O węglu aktywnym

Węgiel aktywny jest adsorbentem, którego użytkowanie było już znane kilkaset lat przed naszą erą. Stosowano go do celów medycznych oraz jako środek oczyszczający. Natomiast początki zastosowań przemysłowych węgla aktywnego datuje się na rok 1900, w którym wykorzystano go, jako czynnik odbarwiający syrop w cukrownictwie. Węgle wzbudziły zainteresowanie także w czasie wojny światowej, kiedy zaczęły być stosowane w maskach przeciwgazowych w celu ochrony przed niebezpiecznymi gazami i parami.

Węgiel aktywny jest czarnym, porowatym, amorficznym sorbentem. Jego pojemność sorpcyjna, wielkość powierzchni właściwej (sięgającej nawet do 2500 m2/g), wielkość i rozkład porów czy uziarnienie, czyni węgiel aktywny znakomitym i uniwersalnym adsorbentem.

Istnieje wiele teorii dotyczących mikroskopowej struktury węgla aktywnego oraz jej wpływu na działanie tego sorbentu. Podstawową jednostką strukturalną węgla aktywnego jest heksagonalna struktura grafitu, czyli postać niezliczonych maleńkich płytek grafitowych. Płytki połączone są ze sobą wiązaniami chemicznymi tworząc rozpadliny, pęknięcia i kieszenie, w których adsorbowane są zanieczyszczenia.

struktura grafitu

struktura węgla aktywnego

Dostępność wewnętrznej struktury węgli aktywnych zwiększa szybkość procesu adsorpcji oraz czyni go bardziej wydajnym. Najszerzej stosowane węgle aktywne mają pole powierzchni w granicach 800 – 1500 m2/g. Powierzchnia tych węgli charakteryzuje się przede wszystkim obecnością mikroporów, których efektywna średnica jest mniejsza niż 2 nm. W rzeczywistości węgiel aktywny zbudowany jest ze skomplikowanej sieci porów, sklasyfikowanych jako:

• Mikropory ( < 2 nm średnicy)
• Mezopory ( 2-50 nm średnicy)
• Makropory ( > 50 nm średnicy)

Adsorpcja na węglach aktywnych ma miejsce głównie w mikroporach, a w małej części w mezoporach, natomiast makropory pełnią jedynie funkcję kanałów przepływowych dla adsorbatu do wnętrza mezoporów i powierzchni mikroporów. Rozkład rozmiarów porów w danym węglu zależy od typu użytego surowca oraz metody i warunków jego produkcji.

Adsorpcja na węglu aktywnym

Oczyszczanie przy użyciu węgla aktywnego możliwe jest dzięki wykorzystaniu zjawiska adsorpcji. W prostych słowach zjawisko to polega na gromadzeniu się cząsteczek gazów lub cieczy na powierzchni ciała stałego zwanego adsorbentem.

Adsorpcję ze względu na typ odziaływań można podzielić na:

• adsorpcję fizyczną – u jej podstaw leżą międzycząsteczkowe odziaływania Van der Waalsa
• adsorpcję chemiczną – odziaływanie molekuł i adsorbatu zachodzi w drodze reakcji chemicznych

Rodzaj adsorpcji możemy określić na podstawie:

Ciepła procesu – niewielkie dla adsorpcji fizycznej natomiast duże dla odpowiednich reakcji w przypadku chemisorpcji.

Odwracalności procesu - substancja zaadsorbowana na drodze odziaływań fizycznych może być łatwo usunięta w procesie regeneracji podczas kiedy usunięcie warstwy zaadsorbowanej chemicznie jest trudne i wymaga drastycznych warunków

Grubości warstw adsorpcyjnych – dla adsorpcji fizycznej ich grubość może odpowiadać kilku średnicom cząstek adsorbatu (przy odpowiednich wartościach ciśnienia i temperatury) podczas kiedy w wyniku chemisorpcji tworzą się warstwy jednocząsteczkowe.

