової фази. Ринки полягають у відновленні розчинників, очищенні газу та контролі за викидами автомобілів, де велика активність, низький перепад тиску та висока стійкість екструдованого вуглецю дозволяють їм прослужити весь термін служби автомобіля.

Виробництво активованого вугілля

Вуглецеві матеріали активуються 2 методами

  1. Активація Steam
  2. Хімічна активація

Активація Steam

Активація парою є найбільш широко застосовуваним процесом, оскільки зазвичай використовується для активації як кокосової шкаралупи, так і вугілля на основі вугілля. Парова активоване вугілля виробляється в двоступеневому процесі. По-перше, сировина у вигляді грудочок, попередньо розміреного матеріалу, брикетів або екструдатів вуглецюється нагріванням в інертній атмосфері, такій як димовий газ, так що відбувається зневоднення та зневоднення вуглецю. На цій стадії температури зазвичай не перевищують 700 С. Карбонізація зменшує вміст летких речовин у вихідному матеріалі до менш ніж 20%. Виробляється кокс, який має пори, які є невеликими або занадто обмеженими для використання в якості адсорбенту.

Другий етап - це етап активації, який збільшує структуру пор, збільшує внутрішню площу поверхні та робить її більш доступною. Карбонізований продукт активується парою при температурі від 900 ° С до 1100 ° С. Хімічна реакція між вуглецем і парою відбувається на внутрішній поверхні вуглецю, видаляючи вуглець зі стінок пор і тим самим розширюючи пори. Процес активації парою дозволяє легко змінювати розмір пір і отримувати вуглець відповідно до конкретних кінцевих вимог. Наприклад, структуру пор потрібно відкривати більше для адсорбції малих молекул з розчину, як при очищенні води, ніж для адсорбції великих кольорових молекул при знебарвленні цукру.

Парова активація виробляє активоване вугілля від 1 до 3 мм шматочків, які подрібнюються та просіваються для видалення дрібних частинок та пилу, щоб відповідати вимогам для гранульованого активованого вугілля. Для отримання порошкоподібного активованого вугілля шматочки вуглецю додатково подрібнюють за допомогою м’якої подрібнювальної дії.

Хімічна активація

Хімічна активація зазвичай використовується для виробництва активованого вугілля з тирси, деревини або торфу. Хімічна активація передбачає змішування сировини з активуючим агентом, зазвичай фосфорною кислотою, для набухання деревини та розкриття целюлозної структури. Пасту з сировини та фосфорної кислоти сушать, а потім вуглецюють, як правило, у ротаційній печі при відносно низькій температурі від 400 ° C до 500 ° C. При карбонізації хімічна речовина виступає в якості опори і не дозволяє утворюється вугільному вуглеві стискатися. Це зневоднює сировину, що призводить до обвуглення та амортизації вуглецю, створюючи пористу структуру та збільшену площу поверхні.

Діяльність контролюється шляхом зміни пропорції сировини до використовуваного реагенту. Для фосфорної кислоти співвідношення зазвичай становить від 1: 0,5 до 1: 4; активність зростає із збільшенням концентрації реагенту, а також на це впливає температура та час перебування в печі.

Активоване вугілля, вироблене цим методом, має відповідний розподіл пор для використання в якості адсорбенту без подальшої обробки. Це пов’язано з тим, що використовуваний процес передбачає «кислотне промивання», яке застосовується на стадії очищення у вуглецевих паровах, що активуються, після активації. Однак хімічно активовані вугілля мають нижчу чистоту, ніж спеціально промиті кислотою парові активовані вугілля, оскільки містять невелику кількість залишкового фосфату.

Цей хімічний процес активації в основному дає порошкоподібне активоване вугілля. Якщо потрібен гранульований матеріал, гранульована сировина просочується активуючим агентом і застосовується той же метод. Вироблені гранульовані активовані вугілля мають низьку механічну міцність, однак і не підходять для багатьох видів використання в газовій фазі. У деяких випадках хімічно активоване вугілля отримує другу активацію парою для додання додаткових фізичних властивостей.

Вибір активованого вугілля для вашої програми

Вуглецева форма та дизайн системи

Для загальних конструкцій адсорбційних систем, включаючи системи вуглецю у вилуговуванні (CIL) та вуглецю в целюлозі (CIP), у фільтрах із нерухомим або рухомим шаром використовуються гранульовані вуглеці, колонна система для більш дрібних розмірів та активоване вугілля в гранулах (від 1 мм до 4 мм). Для порошків активованого вугілля найбільш підходящі програми включають флотаційні системи та періодичний процес, коли використаний вугілля видаляється фільтруванням через відповідний час контакту.

Розмір частинок та кінетика адсорбції

Більш тонкі розміри прискорюють швидкість дифузії адсорбатів у пори, отже, покращує кінетику, але змочуваність/фільтрація на порошках, падіння тиску або проблеми з екрануванням гранул є обмежуючими факторами. Тому діапазон розміру частинок і вибір розподілу є компромісом.

Однак у циліндричних гранул вуглець має перевагу кращої упаковки шару, що усуває деякі недоліки гранульованого вуглецю, такі як перепади тиску та проблеми з екрануванням, але менша твердість та більша вартість у порівнянні з нерегулярними вуглецями можуть бути обмежувальним фактором.

Розподіл розмірів пор та інші параметри

Щодо діапазону молекулярних розмірів цільових адсорбатів, вимога про розподіл пор змінюється. При видобутку золота вуглець з високим розподілом мікропор сприяв би ефективній та ефективній адсорбції комплексів ціаністого золота. Якщо ви націлені на видалення великих кольорових молекул та видів забруднень, вуглець з більшим розподілом мезо та макропори буде підходящим.

Необхідна адсорбційна здатність та чистота активованого вугілля залежать від кінцевого застосування. Твердість вуглецю також потрібно врахувати на початку порівняльних досліджень. Такий підхід призвів до переваг для споживача, збільшення терміну служби, більшої ефективності фільтрів, меншої кількості циклів регенерації, економії на апаратних витратах завдяки зменшенню розмірів фільтрів та мінливості засобів реактивації.

Випробування рослин

Етапи відбору повинні обов'язково супроводжуватися фактичними випробуваннями заводу або пілотними випробуваннями, що стимулюють всі параметри промислового процесу, перш ніж приймати рішення про закупівлю.

Інші впливи на властивості вуглецю

Окрім фізичних властивостей пір, поверхневі кисневі групи та неполярний характер поверхні часто впливають на кінетику адсорбції та здатність вуглецю. На додаток до підвищення ефективності адсорбції для вибраних застосувань проводяться певні модифікації поверхні, обробка поверхні та просочення.