Aktivní uhlí

Aktivní uhlí  je porézní látka, která se získává z různých materiálů obsahujících uhlík organického původu: dřevěné uhlí (značky aktivního uhlí BAU-A, OU-A, DAK [1] , atd.), uhelný koks (značky aktivní uhlí AG -3, AG- 5, AR atd.), ropný koks , kokosové skořápky a další materiály. Obsahuje obrovské množství pórů, a proto má velmi velký specifický povrch na jednotku hmotnosti, v důsledku čehož má vysokou adsorpční kapacitu . V závislosti na technologii výroby může mít 1 gram aktivního uhlí povrchovou plochu 500až 2200 m² [2] . Poprvé ji syntetizoval Nikolaj Dmitrievič Zelinskij (1915) , používal ji v plynových maskách jako univerzální prostředek chemické ochrany [3] a později jako heterogenní katalyzátor. Používá se v lékařství a průmyslu pro čištění, separaci a extrakci různých látek. Doba působení po užití 20-30 minut.

Chemické vlastnosti, modifikace

Běžné aktivní uhlí je poměrně reaktivní sloučenina, která se může oxidovat vzdušným kyslíkem a kyslíkovým plazmatem [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] , vodní pára [12] [13 ] [14] , stejně jako oxid uhličitý [8] a ozon [15] [16] [17] . Oxidace v kapalné fázi se provádí řadou činidel (HNO 3 , H 2 O 2 , KMnO 4 ) [18] [19] [20] . Vzhledem k tvorbě velkého množství bazických a kyselých skupin na povrchu oxidovaného uhlí se jeho adsorpce a další vlastnosti mohou výrazně lišit od neoxidovaného [21] . Uhlík modifikovaný dusíkem se získává buď z přírodních látek obsahujících dusík, nebo z polymerů [22] [23] , nebo úpravou uhlí činidly obsahujícími dusík [24] [25] [26] . Uhlí je také schopno interagovat s chlorem [27] [28], bromem [29] a fluorem [30] . Velký význam má uhlí obsahující síru, které se syntetizuje různými způsoby [31] [32] , v poslední době se chemické vlastnosti uhlí obvykle vysvětlují přítomností aktivní dvojné vazby na jeho povrchu [17] [33] [ 34] . Chemicky upravený uhlík se používá jako katalyzátory, nosiče pro katalyzátory, selektivní adsorbenty, při výrobě vysoce čistých látek a jako elektrody pro lithiové baterie.

Mechanismy působení

Existují dva hlavní mechanismy, kterými aktivní uhlí odstraňuje nečistoty z vody: absorpce a katalytická oxidace . Fenomén adsorpce plynu uhlím popsali téměř současně v 80. letech 18. století švédský chemik Carl Wilhelm Scheele a italský vědec Felice Fontana . V Rusku v roce 1785 akademik Tovij Egorovič Lovitz objevil a podrobně studoval fenomén adsorpce uhlí v kapalném prostředí a navrhl jej použít k čištění organických látek. [35] Organické sloučeniny se odstraňují absorpcí (kvůli vysoké pórovitosti) a oxidační činidla jako chlor a chloramin se odstraňují katalytickou oxidací.

Výroba

Jako suroviny při výrobě aktivního uhlí se používají materiály organického původu: dřevo, uhlí, bituminózní uhlí, skořápky kokosových ořechů atd. Uvedené suroviny jsou nejprve zuhelnatělé a poté podrobeny aktivaci.

Podstatou aktivace je otevření pórů, které jsou v uhlíkovém materiálu v uzavřeném stavu. To se provádí buď termochemicky (materiál je předem impregnován roztokem chloridu zinečnatého , uhličitanu draselného nebo nějakými jinými sloučeninami a zahříván bez přístupu vzduchu), nebo úpravou přehřátou párou nebo oxidem uhličitým nebo jejich směsí při teplotě teplota 800-850 ° C . V druhém případě je technicky obtížné získat činidlo plyn-pára s takovou teplotou. Je široce používán pro příjem dodávky do zařízení pro aktivaci omezeného množství vzduchu současně s nasycenou párou. Část uhlí vyhoří a v reakčním prostoru se dosáhne požadované teploty. Výkon aktivního uhlí je u této varianty procesu výrazně snížen. Hodnota měrného povrchu pórů u nejlepších značek aktivního uhlí může dosahovat 1800 - 2200 m² na 1 g uhlí. [2] Existují makro- , mezo- a mikropóry . V závislosti na velikosti molekul, které mají být drženy na povrchu uhlíku, musí být uhlík vyroben s různými poměry velikosti pórů.

