Aktivkohle-Struktur

Was ist Aktivkohle (Aktivkohle)

Aktivkohlen sind Kohlenstoffsorbentien, die nach einem industriellen Verfahren hergestellt werden. Aktivkohlen haben standardisierte Qualitätsindikatoren. Die Sorptionskapazität, die spezifische Porenfläche der Aktivkohle, die Partikelgröße und eine Reihe anderer Indikatoren werden durch Standards oder technische Produktionsbedingungen festgelegt..

Die Hauptsache in Aktivkohle sind die Poren

Aktivkohle hat eine poröse Struktur und eine große Innenfläche. Aufgrund dieser Eigenschaften wird Aktivkohle als Sorptionsmittel verwendet. Aktivkohle kann während der Wasserreinigung, Luftreinigung, Flüssigkeiten und Gase Schadstoffmoleküle auf der inneren Oberfläche der Poren zurückhalten.

Das Porenvolumen von Aktivkohlen übersteigt per Definition 0,2 ml / g; Die Innenfläche beträgt mehr als 400 m² / Jahr. Die Poren können eine Größe von 0,3 Nanometern bis zu mehreren tausend Nanometern (1 Nanometer = 10 bis 9 cm) haben..

Aktivkohle-Struktur

Die Molekülstruktur von Aktivkohle enthält Kohlenstoff in Form von Plattformen oder Ringen mit mehreren Atomen. Sie bilden die Wände der molekularen Poren der Aktivkohle. Normalerweise haben die Ringe Lücken. Aufgrund dieses strukturellen Defekts können an den Stellen des Ringbruchs Reaktionen auftreten..

Die Poren von Aktivkohlen werden nach Durchmesser klassifiziert:

  • Mikroporen von Aktivkohle - weniger als 1 Nanometer.
  • Aktivkohle-Mesoporen - 1 bis 25 Nanometer.
  • Aktivkohle-Makroporen - über 25 Nanometer.

Rohstoffe für die Herstellung von Aktivkohlen

Aktivkohle kann aus jedem kohlenstoffhaltigen Material hergestellt werden. Grundsätzlich wird Aktivkohle aus Kokosnussschalen hergestellt - Kokosnuss-Aktivkohle, Kohle-Mineral-Aktivkohle oder Holzkohle-Aktivkohle.

Aktivkohleproduktion

Die Herstellung von Aktivkohle aus niedrigporösen Rohstoffen besteht in deren Aktivierung, Zerkleinerung und Sieben in Fraktionen. Bei der Aktivierung wird eine Struktur gebildet, die eine große Anzahl von Poren enthält. Bei der Herstellung spezieller Aktivkohlequalitäten können andere Vorgänge vorhanden sein..

Methoden zur Aktivierung von Kohle

Es gibt zwei Aktivierungsmethoden bei der Herstellung von Aktivkohle:

  • Dampfaktivierung.

Dampfaktivierung bei 700 - 900 ° C. In der inneren Struktur der Aktivkohle bilden sich Poren, was zu feinporiger Aktivkohle führt. Bei der Dampfaktivierung tritt eine teilweise Oxidation der Kohle auf.

  • Chemische Aktivierung.

Der Rohstoff wird mit einer Dehydratisierungssubstanz (Säure oder Zinkchlorid) gemischt und auf 400 - 600 ° C erhitzt. Das Ergebnis ist eine grobporige Aktivkohle, die beispielsweise zur Verfärbung verwendet wird..

Adsorption und Desorption

Die Anreicherung von Substanzen in den Poren des Sorptionsmittels wird als Adsorption bezeichnet. Adsorption tritt auf, wenn ein Gas oder eine Flüssigkeit Aktivkohle passiert. Desorption - die Freisetzung von Substanzen aus dem Sorptionsmittel, die sich während des Adsorptionsprozesses angesammelt haben.

Unterscheiden Sie zwischen physikalischer Adsorption und Chemisorption:

  • Die physikalische Adsorption erfolgt hauptsächlich durch die Einwirkung der Van-der-Waals-Kraft, und die chemischen Eigenschaften der adsorbierten Substanzen ändern sich nicht. Die physikalische Adsorption ist reversibel, adsorbierte Substanzen können vom Sorptionsmittel abgetrennt werden.
  • Während der Chemisorption geht die Substanz mit dem Sorptionsmittel eine chemische Reaktion ein. Sowohl seine chemischen Eigenschaften als auch die Eigenschaften des Sorptionsmittels ändern sich. Die Chemisorption ist irreversibel.

Von Aktivkohle adsorbierte Substanzen

Organische und unpolare Substanzen wie Lösungsmittel, chlorierte Kohlenwasserstoffe, Farbstoffe, Öl und Erdölprodukte können durch Aktivkohle adsorbiert werden. Hochmolekulare Substanzen und Substanzen mit unpolarer Struktur werden besser adsorbiert.

Die Möglichkeit der Sorption durch Aktivkohle nimmt mit einer Abnahme der Löslichkeit einer Substanz in Wasser für Substanzen mit einer unpolaren Struktur und mit einer Zunahme des Molekulargewichts zu.

Grafische Darstellung der Adsorption durch Aktivkohle als Adsorptionsisotherme

Die Adsorption wird in Abhängigkeit von der Konzentration der zu adsorbierenden Substanz als Isotherme dargestellt. Eine Isotherme beschreibt das Gleichgewicht zwischen einer Substanz in einer Flüssigkeit oder in Luft, die adsorbiert werden muss (Restkonzentration) und der adsorbierten Substanz in Aktivkohle (maximale Menge bei dieser Restkonzentration). Typischerweise steigt die maximale Kapazität mit zunehmender Anfangskonzentration..

Aktivkohle

Rohstoffe und chemische Zusammensetzung

Struktur

Produktion

Einstufung

Hauptmerkmale

Einsatzgebiete

Regeneration

Geschichte

Aktivkohlen Carbonut

Dokumentation

Rohstoffe und chemische Zusammensetzung

Aktivkohle (oder Aktivkohle) (von Lat.carbo activatus) ist ein Adsorbens - eine Substanz mit einer hoch entwickelten porösen Struktur, die aus verschiedenen kohlenstoffhaltigen Materialien organischen Ursprungs wie Holzkohle, Kohlekoks, Petrolkoks, Kokosnussschalen, Walnüssen usw. gewonnen wird. Gruben mit Aprikosen, Oliven und anderen Obstarten. Das Beste in Bezug auf Reinigungsqualität und Lebensdauer ist Aktivkohle (Carbolen) aus Kokosnussschalen, die aufgrund ihrer hohen Festigkeit viele Male regeneriert werden kann.

Aus chemischer Sicht ist Aktivkohle eine der Formen von Kohlenstoff mit einer unvollständigen Struktur, die praktisch frei von Verunreinigungen ist. Aktivkohle ist 87-97 Gew.-% Kohlenstoff und kann auch Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und andere Substanzen enthalten. Aktivkohle ähnelt hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung Graphit, dem verwendeten Material, auch in gewöhnlichen Stiften. Aktivkohle, Diamant, Graphit - das sind alles verschiedene Formen von Kohlenstoff, die praktisch frei von Verunreinigungen sind. Aktivkohlen gehören aufgrund ihrer strukturellen Eigenschaften zur Gruppe der mikrokristallinen Kohlenstoffsorten - dies sind Graphitkristallite, die aus Ebenen mit einer Länge von 2-3 nm bestehen, die wiederum durch hexagonale Ringe gebildet werden. Die für Graphit typische Ausrichtung einzelner Gitterebenen relativ zueinander in Aktivkohlen wird jedoch verletzt - die Schichten sind zufällig verschoben und fallen nicht in der Richtung senkrecht zu ihrer Ebene zusammen. Aktivkohlen enthalten neben Graphitkristalliten ein bis zwei Drittel amorphen Kohlenstoff, daneben sind Heteroatome vorhanden. Eine inhomogene Masse, bestehend aus Graphit und amorphen Kohlenstoffkristalliten, bestimmt die besondere poröse Struktur von Aktivkohlen sowie deren Adsorption und physikalisch-mechanische Eigenschaften. Das Vorhandensein von chemisch gebundenem Sauerstoff in der Struktur von Aktivkohlen, die basische oder saure chemische Oberflächenverbindungen bilden, beeinflusst deren Adsorptionseigenschaften erheblich. Der Aschegehalt von Aktivkohle kann 1-15% betragen, manchmal wird er auf 0,1-0,2% entaschet.

Struktur

Aktivkohle hat eine große Anzahl von Poren und daher eine sehr große Oberfläche, wodurch sie eine hohe Adsorption aufweist (1 g Aktivkohle hat je nach Herstellungstechnologie eine Oberfläche von 500 bis 1500 m 2). Es ist die hohe Porosität, die Aktivkohle "aktiviert" macht. Eine Erhöhung der Porosität von Aktivkohle tritt während einer speziellen Behandlung auf - Aktivierung, die die Adsorbensoberfläche signifikant erhöht.

