Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Активированный уголь

Активированный уголь , также называемый активированным углем , представляет собой форму угля, обработанную для получения небольших пор с небольшим объемом, которые увеличивают площадь поверхности [1] [2], доступную для адсорбции или химических реакций . [3] Активированный иногда заменяется активным .

Из-за высокой степени микропористости один грамм активированного угля имеет площадь поверхности, превышающую 3 000 м 2 (32 000 кв. Футов) [1] [2] [4], как определено по адсорбции газа . [1] [2] [5] Уровень активации, достаточный для полезного применения, может быть получен только при большой площади поверхности. Дальнейшая химическая обработка часто улучшает адсорбционные свойства.

Активированный уголь обычно получают из древесного угля . Полученный из угля [1] [2], его называют активированным углем . Активированный кокс получают из кокса .

Использует [ редактировать ]

Активированный уголь используется для хранения метана и водорода , [1] [2] очистки воздуха , восстановления растворителей, декафеинизации , очистки золота , экстракции металлов , очистки воды , медицины , очистки сточных вод , воздушных фильтров в респираторах , фильтров сжатого воздуха, отбеливания зубов. , производство хлористого водорода и многие другие применения.

Промышленное [ править ]

Одно из основных промышленных применений включает использование активированного угля в отделке металлов для очистки гальванических растворов. Например, это основной метод очистки для удаления органических примесей из растворов для блестящего никелирования. В гальванические растворы добавляются различные органические химические вещества для улучшения их отложений и улучшения таких свойств, как яркость, гладкость, пластичность и т. Д. Из-за прохождения постоянного тока и электролитических реакций анодного окисления и катодного восстановления органические добавки образуют нежелательные продукты разрушения. в растворе. Их чрезмерное накопление может отрицательно сказаться на качестве покрытия и физических свойствах наплавленного металла. Обработка активированным углем удаляет такие загрязнения и восстанавливает характеристики покрытия до желаемого уровня.

Медицинский [ править ]

Основная статья: Активированный уголь (лекарство)
Активированный уголь для медицинского применения

Активированный уголь используется для лечения отравлений и передозировок после перорального приема . Таблетки или капсулы активированного угля используются во многих странах в качестве отпускаемых без рецепта лекарств для лечения диареи , несварения желудка и метеоризма . Однако активированный уголь не влияет на кишечные газы и диарею и, как правило, неэффективен с медицинской точки зрения, если отравление произошло в результате проглатывания коррозионных агентов, борной кислоты, нефтепродуктов, и особенно неэффективен против отравлений сильными кислотами или щелочами , цианидом , железом. , литий , мышьяк, метанол , этанол или этиленгликоль . [6] Активированный уголь не препятствует проникновению этих химикатов в организм человека. [7] Он включен в Список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения , наиболее безопасных и эффективных лекарств, необходимых в системе здравоохранения . [8]

Неправильное нанесение (например, в легкие ) приводит к легочной аспирации , которая иногда может быть фатальной, если не начать немедленное лечение. [9]

Аналитическая химия [ править ]

Активированный уголь, в 50% вес / вес комбинации с целит , используют в качестве стационарной фазы в низкого давления хроматографического разделения углеводов (моно-, ди-, три- сахариды ) с использованием этанола растворы (5-50%) в виде подвижной фазы в аналитические или препаративные протоколы.

Активированный уголь полезен для извлечения пероральных антикоагулянтов прямого действия (DOAC), таких как дабигатран, апиксабан, ривароксабан и эдоксабан, из образцов плазмы крови. [10] С этой целью он был превращен в «минитаблетки», каждая из которых содержала 5 мг активированного угля для обработки 1 мл образцов DOAC. Поскольку этот активированный уголь не влияет на факторы свертывания крови, гепарин или большинство других антикоагулянтов [11], это позволяет анализировать образец плазмы на предмет отклонений, на которые в противном случае влияют DOAC.

Окружающая среда [ править ]

Активированный уголь обычно используется в системах фильтрации воды. На этом рисунке активированный уголь находится на четвертом уровне (считается снизу).