Dzięki wysokiemu stopniu czystości i prostocie użytkowania, węgiel aktywny jest adsorbentem o szerokim zastosowaniu. Adsorpcja nie powoduje zmian składu chemicznego oczyszczanego medium, dlatego właściwości węgli aktywnych wykorzystywane są w wielu procesach technologicznych.

Specjalistyczna wiedza na temat procesów adsorpcyjnych oraz wieloletnie doświadczenie kadry inżynierskiej ACES Sp. z o.o. pozwala na dobranie odpowiedniego rodzaju węgla aktywnego tak aby, uzyskane efekty oczyszczania w pełni spełniały oczekiwania naszych klientów.

Skuteczność adsorpcji

Jakie związki mogą być zaadsorbowane przez węgiel aktywny?

Poprzez węgiel aktywny adsorbowalne są związki organiczne oraz niektóre większe związki i cząsteczki nieorganiczne takie jak jod czy rtęć. Można przyjąć, że 90% związków organicznych może zostać zaadsorbowanych przez węgiel aktywny podczas gdy tylko 10% można uznać za słabo adsorbowalne lub w ogóle nie adsorbowalne. Jednak nie wszystkie związki adsorbowane są z taką samą skutecznością, a przebieg procesu adsorpcji zależy od wielu czynników.

Do najważniejszych z nich należą:

• charakter i rodzaj usuwanych związków – lepiej adsorbowane są związki o większej wadze cząsteczkowej, niższym ciśnieniu pary nasyconej i wyższej temperaturze wrzenia
• typ zastosowanego węgla aktywnego – dopasowanie wielkości i średnicy porów do usuwanych związków zwiększa skuteczność i wydajność procesu
• stężenie usuwanych związków – zdolność do adsorpcji rośnie wraz ze stężeniem
• wilgotność – w większości przypadków wzrost wilgotności obniża skuteczność procesu adsorpcji
• ciśnienie – wzrost ciśnienia podnosi pojemność adsorpcji
• temperatura – skuteczność adsorpcji obniża się wraz ze wzrostem temperatury
• obecność innych związków – poszczególne składniki mieszaniny konkurują o miejsce w porach węgla aktywnego
• czas kontaktu – zalecany czas kontaktu węgla z oczyszczanym medium jest różny dla poszczególnych procesów

Umiejętność wykorzystania powyższych zasad wraz ze specjalistyczną wiedzą dotyczącą zastosowanego produktu są kluczowe przy doborze odpowiedniego rozwiązania, opartego na węglu aktywnym. Zespół ACES Sp. z o.o. w oparciu o swoje doświadczenia dołoży wszelkich starań, aby zaproponowane węgle aktywne zapewniały maksymalną skuteczność. W razie Państwa dodatkowych pytań, zapraszamy do działu Kontakt

Wytwarzanie węgla aktywnego

Węgle aktywne mogą być otrzymywane praktycznie z każdego materiału węglowego zawierającego węgiel pierwiastkowy w dużym procencie.

Powszechnie stosowanymi surowcami do produkcji węgla aktywnego są:

• węgiel bitumiczny,
• węgiel brunatny
• łupiny orzecha kokosowego,
• antracyt,
• drewno.

Około 60 % wszystkich stosowanych węgli aktywnych na świecie to węgle kamienne. Końcowa charakterystyka węgla aktywnego może być różna, zależna jest od wielu czynników podczas procesu ich produkcji. Węgle kopalniane cechują się łatwością wytwarzanie struktury rozwiniętej, węgle brunatne osiągają największą objętość porów, węgle kokosowe charakteryzują się największą ilością miejsc aktywnych, twardością i odpornością na ścieranie. Natomiast węgiel antracytowy posiada największą ilość węgla pierwiastkowego ze wszystkich wymienionych, co czyni go najbardziej twardym oraz odpornym na środowisko agresywne. Węgli drzewnych najczęsciej używa się jako węgli pylistych o małej gęstości nasypowej oraz proporcjonalnie dużej liczbie makroporów.