In Aktivkohlen gibt es Makro-, Meso- und Mikroporen. Abhängig von der Größe der Moleküle, die auf der Oberfläche der Kohle zurückgehalten werden sollen, muss Kohle mit unterschiedlichen Porengrößenverhältnissen hergestellt werden. Poren in Aktivkohle werden nach ihren linearen Abmessungen klassifiziert - X (halbe Breite - für ein Schlitzporenmodell, Radius - für zylindrisch oder kugelförmig):

  • X 100-200 nm - Makroporen.

Für die Adsorption in Mikroporen (spezifisches Volumen 0,2-0,6 cm 3 / g und 800-1000 m 2 / g), deren Größe mit den adsorbierten Molekülen vergleichbar ist, ist der Mechanismus der volumetrischen Füllung hauptsächlich charakteristisch. Eine ähnliche Adsorption tritt auch bei Supermikroporen (spezifisches Volumen 0,15 bis 0,2 cm 3 / g) auf - Zwischenregionen zwischen Mikroporen und Mesoporen. In dieser Region degenerieren die Eigenschaften von Mikroporen allmählich, die Eigenschaften von Mesoporen treten auf. Der Adsorptionsmechanismus in Mesoporen besteht in der sequentiellen Bildung von Adsorptionsschichten (polymolekulare Adsorption), die mit dem Füllen der Poren durch den Mechanismus der Kapillarkondensation endet. Für gewöhnliche Aktivkohlen beträgt das spezifische Volumen der Mesoporen 0,02 bis 0,10 cm 3 / g, die spezifische Oberfläche 20 bis 70 m 2 / g; Bei einigen Aktivkohlen (z. B. zur Klärung) können diese Indikatoren jedoch 0,7 cm 3 / g bzw. 200-450 m 2 / g erreichen. Makroporen (spezifisches Volumen und Oberfläche 0,2-0,8 cm 3 / g bzw. 0,5-2,0 m 2 / g) dienen als Transportkanäle und versorgen den Adsorptionsraum von Aktivkohlegranulaten mit Molekülen absorbierter Substanzen. Mikro- und Mesoporen machen den größten Teil der Oberfläche von Aktivkohlen aus und tragen am meisten zu ihren Adsorptionseigenschaften bei. Mikroporen eignen sich besonders gut für die Adsorption kleiner Moleküle und Mesoporen eignen sich besonders gut für die Adsorption größerer organischer Moleküle. Der entscheidende Einfluss auf die Porenstruktur von Aktivkohlen wird durch das Ausgangsmaterial ausgeübt, aus dem sie gewonnen werden. Aktivkohlen auf Basis von Kokosnussschalen zeichnen sich durch einen höheren Anteil an Mikroporen und Aktivkohlen auf Basis von Kohle aus - ein größerer Anteil an Mesoporen. Ein großer Anteil der Makroporen ist charakteristisch für Aktivkohlen auf Holzbasis. In der Regel existieren alle Arten von Poren in Aktivkohle, und die Differenzkurve ihrer Volumenverteilung nach Größe hat 2-3 Maxima. Je nach Entwicklungsgrad der Supermikroporen unterscheiden sich Aktivkohlen durch eine enge Verteilung (diese Poren fehlen praktisch) und eine breite (signifikant entwickelte).

In den Poren der Aktivkohle gibt es eine intermolekulare Anziehung, die zum Auftreten von Adsorptionskräften (Van-der-Waals-Kräften) führt, die ihrer Natur nach der Schwerkraft ähneln, mit dem einzigen Unterschied, dass sie eher auf molekularer als auf astronomischer Ebene wirken. Diese Kräfte induzieren eine ausfällungsartige Reaktion, bei der adsorbierte Substanzen aus Wasser- oder Gasströmen entfernt werden können. Moleküle der zu entfernenden Schadstoffe werden durch intermolekulare Van-der-Waals-Kräfte auf der Oberfläche der Aktivkohle zurückgehalten. Aktivkohlen entfernen somit Verunreinigungen aus den zu reinigenden Substanzen (im Gegensatz zum Beispiel durch Verfärbung, wenn die Moleküle farbiger Verunreinigungen nicht entfernt, sondern chemisch in farblose Moleküle umgewandelt werden). Chemische Reaktionen können auch zwischen den adsorbierten Substanzen und der Oberfläche der Aktivkohle auftreten. Diese Prozesse werden als chemische Adsorption oder Chemisorption bezeichnet, aber im Grunde tritt der Prozess der physikalischen Adsorption auf, wenn Aktivkohle mit der adsorbierten Substanz interagiert. Die Chemisorption wird in der Industrie häufig zur Gasreinigung, Entgasung, Metalltrennung sowie in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt. Die physikalische Adsorption ist reversibel, dh adsorbierte Substanzen können von der Oberfläche getrennt und unter bestimmten Bedingungen in ihren ursprünglichen Zustand zurückversetzt werden. Während der Chemisorption wird die adsorbierte Substanz durch chemische Bindungen an die Oberfläche gebunden, wodurch sich ihre chemischen Eigenschaften ändern. Die Chemisorption ist nicht reversibel.

Einige Substanzen werden auf der Oberfläche herkömmlicher Aktivkohlen schwach adsorbiert. Diese Substanzen umfassen Ammoniak, Schwefeldioxid, Quecksilberdampf, Schwefelwasserstoff, Formaldehyd, Chlor und Cyanwasserstoff. Mit speziellen chemischen Reagenzien imprägnierte Aktivkohlen werden verwendet, um solche Substanzen wirksam zu entfernen. Imprägnierte Aktivkohlen werden in speziellen Bereichen der Luft- und Wasserreinigung, in Atemschutzmasken, für militärische Zwecke, in der Nuklearindustrie usw. verwendet..

Produktion

Zur Herstellung von Aktivkohle werden Öfen verschiedener Typen und Ausführungen verwendet. Am weitesten verbreitet sind: Mehrfachregal-, Schacht-, horizontale und vertikale Drehrohröfen sowie Wirbelschichtreaktoren. Die Haupteigenschaften von Aktivkohlen und vor allem die poröse Struktur werden durch die Art des anfänglichen kohlenstoffhaltigen Rohmaterials und die Art seiner Verarbeitung bestimmt. Zuerst werden kohlenstoffhaltige Rohstoffe auf eine Partikelgröße von 3 bis 5 cm zerkleinert, dann werden sie einer Karbonisierung (Pyrolyse) unterzogen - Brennen bei hoher Temperatur in einer inerten Atmosphäre ohne Luftzugang, um flüchtige Substanzen zu entfernen. Im Stadium der Karbonisierung wird das Gerüst der zukünftigen Aktivkohle gebildet - primäre Porosität und Festigkeit.

Die erhaltene karbonisierte Kohle (Carbonisat) weist jedoch schlechte Adsorptionseigenschaften auf, da ihre Porengrößen klein und die innere Oberfläche sehr klein sind. Daher wird das Carbonisat einer Aktivierung unterzogen, um eine spezifische Porenstruktur zu erhalten und die Adsorptionseigenschaften zu verbessern. Die Essenz des Aktivierungsprozesses besteht darin, die Poren im geschlossenen Zustand des Kohlenstoffmaterials zu öffnen. Dies erfolgt entweder thermochemisch: Das Material wird zuvor mit einer Lösung von Zinkchlorid ZnCl imprägniert2, Kaliumcarbonat K.2CO3 oder einige andere Verbindungen und erhitzt auf 400-600 ° C ohne Luftzugang oder, die häufigste Art der Behandlung, mit überhitztem Dampf oder Kohlendioxid CO2 oder ihre Mischung bei einer Temperatur von 700-900ºC unter streng kontrollierten Bedingungen. Die Dampfaktivierung ist die Oxidation von karbonisierten Produkten zu gasförmigen Produkten gemäß der Reaktion - C + H.2O -> CO + H.2;; oder mit einem Überschuss an Wasserdampf - C + 2H2O -> CO2+2H2. Es ist allgemein anerkannt, dass eine begrenzte Menge Luft zur gleichzeitigen Aktivierung mit Sattdampf in die Vorrichtung eingespeist wird. Ein Teil der Kohle brennt aus und die erforderliche Temperatur wird im Reaktionsraum erreicht. Der Ausstoß von Aktivkohle in dieser Version des Verfahrens ist deutlich reduziert. Auch Aktivkohle wird durch thermische Zersetzung von synthetischen Polymeren (z. B. Polyvinylidenchlorid) erhalten..

Die Aktivierung mit Wasserdampf ermöglicht die Erzeugung von Kohlen mit einer inneren Oberfläche von bis zu 1500 m 2 pro Gramm Kohle. Aktivkohlen sind dank dieser großen Oberfläche hervorragende Adsorbentien. Es kann jedoch nicht der gesamte Bereich für die Adsorption verfügbar sein, da große Moleküle adsorbierter Substanzen nicht in kleine Poren eindringen können. Während des Aktivierungsprozesses entwickelt sich die erforderliche Porosität und spezifische Oberfläche, eine signifikante Abnahme der Masse des Feststoffs tritt auf, was als Ausbrennen bezeichnet wird..