Aplikace

Nošení plynových masek

Klasickým příkladem použití aktivního uhlí je jeho použití v osobních ochranných pomůckách dýchacích cest . Plynová maska , vyvinutá N. D. Zelinským , zachránila mnoho životů vojáků v první světové válce po použití bojových chemických látek německým císařem. V roce 1916 ji přijaly téměř všechny evropské armády.

Pro zlepšení zachycení určitých látek lze uhlí nasytit přísadami. Například přidání oxidů kovů může několikanásobně zvýšit sorpční kapacitu při zachycování merkaptanů [36] .

V důsledku degradace průmyslových sektorů ruské ekonomiky byla v roce 2015 potřeba aktivního uhlí (pro ruské filtrační plynové masky) uspokojena ze 75 % prostřednictvím dovozu [37]

Při výrobě cukru

Zpočátku se kostní moučka používala k odstranění barviva z cukrového sirupu při výrobě cukru. Tento cukr by se však neměl konzumovat nalačno , protože je živočišného původu. Cukrovary začaly produkovat „libový cukr“, který byl buď nerafinovaný a vypadal jako barevný fondán, nebo rafinovaný pomocí dřevěného uhlí.

Pro výrobu organického hnojiva terra preta

Terra preta  - kompostování organického lidského a zvířecího odpadu silážováním pomocí nízkoteplotního aktivního uhlí. Výsledný silokompost se standardně upraví kompostovými žížalami nebo se aplikuje povrchově na půdu a následuje mulčování.

Jiné aplikace

Aktivní uhlí se používá v lékařství, chemickém, farmaceutickém a potravinářském průmyslu. Filtry obsahující aktivní uhlí se používají v mnoha moderních modelech zařízení na úpravu pitné vody.

Vlastnosti aktivního uhlí

Velikost pórů

Výchozí materiály pro jejich výrobu mají rozhodující vliv na strukturu pórů aktivního uhlí. Aktivní uhlí na bázi kokosových skořápek se vyznačuje větším podílem mikropórů (póry až 2 nm v průměru ), zatímco aktivní uhlí na bázi uhlí má  větší podíl mezopórů (2–50 nm ). Velký podíl makropórů (více než 50 nm ) je charakteristický pro aktivní uhlí na bázi dřeva.

Mikropóry jsou zvláště vhodné pro adsorpci malých molekul, zatímco mezopóry jsou zvláště vhodné pro adsorpci větších organických molekul.

Jodové číslo (jodový index)

Jodové číslo je hlavním parametrem, který charakterizuje povrch pórů a v důsledku toho i sorpční kapacitu uhlí. Je určena hmotností jódu , kterou může absorbovat jednotková hmotnost uhlí (mg/g). Metoda je založena na sorpci monomolekulární vrstvy jódu uhlíkem. Vyšší číslo znamená vyšší stupeň aktivace, typická hodnota indikátoru je 500 - 1200 mg/g . Číselná hodnota jodového čísla přibližně odpovídá specifické ploše pórů, měřeno v m²/g.

Tvrdost

Je to míra odolnosti aktivního uhlí vůči oděru. Jedná se o důležitý parametr aktivního uhlí pro zachování jeho fyzické integrity a odolnosti vůči třecím silám, procesu zpětného proplachování atd. V tvrdosti aktivního uhlí existují značné rozdíly v závislosti na surovině a úrovni aktivity.

Granulometrické složení

Čím menší je velikost částic aktivního uhlí, tím lepší je přístup k povrchu a rychlejší vstřebávání . V parních systémech je to třeba vzít v úvahu při snižování tlaku, což ovlivní náklady na energii. Pečlivé zvážení distribuce velikosti částic může poskytnout významné provozní výhody.

Farmakologie

Má enterosorbentní , detoxikační a protiprůjmový účinek.