Адсорбция углерода имеет множество применений для удаления загрязняющих веществ из воздушных или водных потоков как в полевых условиях, так и в промышленных процессах, таких как:

  • Очистка разливов
  • Восстановление грунтовых вод
  • Фильтрация питьевой воды
  • Очистка воздуха
  • Улавливание летучих органических соединений при окраске , химической чистке , при заправке бензина и других процессах
  • Восстановление летучих органических соединений (системы регенерации растворителей, SRU) из гибкой упаковки , переработки , нанесения покрытий и других процессов. [12]

На раннем этапе реализации Закона о безопасной питьевой воде 1974 года в США официальные лица EPA разработали правило, согласно которому в системах очистки питьевой воды предлагается использовать гранулированный активированный уголь. Из-за своей высокой стоимости так называемое правило GAC встретило сильное сопротивление по всей стране со стороны предприятий водоснабжения, включая крупнейшие предприятия водоснабжения в Калифорнии. Следовательно, агентство отменило правило. [13] Фильтрация активированным углем является эффективным методом очистки воды благодаря своей многофункциональности. Существуют определенные типы методов и оборудования фильтрации с активированным углем, которые указаны в зависимости от загрязнителей. [14]

Активированный уголь также используется для измерения концентрации радона в воздухе.

Сельское хозяйство [ править ]

Активированный уголь (древесный уголь) - разрешенное вещество, используемое фермерами-органиками как в животноводстве, так и в виноделии. В животноводстве он используется как пестицид, кормовая добавка для животных, технологическая добавка, несельскохозяйственный ингредиент и дезинфицирующее средство. [15] В органическом виноделии активированный уголь разрешается использовать в качестве технологического агента для адсорбции коричневых цветных пигментов из концентратов белого винограда. [16] Иногда его используют как biochar .

Очистка дистиллированных алкогольных напитков [ править ]

Смотрите также: Процесс округа Линкольн

Фильтры с активированным углем (фильтры переменного тока) можно использовать для фильтрации водки и виски от органических примесей, которые могут повлиять на цвет, вкус и запах. Пропуск водки с органическими загрязнениями через фильтр с активированным углем с надлежащей скоростью потока приведет к получению водки с идентичным содержанием спирта и значительно повышенной органической чистотой, судя по запаху и вкусу. [ необходима цитата ]

Хранение топлива [ править ]

В настоящее время проводятся исследования способности различных активированных углей накапливать природный газ [1] [2] и водород . [1] [2] Пористый материал действует как губка для различных типов газов. Газ притягивается к углеродному материалу за счет сил Ван-дер-Ваальса . Некоторым видам углерода удалось достичь энергии связи 5–10 кДж на моль. Затем газ может быть десорбирован при воздействии более высоких температур и либо сожжен для выполнения работы, либо в случае выделения газообразного водорода для использования в водородном топливном элементе.. Хранение газа в активированном угле является привлекательным методом хранения газа, поскольку газ может храниться в условиях низкого давления, малой массы и небольшого объема, что было бы гораздо более осуществимо, чем громоздкие бортовые резервуары высокого давления в транспортных средствах. США Департамент энергетики определил определенные цели , которые должны быть достигнуты в области научных исследований и разработок нано-пористых углеродных материалов. Все цели еще не достигнуты, но многочисленные учреждения, включая программу ALL-CRAFT, [1] [2] [17] , продолжают вести работу в этой многообещающей области.

Очистка газов [ править ]

Фильтры с активированным углем обычно используются при очистке сжатого воздуха и газов для удаления паров масла , запаха и других углеводородов из воздуха. В наиболее распространенных конструкциях используется принцип одноступенчатой ​​или двухступенчатой ​​фильтрации, при котором активированный уголь залит внутри фильтрующего материала.

Фильтры с активированным углем используются для удержания радиоактивных газов в воздухе, откачиваемом из конденсатора турбины ядерного реактора с кипящей водой. Большие угольные слои адсорбируют эти газы и удерживают их, в то время как они быстро распадаются на нерадиоактивные твердые частицы. Твердые частицы улавливаются частицами древесного угля, в то время как фильтрованный воздух проходит через них.