Durch die thermochemische Aktivierung entsteht grobporige Aktivkohle, die zum Bleichen verwendet wird. Durch die Dampfaktivierung entsteht feinporige Aktivkohle, die zur Reinigung verwendet wird.

Als nächstes wird die Aktivkohle abgekühlt und einer vorläufigen Sortierung und Siebung unterzogen, wobei der Schlamm herausgesiebt wird. Anschließend wird die Aktivkohle je nach Notwendigkeit, die angegebenen Parameter zu erhalten, einer zusätzlichen Verarbeitung unterzogen: Säurewaschen, Imprägnieren (Imprägnieren mit verschiedenen Chemikalien), Mahlen und Trocknen. Dann wird die Aktivkohle in Industrieverpackungen verpackt: Beutel oder Big Bags.

Einstufung

Aktivkohle wird nach der Art des Rohstoffs, aus dem sie hergestellt wird (Kohle, Holz, Kokosnuss usw.), nach der Aktivierungsmethode (thermochemisch und Dampf), nach Zweck (Gas, Rückgewinnung, Klärung und Kohleträger von Katalysatoren-chemischen Sorptionsmitteln) klassifiziert. sowie in Form einer Freigabe. Derzeit wird Aktivkohle hauptsächlich in folgenden Formen hergestellt:

  • Aktivkohlepulver,
  • körnige (zerkleinerte, unregelmäßig geformte Partikel) Aktivkohle,
  • geformte Aktivkohle,
  • extrudierte (zylindrische Granulate) Aktivkohle,
  • Aktivkohletuch.

Aktivkohlepulver hat Partikel von weniger als 0,1 mm (mehr als 90% der Gesamtzusammensetzung). Pulverkohle wird zur industriellen Flüssigkeitsbehandlung verwendet, einschließlich der Behandlung von häuslichem und industriellem Abwasser. Nach der Adsorption muss Kohlenstaub von den zu reinigenden Flüssigkeiten durch Filtration abgetrennt werden.

Aktivkohlegranulat mit Partikeln im Bereich von 0,1 bis 5 mm (mehr als 90% der Zusammensetzung). Granulare Aktivkohle wird zur Flüssigreinigung verwendet, hauptsächlich zur Wasserreinigung. Beim Reinigen von Flüssigkeiten wird Aktivkohle in Filter oder Adsorber gegeben. Aktivkohlen mit größeren Partikeln (2-5 mm) werden zum Reinigen von Luft und anderen Gasen verwendet.

Geformte Aktivkohle ist Aktivkohle in Form verschiedener geometrischer Formen, abhängig von der Anwendung (Zylinder, Tabletten, Briketts usw.). Formkohle wird zur Reinigung verschiedener Gase und Luft verwendet. Beim Reinigen von Gasen wird Aktivkohle auch in Filter oder Adsorber eingebracht.

Extrudierte Kohle wird mit Partikeln in Form von Zylindern mit einem Durchmesser von 0,8 bis 5 mm hergestellt, in der Regel mit speziellen Chemikalien imprägniert (imprägniert) und in der Katalyse eingesetzt.

Mit Kohlenstoff imprägnierte Gewebe sind in verschiedenen Formen und Größen erhältlich, die am häufigsten zur Gas- und Luftreinigung verwendet werden, beispielsweise in Autoluftfiltern.

Hauptmerkmale

Granulometrische Größe (Granulometrie) - Die Größe des Hauptteils des Aktivkohlegranulats. Maßeinheit: Millimeter (mm), Maschenweite USS (amerikanisch) und Maschenweite BSS (englisch). Eine Übersichtstabelle der Partikelgrößenumrechnung der USS-Maschenweite - Millimeter (mm) finden Sie in der entsprechenden Datei.

Die Schüttdichte ist die Masse eines Materials, das eine Volumeneinheit unter seinem eigenen Gewicht ausfüllt. Maßeinheit - Gramm pro Kubikzentimeter (g / cm 3).

Oberfläche - Die Oberfläche eines Festkörpers im Verhältnis zu seiner Masse. Maßeinheit - Quadratmeter bis Gramm Kohle (m 2 / g).

Härte (oder Festigkeit) - Alle Hersteller und Verbraucher von Aktivkohle verwenden signifikant unterschiedliche Methoden zur Bestimmung der Festigkeit. Die meisten Techniken basieren auf dem folgenden Prinzip: Eine Aktivkohleprobe wird mechanischer Beanspruchung ausgesetzt, und die Festigkeit wird anhand der Menge an Feinfraktion gemessen, die während der Zerstörung von Kohle oder beim Mahlen einer durchschnittlichen Größe gebildet wird. Als Maß für die Stärke wird die Menge an nicht zerstörter Kohle als Prozentsatz (%) angegeben..

Feuchtigkeit ist die Feuchtigkeitsmenge in der Aktivkohle. Maßeinheit - Prozent (%).

Aschegehalt - die Menge an Asche (manchmal wird sie nur als wasserlöslich angesehen) in Aktivkohle. Maßeinheit - Prozent (%).

pH-Wert des wässrigen Extrakts - der pH-Wert einer wässrigen Lösung nach dem Kochen einer darin enthaltenen Aktivkohleprobe.

Schutzwirkung - Messung der Adsorptionszeit eines bestimmten Gases durch Kohle vor dem Durchgang der Mindestgaskonzentrationen durch eine Aktivkohle-Schicht. Dieser Test wird auf Kohlen angewendet, die zur Luftreinigung verwendet werden. Am häufigsten wird Aktivkohle auf Benzol oder Tetrachlorkohlenstoff (auch bekannt als Tetrachlorkohlenstoff CCl) getestet4).

STS-Adsorption (Adsorption an Tetrachlorkohlenstoff) - Tetrachlorkohlenstoff wird durch das Volumen der Aktivkohle geleitet, die Sättigung erfolgt zu einer konstanten Masse, dann wird die Menge des adsorbierten Dampfes erhalten, bezogen auf die Kohleprobe in Prozent (%)..

Jodindex (Adsorption von Jod, Jodzahl) - die Menge an Jod in Milligramm, die 1 Gramm Aktivkohle in Pulverform aus einer verdünnten wässrigen Lösung adsorbieren kann. Maßeinheit - mg / g.

Die Methylenblauadsorption ist die Anzahl der Milligramm Methylenblau, die von einem Gramm Aktivkohle aus einer wässrigen Lösung absorbiert werden. Maßeinheit - mg / g.

Verfärbung der Melasse (Melassezahl oder -index, ein Indikator für Melasse) - die Menge an Aktivkohle in Milligramm, die für eine 50% ige Klärung einer Standardmelasselösung erforderlich ist.

Einsatzgebiete

Aktivkohle adsorbiert gut organische, hochmolekulare Substanzen mit unpolarer Struktur, z. B. Lösungsmittel (chlorierte Kohlenwasserstoffe), Farbstoffe, Öl usw. Die Adsorptionsmöglichkeiten nehmen mit abnehmender Löslichkeit in Wasser, mit größerer Unpolarität der Struktur und zunehmendem Molekulargewicht zu. Aktivkohlen adsorbieren gut Dämpfe von Substanzen mit relativ hohen Siedepunkten (z. B. Benzol C.6H.6), schlechter - flüchtige Verbindungen (zum Beispiel Ammoniak NH3). Bei relativen Dampfdrücken pR./ R.uns weniger als 0,10-0,25 (pR. - Gleichgewichtsdruck der adsorbierten Substanz, puns - Sattdampfdruck) Aktivkohle absorbiert Wasserdampf unbedeutend. Bei pR./ R.uns mehr als 0,3-0,4 wird eine merkliche Adsorption beobachtet, und im Fall von pR./ R.uns = 1, fast alle Mikroporen sind mit Wasserdampf gefüllt. Daher kann ihre Anwesenheit die Absorption der Zielsubstanz erschweren..

Aktivkohle wird häufig als Adsorbens verwendet, das Dämpfe aus Gasemissionen absorbiert (z. B. beim Reinigen von Schwefelkohlenstoff CS mit Luft2), Auffangen von Dämpfen flüchtiger Lösungsmittel zum Zwecke ihrer Rückgewinnung, zur Reinigung von wässrigen Lösungen (z. B. Zuckersirup und alkoholischen Getränken), Trink- und Abwasser, in Gasmasken, in der Vakuumtechnik, zum Beispiel zur Herstellung von Sorptionspumpen, in der Gasadsorptionschromatographie, zum Befüllen von Geruchsabsorbern in Kühlschränken, Blutreinigung, Absorption von Schadstoffen aus dem Magen-Darm-Trakt usw. Aktivkohle kann auch ein Träger von katalytischen Additiven und ein Katalysator für die Polymerisation sein. Um Aktivkohle katalytische Eigenschaften zu verleihen, werden spezielle Additive in die Makro- und Mesoporen eingeführt.