Patří do skupiny polyvalentních fyzikálně-chemických protijedů , má vysokou povrchovou aktivitu, pohlcuje jedy a toxiny z gastrointestinálního traktu (GIT) před jejich vstřebáním, alkaloidy , glykosidy , barbituráty a jiné prášky na spaní, léky na celkovou anestezii , soli těžké kovy, toxiny bakteriálního, rostlinného, ​​živočišného původu, deriváty fenolu , kyselina kyanovodíková , sulfonamidy , plyny. Aktivní jako sorbent při hemoperfuzi . Slabě adsorbuje kyseliny a zásady , dále soli železa , kyanidy , malathion , metanol , etylenglykol . Nedráždí sliznice. Při léčbě intoxikace je nutné vytvořit nadbytek uhlí v žaludku (před jeho umytím) a ve střevech (po umytí žaludku). Snížení koncentrace uhlí v médiu přispívá k desorpci vázané látky a její absorpci (aby se zabránilo resorpci uvolněné látky, doporučuje se opakovaný výplach žaludku a jmenování uhlí). Přítomnost potravinových hmot v gastrointestinálním traktu vyžaduje zavedení vysokých dávek, protože obsah gastrointestinálního traktu je sorbován uhlím a jeho aktivita je snížena. Pokud je otrava způsobena látkami podílejícími se na enterohepatálním oběhu ( srdeční glykosidy , indometacin , morfin a další opiáty ), je nutné uhlí užívat několik dní. Je zvláště účinný jako sorbent pro hemoperfuzi při akutních otravách barbituráty, glutathimidem , teofylinem . Snižuje účinnost současně užívaných léků, snižuje účinnost léků působících na sliznici trávicího traktu (včetně ipecac a thermopsis ).

Předepisuje se pro následující indikace : detoxikace se zvýšenou kyselostí žaludeční šťávy s exogenními a endogenními intoxikacemi: dyspepsie , plynatost , hnilobné procesy , fermentace , hypersekrece hlenu, HCl , žaludeční šťáva , průjem ; otravy alkaloidy , glykosidy , solemi těžkých kovů, intoxikace potravinami; otrava jídlem, úplavice , salmonelóza , popáleniny ve stadiu toxémie a septikotoxémie ; selhání ledvin, chronická hepatitida , akutní virová hepatitida , cirhóza jater , atopická dermatitida , bronchiální astma , gastritida , chronická cholecystitida , enterokolitida , cholecystopankreatitida ; otravy chemickými sloučeninami a léky (včetně organofosforových a organochlorových sloučenin, psychoaktivních léků), alergická onemocnění , metabolické poruchy, abstinenční syndrom ; intoxikace u pacientů s rakovinou na pozadí ozařování a chemoterapie ; příprava na rentgenové a endoskopické studie (ke snížení obsahu plynů ve střevě ).

Kontraindikováno u ulcerózních lézí gastrointestinálního traktu (včetně peptického vředu žaludku a dvanáctníku , nespecifické ulcerózní kolitidy ), krvácení z gastrointestinálního traktu, současné podávání antitoxických léků, jejichž účinek se rozvíjí po absorpci ( methionin atd.).

Jako vedlejší účinky se nazývají dyspepsie , zácpa nebo průjem ; při delším užívání - hypovitaminóza , snížené vstřebávání živin z trávicího traktu ( tuky , bílkoviny ), hormony . Při hemoperfuzi aktivním uhlím - tromboembolismus , krvácení , hypoglykémie , hypokalcémie , hypotermie , snížení krevního tlaku .