Химическая очистка [ править ]

Активированный уголь обычно используется в лабораторных условиях для очистки растворов от органических молекул, содержащих нежелательные цветные органические примеси.

Фильтрация через активированный уголь используется в крупномасштабных тонких химических и фармацевтических процессах с той же целью. Уголь либо смешивают с раствором, затем отфильтровывают, либо иммобилизуют на фильтре.

Очистка ртутью [ править ]

Активированный уголь, часто содержащий серу [18] или йод, широко используется для улавливания выбросов ртути от угольных электростанций , медицинских мусоросжигательных заводов и природного газа на устье скважины. Этот углерод представляет собой специальный продукт, стоимость которого превышает 4 доллара США за кг. [ необходима цитата ]

Поскольку активированный уголь, содержащий ртуть, часто не перерабатывается, возникает дилемма утилизации. [19] Если активированный уголь содержит менее 260 частей на миллион ртути, федеральные правила Соединенных Штатов позволяют стабилизировать его (например, замочить в бетоне) для захоронения. [ необходима цитата ] Однако отходы, содержащие более 260 частей на миллион, относятся к подкатегории с высоким содержанием ртути и запрещены к захоронению (Правило запрета на землю). [ необходима цитата ] Этот материал сейчас накапливается на складах и в глубоких заброшенных шахтах примерно 100 тонн в год. [ необходима цитата ]

Проблема утилизации активированного угля, содержащего ртуть, не является уникальной для Соединенных Штатов. В Нидерландах эта ртуть в значительной степени восстанавливается [ необходима цитата ], а активированный уголь утилизируется путем полного сжигания с образованием диоксида углерода (CO2).

Производство [ править ]

Активированный уголь - это углерод, производимый из углеродсодержащих исходных материалов, таких как бамбук, кокосовая шелуха, ивовый торф , древесина , кокосовая пальма , лигнит , уголь и нефтяной пек . Его можно получить одним из следующих способов:

  1. Физическая активация : исходный материал превращается в активированный уголь с помощью горячих газов. Затем вводится воздух, чтобы выжечь газы, создавая сортированный, просеянный и очищенный от пыли форму активированного угля. Обычно это делается с помощью одного или нескольких из следующих процессов:
    • Карбонизация : материал с содержанием углерода подвергается пиролизу при температуре в диапазоне 600–900 ° C, обычно в инертной атмосфере с такими газами, как аргон или азот.
    • Активация / окисление : сырье или карбонизированный материал подвергаются воздействию окислительной атмосферы (кислорода или пара) при температурах выше 250 ° C, обычно в диапазоне температур 600–1200 ° C. [ необходима цитата ]
  2. Химическая активация : углеродный материал пропитан определенными химическими веществами. Химическое вещество обычно представляют собой кислота , сильное основание , [1] [2] или соль [20] ( фосфорная кислота 25%, гидроксид калия 5%, гидроксид натрия 5%, хлорид кальция 25%, а хлорид цинка25%). Затем уголь подвергается воздействию более низких температур (250–600 ° C). Считается, что температура активирует углерод на этой стадии, заставляя материал открываться и иметь больше микроскопических пор. Химическая активация предпочтительнее физической активации из-за более низких температур, лучшего качества консистенции и более короткого времени, необходимого для активации материала.

Классификация [ править ]

Активированные угли - это сложные продукты, которые трудно классифицировать на основе их поведения, характеристик поверхности и других фундаментальных критериев. Однако существует некоторая широкая классификация для общих целей, основанная на их размере, методах приготовления и промышленном применении.

Активированный уголь в порошке [ править ]

См. Также: Обработка порошкообразным активированным углем
Микрофотография активированного угля (R 1) при ярком поле освещения на световой микроскоп . Обратите внимание на фрактальную форму частиц, намекающую на их огромную площадь поверхности. Каждая частица на этом изображении, несмотря на то, что ее диаметр составляет всего около 0,1 мм, может иметь площадь поверхности в несколько квадратных сантиметров. Все изображение покрывает область размером примерно 1,1 на 0,7 мм, а версия с полным разрешением имеет масштаб 6,236 пикселей / мкм .