Mit der Entwicklung der industriellen Produktion von Aktivkohle nimmt die Verwendung dieses Produkts stetig zu. Derzeit wird Aktivkohle in vielen Wasseraufbereitungsprozessen, in der Lebensmittelindustrie und in chemisch-technischen Prozessen verwendet. Darüber hinaus basiert die Abgas- und Abwasserbehandlung hauptsächlich auf der Adsorption durch Aktivkohle. Und mit der Entwicklung der Kerntechnologien ist Aktivkohle das Hauptadsorptionsmittel für radioaktive Gase und Abwasser in Kernkraftwerken. Im 20. Jahrhundert trat die Verwendung von Aktivkohle in komplexen medizinischen Prozessen auf, beispielsweise bei der Hämofiltration (Reinigung von Blut mit Aktivkohle). Aktivkohle wird verwendet:

  • zur Wasseraufbereitung (Wasserreinigung aus Dioxinen und Xenobiotika, Karbonisierung);
  • in der Lebensmittelindustrie bei der Herstellung von alkoholischen Getränken, alkoholarmen Getränken und Bier, Klärung von Weinen, bei der Herstellung von Zigarettenfiltern, Reinigung von Kohlendioxid bei der Herstellung von kohlensäurehaltigen Getränken, Reinigung von Stärkelösungen, Zuckersirupen, Glucose und Xylit, Klärung und Desodorierung von Ölen und Fetten, bei der Herstellung von Zitrone, Milch und andere Säuren;
  • in der chemischen, Öl- und Gasproduktions- und Verarbeitungsindustrie zur Klärung von Weichmachern als Träger von Katalysatoren, bei der Herstellung von Mineralölen, chemischen Reagenzien und Farben und Lacken, bei der Herstellung von Kautschuk, bei der Herstellung chemischer Fasern, zur Reinigung von Aminlösungen, zur Rückgewinnung organischer Lösungsmitteldämpfe;
  • bei Umweltschutzmaßnahmen zur Behandlung von Industrieabwässern, zur Beseitigung von verschüttetem Öl und Ölprodukten, zur Reinigung von Rauchgasen in Müllverbrennungsanlagen und zur Reinigung von Gas-Luft-Emissionen in der Belüftung;
  • im Bergbau und in der metallurgischen Industrie zur Herstellung von Elektroden, zur Flotation von Mineralerzen, zur Gewinnung von Gold aus Lösungen und Zellstoffen im Goldbergbau;
  • in der Brennstoff- und Energiewirtschaft zur Reinigung von Dampfkondensat und Kesselwasser;
  • in der pharmazeutischen Industrie für Reinigungslösungen bei der Herstellung von Arzneimitteln, bei der Herstellung von Kohletabletten, Antibiotika, Blutersatzstoffen, Allohol-Tabletten;
  • in der Medizin, um die Organismen von Tieren und Menschen beim Reinigen von Blut von Toxinen und Bakterien zu reinigen;
  • bei der Herstellung von persönlicher Schutzausrüstung (Gasmasken, Atemschutzmasken usw.);
  • in der Atomindustrie;
  • zur Wasseraufbereitung in Schwimmbädern und Aquarien.

Wasser wird als Abwasser, Grundwasser und Trinkwasser klassifiziert. Ein charakteristisches Merkmal dieser Klassifizierung ist die Konzentration von Schadstoffen, bei denen es sich um Lösungsmittel, Pestizide und / oder halogenierte Kohlenwasserstoffe wie chlorierte Kohlenwasserstoffe handeln kann. Je nach Löslichkeit werden folgende Konzentrationsbereiche unterschieden:

  • 10-350 g / Liter für Trinkwasser,
  • 10-1000 g / Liter für Grundwasser,
  • 10-2000 g / Liter für Abwasser.

Die Poolwasseraufbereitung passt nicht zu dieser Klassifizierung, da es sich hier eher um Entchlorung und Deozonierung als um eine reine adsorptive Entfernung des Schadstoffs handelt. Die Entchlorung und Deozonierung wird effektiv bei der Behandlung von Schwimmbadwasser unter Verwendung von Aktivkohle aus Kokosnussschalen angewendet, was die Vorteile einer großen Adsorptionsfläche aufweist und daher eine ausgezeichnete Entchlorungswirkung mit hoher Dichte aufweist. Die hohe Dichte ermöglicht einen Rückfluss, ohne dass Aktivkohle aus dem Filter gespült wird.

Granulare Aktivkohle wird in stationären stationären Adsorptionssystemen verwendet. Kontaminiertes Wasser fließt durch ein permanentes Aktivkohlebett (hauptsächlich von oben nach unten). Damit dieses Adsorptionssystem frei funktioniert, muss das Wasser frei von festen Partikeln sein. Dies kann durch eine geeignete Vorbehandlung (z. B. mit einem Sandfilter) gewährleistet werden. Partikel, die in den stationären Filter gelangen, können durch den Gegenstrom des Adsorptionssystems entfernt werden.

In vielen industriellen Prozessen werden schädliche Gase freigesetzt. Diese giftigen Substanzen dürfen nicht in die Luft freigesetzt werden. Die häufigsten giftigen Substanzen in der Luft sind Lösungsmittel, die für die Herstellung von Materialien für den täglichen Gebrauch notwendig sind. Zur Abtrennung von Lösungsmitteln (hauptsächlich Kohlenwasserstoffen wie chlorierten Kohlenwasserstoffen) kann Aktivkohle aufgrund ihrer Wasserabweisung erfolgreich eingesetzt werden.

Die Luftreinigung wird gemäß der Menge und Konzentration des Schadstoffs in der Luft in Luftreinhaltung und Lösungsmittelrückgewinnung eingeteilt. Bei hohen Konzentrationen ist es billiger, Lösungsmittel aus Aktivkohle (z. B. durch Dampf) zu gewinnen. Wenn die toxischen Substanzen jedoch in einer sehr geringen Konzentration oder in einer Mischung vorliegen, die nicht wiederverwendet werden kann, wird geformte Einweg-Aktivkohle verwendet. In stationären Adsorptionssystemen wird geformte Aktivkohle verwendet. Kontaminierte Lüftungsdüsen passieren eine permanente Kohleschicht in einer Richtung (hauptsächlich von unten nach oben)..

Einer der Hauptanwendungsbereiche von imprägnierter Aktivkohle ist die Gas- und Luftreinigung. Verschmutzte Luft infolge vieler technischer Prozesse enthält giftige Substanzen, die mit herkömmlicher Aktivkohle nicht vollständig entfernt werden können. Diese giftigen Substanzen, hauptsächlich anorganische oder instabile polare Substanzen, können bereits in geringen Konzentrationen hochgiftig sein. In diesem Fall wird imprägnierte Aktivkohle verwendet. Manchmal kann durch verschiedene chemische Zwischenreaktionen zwischen einem Bestandteil eines Schadstoffs und einem Wirkstoff in Aktivkohle der Schadstoff vollständig aus der verschmutzten Luft entfernt werden. Aktivkohlen werden mit Silber (zur Reinigung von Trinkwasser), Jod (zur Reinigung von Schwefeldioxid), Schwefel (zur Reinigung von Quecksilber), Alkali (zur Reinigung von gasförmigen Säuren und Gasen - Chlor, Schwefeldioxid, Stickstoffdioxid usw.) imprägniert (imprägniert). usw.), Säure (zur Reinigung von gasförmigen Laugen und Ammoniak).

Regeneration

Da die Adsorption ein reversibler Prozess ist und die Oberfläche oder chemische Zusammensetzung der Aktivkohle nicht verändert, können Verunreinigungen durch Desorption (Freisetzung adsorbierter Substanzen) aus der Aktivkohle entfernt werden. Die Van-der-Waals-Kraft, die die Hauptantriebskraft bei der Adsorption darstellt, wird geschwächt. Daher werden drei technische Methoden angewendet, um sicherzustellen, dass die Verunreinigungen von der Oberfläche der Kohle entfernt werden können:

  • Temperaturschwankungsmethode: Die Wirkung der Van-der-Waals-Kraft nimmt mit steigender Temperatur ab. Die Temperatur wird durch einen heißen Stickstoffstrom oder einen Anstieg des Dampfdrucks bei 110-160 ° C erhöht.
  • Druckschwingmethode: Mit abnehmendem Partialdruck nimmt die Wirkung der Van-der-Waltz-Kraft ab.
  • Extraktion - Desorption in flüssigen Phasen. Die adsorbierten Substanzen werden chemisch entfernt.

