Баранов А. В.,
инженер-технолог,
Белорусский государственный технологический университет
Активированный (активный) уголь — это востребованный вид продукции, пористое вещество, которое получают из различных углеродсодержащих материалов органического происхождения: древесный уголь, каменноугольный кокс, нефтяной кокс, кокосовый уголь и др. Он содержит огромное количество пор и поэтому обладает очень большой удельной поверхностью на единицу массы и, как следствие, высокой адсорбцией. Его применяют во многих сферах народного хозяйства. Чаще всего — в медицине и промышленности для очистки, разделения и извлечения различных веществ. В данной статье речь пойдет о технологии производства активированного угля.
Активированный уголь, как и древесный уголь, — это продукты пиролиза древесины при высокой температуре. Их отличие состоит в различии структуры: в активированном угле намного больше пор, и поэтому он обладает очень большой удельной поверхностью. Так, один грамм активированного угля в зависимости от технологии изготовления имеет поверхность от 500 до 1500 м², другими словами, площадь поверхности трех граммов активного угля больше, чем площадь футбольного поля! Благодаря этому свойству активированный уголь способен поглощать и задерживать в себе большое количество различных веществ.
Рис. 1. Активированный уголь
В активированных углях различают макро-, мезо- и микропоры. В зависимости от размеров молекул, которые нужно удерживать на поверхности, уголь изготавливается с разным соотношением размеров пор. Поры в активном угле классифицируют по их линейным размерам на:
Микро-и мезопоры составляют наибольшую часть поверхности активированных углей. Соответственно, именно они вносят наибольший вклад в их адсорбционные свойства. Микропоры особенно хорошо подходят для адсорбции молекул небольшого размера, а мезопоры — для адсорбции более крупных органических молекул.
Молекулы удаляемых загрязнителей удерживаются на поверхности активированного угля межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса. Таким образом, активированные угли удаляют загрязнители из очищаемых веществ (в отличие, например, от обесцвечивания, когда молекулы цветных примесей не удаляются, а химически превращаются в бесцветные молекулы).
Эффективность угля как адсорбента зависит от величины его доступной площади поверхности. На эффективность адсорбции могут также влиять такие факторы, как размер молекул адсорбата, размер пор и гранул угля, температура и кислотность обрабатываемой среды.
На активированный древесный уголь действует ГОСТ 6217–74 «Уголь активный древесный дробленый. Технические условия». По стандарту изготовление активного угля производится из древесного угля марки А путем обработки его водяным паром при температуре выше 800 °C и предварительного или последующего дробления.
В зависимости от назначения активный древесный дробленый уголь изготавливают четырех марок:
По физико-химическим показателям активный древесный дробленый уголь должен соответствовать требованиям и нормам, указанным в табл. 1.
Таблица 1. Физико-химические характеристики активного древесного дробленого угля
Примечания:
1. Массовая доля остатка на поддоне активного древесного дробленого угля марки БАУ-А, предназначенного для ликероводочной промышленности, должна быть не более 1,0 %.
2. По согласованию изготовителя с потребителем допускается массовая доля влаги в угле до 15 % с пересчетом фактической массы на 10 %-ную влажность.
Поясним назначение используемых показателей качества активных углей. Так, адсорбционная активность по йоду характеризует развитие микропористой структуры угля. В зависимости от полученных результатов делается вывод о пригодности угля для извлечения йода из водных растворов, а также о возможности использования его для очистки сточных и природных вод от многих классов органических и неорганических загрязнений.
Адсорбционные свойства по воде позволяют судить о гидрофильности углей и об удельном объеме пор в них. Метод определения этого показателя основан на заполнении водой пор активного угля размером от 0,5 до 104 нм при кипячении навески угля в воде. В конце испытаний проводится удаление избытка воды с поверхности зерен путем отсасывания её при определенных условиях.
Показатель прочности регламентируется для активных углей марки БАУ-Ац, используемых для наполнения ацетиленовых баллонов. Испытания проводят в специальном аппарате, общий вид которого представлен на рис. 3.
Отметим, что означенные физико-химические показатели качества активного угля могут корректироваться путем изменения технологии его изготовления: температурой предпиролиза, средой и температурой активации, её временем и другими факторами.
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКТИВИРОВАННОГО ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ
По химическому составу получаемый активированный уголь представляет собой: 93–94 % углерода, 4,7–5,3 % кислорода, 0,7–1 % водорода, 0,3–0,6 % азота, а также некоторые другие элементы в микроколичествах, например хлор или серу.
Рис. 4. Печь активации барабанного типа «КВАРК‑500» производительностью 0,25…2,7 т/сутки
Как видим, процесс изготовления активированного угля является довольно сложным многостадийным процессом, требующим постоянного контроля на всех этапах производства. С другой стороны, все эти процессы поддаются автоматизации и масштабированию под необходимую производительность в современных условиях развития технологии и техники.
Активированный уголь имеет довольно широкую сферу применения:
Активированный уголь — это очень перспективный продукт глубокой переработки древесины. Привлекательность его производства заключается как в высокой отпускной цене готовой продукции, которая на сегодняшний день составляет 1400…2000 USD/т, так и в широкой сфере его применения. Также к несомненным плюсам следует отнести возможность переработки древесных отходов деревообрабатывающих производств, содержащих кору.
С другой стороны, следует учитывать, что из тонны сырой цепы выход активного угля составит не более 10…15 %, а также принимать во внимание сложность и насыщенность оборудованием всех стадий технологического процесса. Что, как следствие, приводит к значительным расходам на организацию такого производства и необходимости детального расчета бизнес-плана. В настоящее время промышленность не производит малогабаритные печи для активации древесного угля, что затрудняет изготовление этого продукта на средних и малых предприятиях отрасли.