Viz také

• Sorbenty
• Enterosorbenty
• Dřevěné uhlí
• Maska
• Terra preta

Poznámky

1. ↑ GOST 6217-74
2. ↑ 1 2 Úprava vody: příručka. // Ed. S. E. Belíková. M.: Aqua-Therm, 2007. - 240 s.
3. ↑ Prof. Zelinského a Sadikova. Uhlí jako plynová maska. Petrohrad. 1918, str. 4-5
4. ↑ Gomez-Serrano V., Piriz-Almeida F., Duran-Valle CJ, Pastor-Villegas J. Tvorba kyslíkových struktur aktivací vzduchu. Studie pomocí FT-IR spektroskopie // Uhlík. - 1999. - V.37. - S. 1517-1528
5. ↑ Machnikowski J., Kaczmarska H., Gerus-Piasecká I., Diez MA, Alvarez R., Garcia R. Strukturální modifikace frakcí uhelného dehtu během mírné oxidace - význam pro chování při karbonizaci // Carbon. - 2002. - V.40. - S. 1937-1947
6. ↑ Petrov N., Budinová T., Razvigorová M., Ekinci E., Yardim F., Minková V. Příprava a charakterizace uhlíkových adsorbentů z furfuralu // Carbon - 2000. - V. 38, č. 15. - P. 2069 – 2075
7. ↑ Garcia AB, Martinez-Alonso A., Leon CA, Tascon JMD Modifikace povrchových vlastností aktivního uhlí úpravou kyslíkovou plazmou // Palivo. - 1998. - V. 77, č. 1 - S. 613-624
8. ↑ 1 2 Saha B., Tai MH, Streat M. Studium aktivního uhlí po oxidaci a následné charakterizaci zpracování // Bezpečnost procesu a ochrana životního prostředí - 2001. - V.79, č. B4. - S. 211-217
9. ↑ Polovina M., Babic B., Kaluderovic B., Dekanski A. Povrchová charakterizace tkaniny z oxidovaného aktivního uhlí // Carbon −1997. - V.35, č. 8. - S.1047-1052
10. ↑ Fanning PE, Vannice MA A DRIFTS studie tvorby povrchových skupin na uhlíku oxidací // Carbon - 1993. - V.31, No. 5. - S.721-730
11. ↑ Youssef AM, Abdelbary EM, Samra SE, Dowidar AM Povrchové vlastnosti uhlíků získaných z polyvinylchloridu // Ind. J. of Chem. sekce a-anorganická bio-anorganická fyzikální teoretická a analytická chemie - 1991. - V. 30, č. 10. - S. 839-843
12. ↑ Arriagada R., Garcia R., Molina-Sabio M., Rodriguez-Reinoso F. Vliv aktivace páry na poréznost a chemickou povahu aktivního uhlí z Eucalyptus globulus a broskvových pecek // Microporous Mat. - 1997. - V.8, č. 3-4. - S.123-130
13. ↑ Molina-Sabio M., Gonzalez MT, Rodriguez-Reinoso F., Sepulveda-Escribano A. Vliv páry a aktivace oxidu uhličitého na distribuci velikosti mikropórů aktivního uhlí // Uhlík - 1996. - V.34, č. 4 - S.505-509
14. ↑ Bradley RH, Sutherland I, Sheng E Carbon surface: Area, porosity, chemistry, and energy // J. of coloid and interface science - 1996. - V. 179, No. 2. - S. 561-569
15. ↑ Sutherland I., Sheng E., Braley RH, Freakley PK Účinky oxidace ozonu na povrchy sazí // J. Mater. sci. - 1996. - V. 31. - S. 5651-5655
16. ↑ Rivera-Utrilla J; Sanchez-Polo M. Role disperzních a elektrostatických interakcí při adsorpci naftalensulfonových kyselin ve vodné fázi na aktivním uhlí ošetřeném ozonem // Carbon - 2002. - V.40, No. 14. - S. 2685-2691
17. ↑ 1 2 Valdes H., Sanchez-Polo M., Rivera-Utrilla J. a Zaror CA Vliv úpravy ozonem na povrchové vlastnosti aktivního uhlíku // Langmuir - 2002. - V. 18. - S. 2111-2116
18. ↑ Pradhan BK, Sandle NK Vliv různých úprav oxidačních činidel na povrchové vlastnosti aktivního uhlí // Carbon. - 1999. - V. 37, č. 8. - S. 1323-1332
19. ↑ Acedo-Ramos M., Gomez-Serrano V., Valenzuella-Calahorro C. a Lopez-Peinado A.J. Oxydace aktivního uhlí v kapalné fázi. Studium pomocí FT-IR // Písmena spektroskopie. - 1993. - V. 26(6). - S. 1117-1137
20. ↑ Gomez-Serrano V., Acedo-Ramos M., Lopez-Peinado AJ, Valenzuela-Calahorro C. Stabilita vůči zahřívání a odplyňování aktivního uhlí oxidovaného v kapalné fázi // Thermochimica Acta. - 1991. - V.176. — S.129-140
21. ↑ Tarkovskaja, I. A. Oxidované uhlí: učebnice. příručka pro vysoké školy / I. A. Tarkovskaja; Kyjev: Vědecká myšlenka. 1981. - 200 s