Alle diese Verfahren haben Nachteile, da die adsorbierten Substanzen nicht vollständig von der Oberfläche der Kohle entfernt werden können. Eine signifikante Menge der Verunreinigung verbleibt in den Poren der Aktivkohle. Bei Verwendung der Dampfregeneration verbleibt noch 1/3 aller adsorbierten Substanzen in der Aktivkohle.

Unter chemischer Regeneration wird die Behandlung des Sorptionsmittels mit flüssigen oder gasförmigen organischen oder anorganischen Reagenzien bei einer Temperatur verstanden, die üblicherweise nicht höher als 100 ° C ist. Sowohl Kohlenstoff- als auch Nicht-Kohlenstoff-Sorptionsmittel werden chemisch regeneriert. Infolge dieser Behandlung wird das Sorbat entweder unverändert desorbiert oder die Produkte seiner Wechselwirkung mit dem Regenerationsmittel werden desorbiert. Die chemische Regeneration findet häufig direkt in der Adsorptionsvorrichtung statt. Die meisten chemischen Rückgewinnungsmethoden sind auf eine bestimmte Art von Sorbat hochspezialisiert..

Die thermische Regeneration bei niedriger Temperatur ist die Behandlung des Sorptionsmittels mit Dampf oder Gas bei 100-400 ° C. Dieses Verfahren ist recht einfach und wird in vielen Fällen direkt in Adsorbern durchgeführt. Aufgrund seiner hohen Enthalpie wird Dampf am häufigsten zur thermischen Regeneration bei niedriger Temperatur verwendet. Es ist sicher und in der Produktion verfügbar.

Chemische Regeneration und thermische Regeneration bei niedriger Temperatur bieten keine vollständige Rückgewinnung von Adsorptionskohlenstoffen. Die thermische Regeneration ist ein sehr komplexer, mehrstufiger Prozess, der nicht nur das Sorbat, sondern auch das Sorbens selbst betrifft. Die thermische Regeneration ist nah an der Technologie zur Herstellung von Aktivkohlen. Während der Carbonisierung von Sorbaten verschiedener Arten auf Kohle zersetzen sich die meisten Verunreinigungen bei 200 bis 350 ° C, und bei 400 ° C wird normalerweise etwa die Hälfte des gesamten Adsorbats zerstört. CO, CO2, CH4 - Die Hauptzersetzungsprodukte von organischem Sorbat werden beim Erhitzen auf 350 - 600 ° C freigesetzt. Theoretisch betragen die Kosten einer solchen Regeneration 50% der Kosten für neue Aktivkohle. Dies zeigt die Notwendigkeit, die Suche und Entwicklung neuer hochwirksamer Methoden zur Regeneration von Sorptionsmitteln fortzusetzen..

Reaktivierung - vollständige Regeneration der Aktivkohle mittels Dampf bei einer Temperatur von 600 ° C. Der Schadstoff wird bei dieser Temperatur verbrannt, ohne Kohle zu verbrennen. Dies ist aufgrund der geringen Sauerstoffkonzentration und der Anwesenheit einer signifikanten Menge Dampf möglich. Wasserdampf reagiert selektiv mit adsorbierten organischen Stoffen, die bei diesen hohen Temperaturen in Wasser hochreaktiv sind, was zu einer vollständigen Verbrennung führt. Eine minimale Verbrennung von Kohle kann jedoch nicht vermieden werden. Dieser Verlust muss durch neue Kohle ausgeglichen werden. Nach der Reaktivierung kommt es häufig vor, dass die Aktivkohle eine größere intrinsische Oberfläche und eine höhere Reaktivität aufweist als die ursprüngliche Kohle. Diese Tatsachen sind auf die Bildung zusätzlicher Poren und Verkokungsverunreinigungen in Aktivkohle zurückzuführen. Auch die Porenstruktur ändert sich - ihre Zunahme erfolgt. Die Reaktivierung erfolgt in einem Reaktivierungsofen. Es gibt drei Arten von Öfen: Dreh-, Wellen- und Gasöfen mit variablem Gasdurchfluss. Ein Ofen mit variablem Gasstrom hat die Vorteile eines geringen Verbrennungsverlusts und einer geringen Reibung. Die Aktivkohle wird in den Luftstrom geladen und die Verbrennungsgase können durch den Rost nach oben befördert werden. Die Aktivkohle wird durch den intensiven Gasstrom teilweise flüssig gemacht. Die Gase transportieren auch Verbrennungsprodukte während der Reaktivierung von der Aktivkohle zum Nachbrenner. Dem Nachbrenner wird Luft zugesetzt, damit nicht vollständig entzündete Gase verbrannt werden können. Die Temperatur steigt auf ca. 1200 ° C. Nach der Verbrennung strömt das Gas zu einer Gaswaschanlage, in der das Gas durch Abkühlen mit Wasser und Luft auf eine Temperatur zwischen 50 und 100 ° C abgekühlt wird. In dieser Kammer wird Salzsäure, die durch adsorbierte Chlorkohlenwasserstoffe aus gereinigter Aktivkohle gebildet wird, mit Natriumhydroxid neutralisiert. Aufgrund der hohen Temperatur und der schnellen Abkühlung bilden sich keine giftigen Gase (wie Dioxine und Furane).

Geschichte

Die früheste historische Erwähnung der Verwendung von Kohle stammt aus dem alten Indien, wo die Sanskrit-Schriften besagten, dass Trinkwasser zuerst durch Kohle geleitet, in Kupfergefäßen aufbewahrt und dem Sonnenlicht ausgesetzt werden muss.

Die einzigartigen und vorteilhaften Eigenschaften von Kohle waren auch im alten Ägypten bekannt, wo Holzkohle bereits 1500 v. Chr. Für medizinische Zwecke verwendet wurde. eh.

Die alten Römer verwendeten Kohle auch zur Reinigung von Trinkwasser, Bier und Wein..

Ende des 18. Jahrhunderts wussten Wissenschaftler, dass Carbolen verschiedene Gase, Dämpfe und gelöste Stoffe absorbieren kann. Im Alltag beobachteten die Menschen: Wenn beim Kochen von Wasser ein paar Holzkohle in den Topf geworfen wird, in dem zuvor das Abendessen gekocht wurde, verschwinden der Geschmack und der Geruch von Lebensmitteln. Im Laufe der Zeit wurde Aktivkohle zum Raffinieren von Zucker, zum Auffangen von Benzin in Erdgasen, zum Färben von Stoffen und zum Gerben von Leder verwendet.

Der deutsche Chemiker Karl Scheele berichtete 1773 über die Adsorption von Gasen an Holzkohle. Es wurde später festgestellt, dass Holzkohle auch Flüssigkeiten verfärben kann..

1785 machte der St. Petersburger Apotheker T. E. Lovitz, der später Akademiker wurde, erstmals auf die Fähigkeit von Aktivkohle aufmerksam, Alkohol zu reinigen. Als Ergebnis wiederholter Experimente stellte er fest, dass selbst ein einfaches Schütteln von Wein mit Holzkohlepulver es Ihnen ermöglicht, ein viel saubereres und qualitativ hochwertigeres Getränk zu erhalten..

1794 wurde Holzkohle erstmals in einer englischen Zuckerfabrik verwendet.

1808 wurde Holzkohle erstmals in Frankreich zur Klärung von Zuckersirup verwendet..

Im Jahr 1811 wurde die Bleichfähigkeit von Knochenkohle bei der Herstellung von schwarzer Stiefelcreme entdeckt..

1830 nahm ein Apotheker, der ein Experiment an sich selbst durchführte, ein Gramm Strychnin in sich auf und blieb am Leben, weil er gleichzeitig 15 Gramm Aktivkohle schluckte, die dieses starke Gift adsorbierte.

1915 erfand der russische Wissenschaftler Nikolai Dmitrievich Zelinsky in Russland die weltweit erste Filtermaske für Kohlenstoffgas. 1916 wurde er von den Entente-Armeen adoptiert. Aktivkohle war das wichtigste Sorptionsmaterial..

Die industrielle Produktion von Aktivkohle begann zu Beginn des 20. Jahrhunderts. 1909 wurde in Europa die erste Charge pulverisierter Aktivkohle hergestellt.

Während des Ersten Weltkriegs wurde Aktivkohle aus Kokosnussschalen erstmals als Adsorbens in Gasmasken verwendet.

Derzeit gehören Aktivkohlen zu den besten Filtermaterialien.

Aktivkohlen Carbonut

Chemical Systems bietet eine breite Palette von Carbonut-Aktivkohlen an, die sich in einer Vielzahl von technologischen Prozessen und Branchen bewährt haben:

  • Carbonut WT zur Reinigung von Flüssigkeiten und Wasser (gemahlen, Abfall und Trinken sowie zur Wasseraufbereitung),
  • Carbonut VP zur Reinigung verschiedener Gase und Luft,
  • Carbonut GC zur Gewinnung von Gold und anderen Metallen aus Lösungen und Schlämmen im Bergbau,
  • Carbonut CF für Zigarettenfilter.