Jak można zauważyć, to właśnie pochodzenie stosowanego węgla aktywnego determinuje jego porowatość oraz możliwość wykorzystania węgla aktywnego w różnych procesach przemysłowych.

Poniższa tabela przedstawia zestawienie najbardziej popularnych surowców do produkcji węgla aktywnego oraz ukazuje zależność budowy wewnętrznej materiału do jego zastosowania w przemyśle.

Charakterystyka struktury węgli aktywnych w zależności od pochodzenia

Etapy produkcji węgla aktywnego

1. Dobór surowca bazowego:
   Proces rozpoczyna się od starannego wyboru i pozyskania odpowiedniego surowca. W zależności od przeznaczenia finalnego produktu, może to być węgiel kamienny, brunatny, łupiny orzecha kokosowego, drewno lub antracyt.

2. Suszenie:
   Surowce naturalne, takie jak drewno, zawierają dużą ilość wilgoci. Dlatego w pierwszym etapie technologicznym są one suszone w celu zmniejszenia zawartości wody, co poprawia efektywność dalszych procesów.

3. Mielenie, rozdrabnianie, aglomeracja i formowanie:
   W zależności od granulacji surowca lub wymagań dotyczących końcowego produktu, surowiec może zostać poddany wstępnemu mieleniu w celu uzyskania odpowiedniej frakcji. Jeżeli docelowy produkt ma być w postaci formowanej (np. pelet, walec), po zmieleniu następuje proces aglomeracji lub formowania surowca do pożądanego kształtu.

4. Karbonizacja:
   To pierwszy zasadniczy etap produkcji węgla aktywnego. Surowiec poddawany jest obróbce termicznej w atmosferze beztlenowej w temperaturze 300–400°C przez około 12 godzin. W tym czasie usuwane są substancje lotne (do ⅔ masy), a także powstają pierwsze pory. Następnie materiał jest schładzany przez kolejne 12 godzin, a powstały produkt nosi nazwę karbonizatu.

5. Aktywacja:
   Karbonizat trafia do najważniejszego etapu – aktywacji, której celem jest rozwinięcie struktury porowatej:

   • Aktywacja chemiczna – stosowana rzadziej; polega na działaniu silnych kwasów, które wytrawiają powierzchnię materiału.
   • Aktywacja parą wodną – dominująca metoda, prowadzona w temperaturze ok. 800°C. Para wodna usuwa pozostałości organiczne i tworzy strukturę mikroporów. Parametry procesu, takie jak czas i temperatura, wpływają na właściwości adsorpcyjne finalnego produktu.

   Po wyjściu z pieca aktywacyjnego węgiel jest chłodzony, suszony i przesiewany w celu uzyskania odpowiedniej granulacji. W przypadku węgli pylastych następuje dodatkowe mielenie do wymaganej frakcji.

6. Procesy dodatkowe:
   W zależności od zastosowania, węgiel aktywny może zostać poddany dalszym obróbkom:

   • Płukanie kwasem – obniża H i redukuje zawartość popiołu.
   • Impregnacja – np. srebrem (węgle do wody o właściwościach bakteriostatycznych) lub związkami chemicznymi do usuwania siarkowodoru i merkaptanów z biogazu.

   Po wyjściu z pieca aktywacyjnego węgiel jest chłodzony, suszony i przesiewany w celu uzyskania odpowiedniej granulacji. W przypadku węgli pylastych następuje dodatkowe mielenie do wymaganej frakcji.

7. Pakowanie i przechowywanie:
   Próbki trafiają do kontroli jakości w akredytowanych laboratoriach, gdzie przeprowadzane są szczegółowe badania kluczowych parametrów. Po potwierdzeniu zgodności z wymaganiami jakościowymi produkt zostaje przepakowany i przekazany do sprzedaży.