22. ↑ Stőhr B., Boehm HP, Schlőgl R. Zvýšení katalytické aktivity aktivního uhlí v oxidačních reakcích termickým zpracováním s amoniakem nebo kyanovodíkem a pozorování superoxidových druhů jako možného meziproduktu // Uhlík. - 1991. - Sv. 26, č. 6. - S. 707-720
23. ↑ Biniak S., Szymański G., Siedlewski J., Światkowski A. Charakterizace aktivního uhlí s kyslíkovými a dusíkovými povrchovými skupinami // Carbón. - 1997. - Vol. 35, č. 12. - S. 1799-1810
24. ↑ Boudou JP, Chehimi M., Broniek E., Siemieniewska T., Bimer J. Adsorpce H 2 S nebo SO 2 na tkanině z aktivního uhlí modifikované úpravou amoniakem // Carbon. - 2003. - Sv. 41, č. 10. - S. 1999-2007
25. ↑ Sano H., Ogawa H. Příprava a aplikace dusík obsahující aktivní uhlí // Osaka Kogyo Gijutsu Shirenjo. - 1975. - Sv. 26, č. 5. - S.2084-2086
26. ↑ ScienceDirect.com - Aplikovaná katalýza A: Obecně - Vliv funkcionalizace povrchu aktivního uhlí na disperzi palladia a katalytickou aktivitu ve vodíku ... . Získáno 30. července 2012. Archivováno z originálu 31. května 2011. (neurčitý)
27. ↑ ScienceDirect.com - Uhlík - Vliv chlorace na povrchové vlastnosti aktivního uhlí . Získáno 30. července 2012. Archivováno z originálu dne 24. září 2015. (neurčitý)
28. ↑ XPS studie halogenace sazí – část 2. Chlorace . Získáno 30. července 2012. Archivováno z originálu dne 24. září 2015. (neurčitý)
29. ↑ ScienceDirect.com - Carbon - XPS Studium halogenace sazí-část 1. Bromace . Získáno 30. července 2012. Archivováno z originálu dne 24. září 2015. (neurčitý)
30. ↑ Fluorace sazí: Studie rentgenové fotoelektronové spektroskopie: III. Fluorace různých sazí plynným fluorem při teplotách pod 100 °C influ… . Získáno 30. července 2012. Archivováno z originálu dne 24. září 2015. (neurčitý)
31. ↑ ScienceDirect.com - Uhlík - Vznik povrchových derivátů saze a síry reakcí s P2S5 . Získáno 30. července 2012. Archivováno z originálu dne 24. září 2015. (neurčitý)
32. ↑ ScienceDirect.com - Palivo - Sulfonové skupiny ukotvené na mezoporézním uhlíku Starbons-300 a jeho použití pro esterifikaci kyseliny olejové . Získáno 30. července 2012. Archivováno z originálu dne 24. září 2015. (neurčitý)
33. ↑ ScienceDirect.com – Catalysis Communications – účinné kyselé katalyzátory na bázi uhlíku pro dehydrataci propan-2-olu . Získáno 30. července 2012. Archivováno z originálu dne 24. září 2015. (neurčitý)
34. ↑ Chemické reakce dvojných vazeb v aktivním uhlí: mikrovlnné a bromační metody - Chemical Communications (RSC Publishing) . Získáno 30. července 2012. Archivováno z originálu dne 22. ledna 2013. (neurčitý)
35. ↑ Karapetyants M.Kh., Drakin S.I. Obecná a anorganická chemie. - Moskva: Chemie, 1981. - 632 s.
36. ↑ Strunina A.V., Belozovsky A.B., Savelyeva I.F., Kaplan L.K., Golubev V.N., Staritsina G.I. Čištění zemního plynu z merkaptanů aktivním uhlím // Adsorbenty uhlíku a jejich aplikace v průmyslu / Demeneva E.M., Sukmanova K.G. (ed). - Perm: Leningradský technologický institut, 1969. - T. (vydání 2). - str. 51-59. — 149 str. - 600 výtisků.
37. ↑ Stjažkin Konstantin Kirillovič. Kurz k substituci importu  // Bulletin sdružení SIZ společnosti ASIZ. - Moskva: Sojuzpechat, 2015. - březen ( č. 1 (33) ). - S. 2-3 . (Ruština)

Odkazy

• Chausovsky S. S. Aktivní uhlí (karbolen)
• Aktivní uhlí (Carbo activatus) - Encyklopedie léků a farmaceutických produktů . Patent na radar. — Návod, aplikace a vzorec.
• Aktivní uhlí - Encyklopedie léků a farmaceutických produktů . Patent na radar. - Účinná látka.
• Aktivní uhlí (Aktivní uhlí) - Aplikace, formy uvolňování, ruské analogy .

Slovníky a encyklopedie	Velká dánština Velká Katalánština velká čínština Velký Rus Velký sovět (1 ed.) Britannica (online) Moderní Ukrajina
V bibliografických katalozích	NDL : 00565134