Aktivkohlen Carbonut wird ausschließlich aus Kokosnussschalen hergestellt, da Kokosnuss-Aktivkohlen die beste Reinigungsqualität und das höchste Absorptionsvermögen (aufgrund des Vorhandenseins von mehr Poren und dementsprechend einer größeren Oberfläche), die längste Lebensdauer (aufgrund der hohen Härte und der Möglichkeit der Mehrfachregeneration) aufweisen., mangelnde Desorption absorbierter Substanzen und geringer Aschegehalt.

Aktivkohlen Carbonut werden seit 1995 in Indien auf automatisierten und High-Tech-Geräten hergestellt. Die Produktion hat einen strategisch wichtigen Standort, zum einen in unmittelbarer Nähe der Rohstoffquelle - Kokosnuss - und zum anderen in unmittelbarer Nähe zu den Seehäfen. Kokosnuss wächst das ganze Jahr über und bietet eine ununterbrochene Quelle für hochwertige Rohstoffe in großen Mengen bei minimalen Versandkosten. Die Nähe zu Seehäfen vermeidet auch zusätzliche Logistikkosten. Alle Phasen des Technologiezyklus bei der Herstellung von Carbonut-Aktivkohle werden streng kontrolliert: Dies ist eine sorgfältige Auswahl der Rohstoffe, die Kontrolle der Hauptparameter nach jeder Zwischenstufe der Produktion sowie die Qualitätskontrolle des Endprodukts gemäß den festgelegten Standards. Aktivkohlen Carbonut wird fast in die ganze Welt exportiert und ist aufgrund der hervorragenden Kombination von Preis und Qualität sehr gefragt.

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Woraus besteht Kohle? Was ist die chemische Formel von Kohle?

Kohle ist einer der ältesten Brennstoffe, die der Mensch kennt. Und auch heute noch nimmt es eine führende Position in Bezug auf die Nutzung ein. Der Grund dafür ist seine Verbreitung, einfache Extraktion, Verarbeitung und Verwendung. Aber was ist es? Was ist die chemische Formel von Kohle??

Tatsächlich ist diese Frage nicht ganz richtig. Kohle ist keine Substanz, sondern eine Mischung verschiedener Substanzen. Es gibt viele von ihnen, so dass es unmöglich ist, die Zusammensetzung der Kohle vollständig zu bestimmen. Mit der chemischen Formel der Kohle in diesem Artikel meinen wir daher eher ihre Elementzusammensetzung und einige andere Merkmale.

Aber was können wir über den Zustand dieser Substanz lernen? Kohle wird über viele Jahre aus Pflanzenresten gebildet, da sie hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt ist. Und da Pflanzen organischer Natur sind, wird organische Substanz in der Zusammensetzung der Kohle vorherrschen.

Je nach Alter und anderen Herkunftsbedingungen wird Kohle in verschiedene Arten unterteilt. Jede Art zeichnet sich durch ihre elementare Zusammensetzung, das Vorhandensein von Verunreinigungen und andere wichtige Eigenschaften aus..

Braunkohle

Es ist die jüngste Art von Kohle. Es hat sogar eine pflanzliche Holzstruktur. Direkt aus Torf in einer Tiefe von ca. 1 km gebildet.

Diese Art von Kohle enthält eine ziemlich große Menge an Feuchtigkeit: 20 bis 40%. Wenn es Luft ausgesetzt wird, verdunstet es und die Kohle zerfällt zu Pulver. Als nächstes konzentrieren wir uns auf die chemische Zusammensetzung dieses speziellen trockenen Rückstands. Die Menge an anorganischen Verunreinigungen in Braunkohle ist ebenfalls groß und beträgt 20-45%. Diese Verunreinigungen sind Siliziumdioxid, Oxide von Aluminium, Calcium und Eisen. Es kann auch Alkalimetalloxide enthalten.

Diese Kohle enthält viele flüchtige organische und anorganische Substanzen. Sie können bis zur Hälfte der Masse dieser Art von Kohle betragen. Die Elementzusammensetzung abzüglich anorganischer und flüchtiger Substanzen ist wie folgt:

  • Kohlenstoff 50-75%.
  • Sauerstoff 26-37%.
  • Wasserstoff 3-5%.
  • Stickstoff 0-2%.
  • Schwefel 0,5-3%.

Kohle

Zum Zeitpunkt der Bildung ist diese Art von Kohle die nächste nach Braun. Es hat eine schwarze oder grauschwarze Farbe sowie einen harzigen, manchmal metallischen Glanz.

Der Feuchtigkeitsgehalt von Kohle ist viel geringer als der von Braunkohle: nur 1-12%. Der Gehalt an flüchtigen Bestandteilen von Kohle variiert stark je nachdem, wo sie abgebaut wird. Sie kann minimal sein (ab 2%), aber auch ähnliche Werte wie Braunkohle erreichen (bis zu 48%). Die elementare Zusammensetzung ist wie folgt:

  • Kohlenstoff 75-92%.
  • Wasserstoff 2,5-5,7%.
  • Sauerstoff 1,5-15%.
  • Stickstoff bis zu 2,7%.
  • Schwefel 0-4%.

Daraus können wir schließen, dass die chemische Formel von Steinkohle aus einer größeren Menge Kohlenstoff besteht als Braunkohle. Dies macht diese Art von Kohle zu einem besseren Brennstoff..

Anthrazit

Anthrazit ist die älteste Form fossiler Kohle. Es hat eine dunkelschwarze Farbe und einen charakteristischen metallischen Glanz. Dies ist die beste Kohle in Bezug auf die Wärmemenge, die sie während der Verbrennung erzeugt..

Die Menge an Feuchtigkeit und flüchtigen Bestandteilen ist sehr gering. Etwa 5-7% für jeden Indikator. Und die Elementzusammensetzung zeichnet sich durch einen extrem hohen Kohlenstoffgehalt aus:

  • Kohlenstoff über 90%.
  • Wasserstoff 1-3%.
  • Sauerstoff 1-1,5%.
  • Stickstoff 1-1,5%.
  • Schwefel bis zu 0,8%.

Mehr Kohle ist nur in Graphit enthalten, was eine weitere Stufe der Anthrazit-Koalifizierung darstellt..

Holzkohle

Diese Art von Kohle ist kein Fossil, daher weist sie einige Besonderheiten in ihrer Zusammensetzung auf. Es wird hergestellt, indem trockenes Holz ohne Luftzugang auf eine Temperatur von 450-500 oC erhitzt wird. Dieser Vorgang wird als Pyrolyse bezeichnet. Dabei werden eine Reihe von Substanzen aus dem Holz freigesetzt: Methanol, Aceton, Essigsäure und andere, wonach es zu Kohle wird. Holzverbrennung ist übrigens auch Pyrolyse, aber aufgrund des Vorhandenseins von Sauerstoff in der Luft entzünden sich die emittierten Gase. Dies bestimmt das Vorhandensein von Flammen während der Verbrennung.

Das Holz ist nicht homogen, es hat viele Poren und Kapillaren. Eine ähnliche Struktur ist teilweise in der daraus gewonnenen Kohle erhalten. Aus diesem Grund hat es eine gute Adsorptionskapazität und wird zusammen mit Aktivkohle verwendet..

Der Feuchtigkeitsgehalt dieser Art von Kohle ist sehr niedrig (etwa 3%), aber während der Langzeitlagerung nimmt sie Feuchtigkeit aus der Luft auf und der Wasseranteil steigt auf 7-15%. Der Gehalt an anorganischen Verunreinigungen und flüchtigen Substanzen wird durch GOST reguliert und sollte nicht mehr als 3% bzw. 20% betragen. Die Elementzusammensetzung hängt von der Produktionstechnologie ab und sieht folgendermaßen aus:

  • Kohlenstoff 80-92%.
  • Sauerstoff 5-15%.
  • Wasserstoff 4-5%.
  • Stickstoff

Die chemische Formel der Holzkohle zeigt, dass sie in Bezug auf den Kohlenstoffgehalt nahe an Steinkohle liegt, aber zusätzlich nur eine geringe Menge an Elementen enthält, die für die Verbrennung nicht erforderlich sind (Schwefel und Stickstoff)..

Aktivkohle

Aktivkohle ist eine Kohlenstoffart mit einer hohen spezifischen Porenoberfläche, die sie noch adsorptiver macht als Holzkohle. Als Rohstoffe für die Herstellung werden Holzkohle und Kohle sowie Kokosnussschalen verwendet. Das Ausgangsmaterial wird einem Aktivierungsprozess unterzogen. Seine Essenz besteht darin, verstopfte Poren durch Einwirkung von Hochtemperatur-, Elektrolytlösungen oder Wasserdampf zu öffnen..

Während des Aktivierungsprozesses ändert sich nur die Struktur der Substanz, daher ist die chemische Formel der Aktivkohle identisch mit der Zusammensetzung des Rohmaterials, aus dem sie hergestellt wurde. Der Feuchtigkeitsgehalt von Aktivkohle hängt von der spezifischen Porenoberfläche ab und beträgt üblicherweise weniger als 12%.

Aktivkohlen. Eigenschaften, Anwendungs- und Produktionstechnik

Der Autor der Arbeit: Der Benutzer versteckte den Namen, 06. Juni 2014 um 19:57 Uhr, Zusammenfassung

Kurzbeschreibung

Aktivkohle (Carbo activatus - lat.) - Kohle mit entwickelter Innenfläche und hoher Adsorptionskapazität.
Aktivkohlen sind poröse Kohlenstoffkörper, körnig (körnig) und pulverförmig. Die nützlichen Eigenschaften von Kohlen waren bereits im alten Ägypten bekannt, wo Holzkohle bereits um 1500 v. Chr. Für medizinische Zwecke verwendet wurde. Die alten Römer verwendeten Kohle auch zur Reinigung von Wasser, Bier und Wein. Derzeit nehmen Aktivkohlen einen führenden Platz unter den Filtermaterialien ein. Der Anwendungsbereich von Aktivkohlen hat sich stark erweitert. Aktivkohlen spielen eine wichtige Rolle beim Umweltschutz.

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Staatliche Bildungseinrichtung

Höhere berufliche Bildung

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zum Thema:
„Aktivkohlen. Eigenschaften, Anwendungs- und Produktionstechnik "

Einführung

Aktivkohle (Carbo activatus - lat.) - Kohle mit entwickelter Innenfläche und hoher Adsorptionskapazität.

Aktivkohlen sind poröse Kohlenstoffkörper, körnig (körnig) und pulverförmig. Die nützlichen Eigenschaften von Kohlen waren bereits im alten Ägypten bekannt, wo Holzkohle bereits um 1500 v. Chr. Für medizinische Zwecke verwendet wurde. Die alten Römer verwendeten Kohle auch zur Reinigung von Wasser, Bier und Wein. Derzeit nehmen Aktivkohlen einen führenden Platz unter den Filtermaterialien ein. Der Anwendungsbereich von Aktivkohlen hat sich stark erweitert. Aktivkohlen spielen eine wichtige Rolle beim Umweltschutz.

Aktivkohle hat eine hochentwickelte Oberfläche und absorbiert (adsorbiert) viele Substanzen (insbesondere Brunnenkohlenwasserstoffe und deren Derivate, Schwächere - Alkohol, Ammoniak, Wasser und andere polare Substanzen). Feinporige Aktivkohle wird durch thermische Zersetzung (Carbonisierung ohne Luftzugang) einiger Polymere erhalten.

Die Porengrößen reichen von 1,6 nm (die spezifische Oberfläche erreicht 1000 m² / g) bis 200 oder mehr nm (die spezifische Oberfläche beträgt etwa 1 m² / g). Feinporige Aktivkohle adsorbiert auch bei niedrigen Konzentrationen oder niedrigen Partialdrücken gut. Großporige Aktivkohle ist durch das Phänomen der Kapillarkondensation gekennzeichnet.

Struktur und Eigenschaften von Aktivkohlen

Anfänglich wurde Aktivkohle normalerweise für einen amorphen Kohlenstofftyp verwendet, und nur Hoffmanns Röntgenbeugungsanalyse zeigte zum ersten Mal, dass diese Partikel Kristallite mit Größen von 1–3 nm sind. Daher gehört Aktivkohle derzeit zur Gruppe der mikrokristallinen Kohlenstoffsorten. Obwohl Graphitkristallite aus Ebenen bestehen, die 2–3 nm lang sind und aus sechsgliedrigen Ringen bestehen, wird die für Graphit typische Ausrichtung der einzelnen Gitterebenen zueinander verletzt. Dies bedeutet, dass bei aktiven Kohlen die Schichten zufällig relativ zueinander verschoben sind und nicht in der Richtung senkrecht zur Ebene der Schichten zusammenfallen (Abb. 1)..

Abbildung 1 - Die Struktur der Graphitschichten:

a - geordnete Struktur in Graphit; b - ungeordnete Struktur in mikrokristallinem Kohlenstoff (Aktivkohle).

Merkmale der Struktur poröser Kohlenstoffmaterialien hängen mit der Art der Bindungen von Kohlenstoffatomen zusammen. Im Grundzustand hat ein Kohlenstoffatom eine elektronische Konfiguration 1s22s22p2 mit zwei ungepaarten Elektronen. Kohlenstoff ist durch die Bildung von 4 kovalenten Bindungen gekennzeichnet, die mit der Hybridisierung von 2s- und 2p-Elektronen unter Bildung hybridisierter sp3-, sp2- und sp-Bindungen mit unterschiedlichen Energie- und geometrischen Eigenschaften verbunden sind. Aktivkohlen gehören zum Modell der Kohlenstoffverbindungen mit sp2-Hybridisierung. Während der sp2-Hybridisierung werden 1π- und 3σ-Bindungen gebildet, die sich in derselben Ebene mit einem Bindungswinkel von 1200 befinden. Kohlenstoffverbindungen mit sp2-Hybridisierung („trigonaler Kohlenstoff“) zeichnen sich durch eine flache Struktur aus, wie beispielsweise in Graphit. Mit zunehmender Größe der Moleküle (sp2 - Hybridisierung) besteht die Tendenz zu deren spontaner Aggregation zu Strukturen vom Typ "Kartenspiel".

Der Abstand zwischen den Schichten ist größer als der von Graphit (0,3354 nm) und reicht von 0,344 bis 0,365 nm. Der Durchmesser eines in einer Ebene eingeschlossenen Bauelements beträgt 2,0 bis 2,5 nm und manchmal sogar mehr. Die Höhe des Schichtstapels beträgt 1,0-1,3 nm. Somit enthalten Graphitkristallite in Aktivkohle 3-4 parallele Kohlenstoffschichten.

Die chemische Bestätigung der Graphitstruktur von Aktivkohlen ist die Möglichkeit der Bildung interstitieller Verbindungen.

Aufgrund des Vorhandenseins einer geordneten Graphitstruktur zeichnen sich Aktivkohlen üblicherweise durch eine spürbare elektrische Leitfähigkeit aus. Sie hängt teilweise von der Aktivierungstemperatur ab und steigt bei hohen Temperaturen an, da die als Isolatoren wirkenden Oberflächensauerstoffverbindungen entfernt und größere elementare Kristallite gebildet werden..

Aktivkohlen enthalten neben Graphitkristalliten ein bis zwei Drittel amorphen Kohlenstoff; zusammen mit diesem sind Heteroatome vorhanden, insbesondere Sauerstoff. In Kohlen, die aus sauerstoffreichen Rohstoffen gewonnen werden, ist deren Gehalt ebenfalls sehr hoch..

Eine inhomogene Masse, bestehend aus Graphitkristalliten und amorphem Kohlenstoff, führt zur ungewöhnlichen Struktur von Aktivkohlen. Zwischen den einzelnen Partikeln treten Risse und Risse (Poren) mit einer Breite von ca. 10-10-10-8 m auf. Durch dieses Porensystem wird bei allen Prozessen, die auf der Innenfläche des kohlenstoffhaltigen Materials stattfinden, ein Stoffübergang durchgeführt. Aktive Kohlen werden von V-förmigen und schlitzartigen Poren sowie unregelmäßigen Poren dominiert. Die meisten industriellen Aktivkohlen enthalten gleichzeitig Poren unterschiedlicher Form. Darüber hinaus belegen viele Studien die Existenz sogenannter flaschenförmiger Poren mit engen Eingängen, die insbesondere im klassischen Prozess der Zinkchloridaktivierung entstehen.

Die Verteilung der Poren entlang der Radien in einzelnen Aktivkohlen kann sehr unterschiedlich sein. Dementsprechend wird unterschieden zwischen großporigen Aktivkohlen, die jedoch immer feine Poren enthalten, und feinporigen Aktivkohlen, die neben Mikroporen auch große Poren enthalten können..

Die Meso- und Makroporosität wird am häufigsten durch die Eigenschaften der Ausgangsmaterialien und die Bedingungen ihrer Verarbeitung bestimmt. Die geringe Größe der Oberfläche weist darauf hin, dass Makroporen keine wesentliche Rolle bei der Adsorptionsmenge spielen. In diesem Fall handelt es sich nur um Transportporen für kleine Moleküle, durch die die adsorbierten Substanzen tief in das Korn eindringen..

Aufgrund des Vorhandenseins von Poren haben Kohlenstoffmaterialien eine hohe spezifische Oberfläche und die Fähigkeit, verschiedene Substanzen aus Flüssigkeiten und Gasen zu absorbieren (zu adsorbieren). Die Fähigkeit von Kohlenstoffmaterialien, verschiedene Moleküle zu adsorbieren, wird durch die Struktur ihrer Oberfläche, die Art und Konzentration der oberflächenreaktiven Gruppen bestimmt.

Tabelle 1 - Typische Porenverteilung in Aktivkohlen (Porenvolumen)
in ml / g)

Kohlenstoffmolekularsieb

Aktivkoks ist ein spezifisches Produkt, das sich durch eine besonders homogene Verteilung der Mikroporen auszeichnet. Kohlenstoffmolekularsiebe haben offenbar aufgrund ihrer hohen Kosten noch keine breite Anwendung in der Adsorptionstechnologie gefunden..

Derzeit ist es noch unmöglich, ein optisches Bild des Aktivkohle-Mikroporensystems zu erhalten. Elektronenmikroskopische Bilder können auch bei extrem hohen Vergrößerungen nur Poren mit einem Durchmesser von ca. 10 nm unterscheiden.

Im Allgemeinen ist die Oberfläche von Kohlenstoffsorbentien sowohl geometrisch als auch energetisch heterogen. Kohlenstoffatome auf der Oberfläche des Sorptionsmittels befinden sich in einem anderen elektronischen Zustand als die Atome in der Hauptphase, insbesondere an den Stellen von Kristallgitterdefekten, an den Ecken, Flächen und Kanten von Kristalliten. Das Vorhandensein freier Valenzen solcher Atome erleichtert chemische und Sorptionswechselwirkungen mit verschiedenen Substanzen. Die Elementaranalyse zeigt, dass eine bestimmte Anzahl von Fremdatomen (Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff) im Kohlenstoffgerüst von Aktivkohle vorhanden sein kann..

Untersuchungen haben ergeben, dass diese Fremdatome chemisch an Kohlenstoff gebunden sind. Aus der oben angegebenen Beschreibung der Kristallstruktur folgt, dass die Schichtstapel an den Rändern Kohlenstoffatome mit ungesättigten chemischen Bindungen enthalten. Infolge dieses Energiezustands von "aktiven Zentren", zu denen auch Kristallgitterdefekte gehören, finden bereits bei relativ niedrigen Temperaturen Austauschreaktionen mit Sauerstoff und Wasserstoff aus der umgebenden Atmosphäre statt. Die Reaktivität von Aktivkohle zeigt sich in ihrer Fähigkeit, bei Kontakt mit bestimmten Substanzen neben Sauerstoff und Wasserstoff auch andere Heteroatome zu absorbieren. So bilden Aktivkohlen in Kontakt mit der Gasphase, die elementares Chlor enthält, homöopolare Kohlenstoffverbindungen mit Chlor; Beim Erhitzen zersetzen sich organische chlorhaltige Verbindungen und Aktivkohlen können nach bestimmten Entschwefelungsprozessen mehrere Prozent chemisch gebundenen Schwefels enthalten. Eine herkömmliche Desorption von Schwefel durch Extraktion oder Erhitzen ist in diesem Fall unmöglich, und nur eine zerstörerische Hydrierung gewährleistet die Umwandlung von Schwefel in flüchtigen Schwefelwasserstoff.

Sauerstoffkomplexe aus mikrokristallinem Kohlenstoff, die sogenannten Oberflächenoxide, beeinflussen die polaren Eigenschaften der Kohlenstoffoberfläche und ihre Adsorptionskapazität stark und ziehen daher die ständige Aufmerksamkeit der Forscher auf sich. Die Polarität der Oberfläche von Aktivkohle, die Oberflächen-Sauerstoffverbindungen enthält, bewirkt eine intensive Adsorption von Wasserdampf aus einer feuchten Gasatmosphäre, während die Absorption anderer Dämpfe oder Gase verlangsamt werden kann. In der flüssigen Phase hängt die selektive Adsorptionskapazität von Aktivkohlen in Bezug auf verschiedene polare Substanzen von diesen Oberflächenverbindungen ab. Daher sind Oberflächensauerstoffverbindungen auch aus praktischer Sicht wichtig..

Die Hauptstrukturmerkmale von porösen Körpern sind der effektive Porendurchmesser (Radius) dp (rp), die spezifische Oberfläche Ssp und das spezifische Porenvolumen Vp (pro Masseneinheit). In einer Probe können sich die Poren sowohl in ihrer Größe als auch in ihrer Form unterscheiden..

Für ein und denselben Feststoff mit einer unterschiedlichen Natur der chemischen Oberfläche kann sich die spezifische Oberfläche Ssp signifikant unterscheiden, was mit dem Grad und der Art der Porosität verbunden ist. In den meisten porösen Körpern ist die innere Oberfläche mehrere Größenordnungen größer als die äußere.

Die spezifische Oberfläche ist die durchschnittliche Charakteristik der Porosität (Dispersität) der entsprechenden porösen oder feinteiligen (dispergierten) Feststoffe. Die spezifische Oberfläche besteht aus der Summe der äußeren (sichtbaren) Oberfläche und der inneren (unsichtbaren) geometrischen Oberfläche der Poren pro Masseneinheit des porösen Körpers. Da bei Körpern mit entwickelter Porosität die Hauptoberfläche auf die Oberfläche der Poren fällt, ist die spezifische Oberfläche direkt proportional zu ihrem Durchmesser oder der Größe der Partikel, aus denen ein fester Körper einer bestimmten Masse besteht. Wenn man das Porenvolumen aus Adsorptionsmessungen bestimmt und ihren Durchmesser kennt, kann man die spezifische Oberfläche ungefähr abschätzen:

Ssp = 4000 Vp / dp, (1,1)

wobei Vp - Porenvolumen, cm3 / g, dp - durchschnittlicher Porendurchmesser, nm.

Eine vollständige Analyse der porösen Struktur des Sorptionsmittels wird unter Verwendung einer Reihe physikalischer und physikalisch-chemischer Methoden durchgeführt: optische oder Elektronenmikroskopie, Röntgenbeugungsanalyse, Adsorptionsmethoden, hydromechanische Methode und Methode der Quecksilberporosimetrie..

Die gebräuchlichsten Methoden zur Bestimmung der spezifischen Oberfläche sind die Messung der Adsorption von Gasen, Flüssigkeiten oder Verbindungen aus der Gasphase oder Flüssigphase sowie die Quecksilberporosimetrie. Trotz der großen Anzahl von Gleichungen, die zur Beschreibung der Adsorptionsisotherme vorgeschlagen wurden, ist die Brunauer-, Emmett- und Taylor-Gleichung (BET-Methode) weit verbreitet. Die lineare Form der grundlegenden BET-Gleichung lautet:

wobei P der Gleichgewichtsdruck ist, der gesättigte Dampfdruck bei der Messtemperatur ist, die Menge an adsorbiertem Gas (Dampf) bei Gleichgewichtsdruck ist, mol / g, die Kapazität der Monoschicht auf der Oberfläche ist (die Anzahl der Mol Adsorbat, die erforderlich sind, um die Oberfläche mit einer dichten Monoschicht adsorbierter Moleküle pro 1 zu bedecken g Adsorbens), C ist eine Konstante, die eine Funktion der Adsorptionswärme ist und von der Art der Oberfläche abhängt.

Für C ≥ 1 und kleine Werte von P transformiert sich die BET-Gleichung in die Langmuir-Gleichung.

Aus den bekannten Daten kann der Wert von Vm berechnet und die spezifische Oberfläche durch die folgende Gleichung bestimmt werden:

SBET = VmwmNA10-18 (1.3)

wobei SBET die spezifische Oberfläche gemäß der BET-Methode ist, m2 / g, wm die Adsorptionsfläche ist, die von einem Molekül auf der Oberfläche eingenommen wird (die Autoren der Methode haben wm für Stickstoff bei 77 K gleich 0,162 nm2 bestimmt), NA ist die Avogadro-Zahl (6,02 * 1023), mol- 1.

Die gebräuchlichste Methode zur Bestimmung der strukturellen Eigenschaften poröser Körper ist die Methode der Niedertemperaturadsorption.

Aktivkohlen werden nach Größe und Form der Partikel klassifiziert in:

    • körnig;
    • zerquetscht;
    • pudrig.

Granulatkohlen werden üblicherweise in Form von Zylindern mit einem Durchmesser von 2 bis 5 mm hergestellt, und die Höhe des Zylinders ist immer größer als der Durchmesser. Granulatkohlen werden hauptsächlich in Anlagen mit einem Festbett aus Adsorbens zur Reinigung und Trennung von Prozessströmen in der Gasphase verwendet. Um die Intensität des Massenaustauschs zu erhöhen, wird manchmal körnige Kohle zerkleinert und nach dem Sieben werden schmale Fraktionen erhalten. Zerkleinerte Ecken werden in allen Versionen von Adsorptionsprozessen verwendet: bei der Durchführung von Prozessen: sowohl in der Gas- als auch in der Flüssigphase mit einem stationären, sich bewegenden oder fluidisierten Adsorbensbett.