Обычно активированный уголь (R 1) изготавливается в виде частиц в виде порошков или мелких гранул размером менее 1,0 мм со средним диаметром от 0,15 до 0,25 мм. Таким образом, они имеют большое отношение поверхности к объему с малым диффузионным расстоянием. Активированный уголь (R 1) определяется как частицы активированного угля, задержанные на сите 50 меш (0,297 мм).

Материал PAC - более тонкий материал. PAC состоит из измельченных или измельченных частиц углерода, 95–100% которых проходят через специальное сито . В ASTM классифицирует частицы , проходящие через сито 80 меш (0,177 мм) и меньше , как PAC. Использование PAC в отдельном сосуде не является обычным из-за больших потерь напора, которые могут возникнуть. Вместо этого PAC обычно добавляют непосредственно в другие технологические установки, такие как водоприемники сырой воды, бассейны быстрого смешивания, осветлители и гравитационные фильтры.

Гранулированный активированный уголь [ править ]

Микрофотография активированного угля (ГАУ) под сканирующим электронным микроскопом

Гранулированный активированный уголь (GAC) имеет относительно больший размер частиц по сравнению с порошкообразным активированным углем и, следовательно, имеет меньшую внешнюю поверхность. Таким образом, диффузия адсорбата является важным фактором. Эти угли подходят для адсорбции газов и паров, поскольку они быстро диффундируют. Гранулированный уголь используется для очистки воды., дезодорация и разделение компонентов проточной системы, а также используются в бассейнах быстрого смешивания. GAC может быть в гранулированном или экструдированном виде. GAC обозначается такими размерами, как 8 × 20, 20 × 40 или 8 × 30 для жидкой фазы и 4 × 6, 4 × 8 или 4 × 10 для паровой фазы. Углерод 20 × 40 состоит из частиц, которые проходят через сито № 20 по стандарту США (0,84 мм) (обычно указывается прохождение 85%), но задерживаются на сите по стандарту США № 40 (0,42 мм). ) (обычно указывается как 95% сохраненных). AWWA (1992) B604 использует сито 50 меш (0,297 мм) в качестве минимального размера GAC. Наиболее популярны угли в водной фазе размером 12 × 40 и 8 × 30, поскольку они имеют хороший баланс размера, площади поверхности и характеристик потери напора .

Экструдированный активированный уголь (EAC) [ править ]

Экструдированный активированный уголь (EAC) объединяет порошкообразный активированный уголь со связующим, которые сплавлены вместе и экструдируются в блок активированного угля цилиндрической формы диаметром от 0,8 до 130 мм. Они в основном используются для газовой фазы из-за низкого перепада давления, высокой механической прочности и низкого содержания пыли. Также продается как фильтр CTO (хлор, вкус, запах).

Активированный уголь из шариков (BAC) [ править ]

Активированный уголь в виде шариков (ВАС) изготавливается из нефтяного пека и поставляется в диаметрах приблизительно от 0,35 до 0,80 мм. Подобно EAC, он также отличается низким перепадом давления, высокой механической прочностью и низким содержанием пыли, но с меньшим размером зерна. Его сферическая форма делает его предпочтительным для применений с псевдоожиженным слоем, таких как фильтрация воды.

Пропитанный уголь [ править ]

Пористые угли, содержащие несколько типов неорганических пропиток, таких как йод , серебро , катионы, такие как Al, Mn, Zn, Fe, Li, Ca, также были подготовлены для специального применения в борьбе с загрязнением воздуха, особенно в музеях и галереях. Активированный уголь, содержащий серебро, благодаря своим антимикробным и антисептическим свойствам используется в качестве адсорбента для очистки бытовой воды. Питьевую воду можно получить из природной воды, обработав природную воду смесью активированного угля и Al (OH) 3 , флокулирующего агента . Пропитанный уголь также используется для адсорбции сероводорода ( H 2 S ) итиолы . Сообщалось о скоростях адсорбции H 2 S до 50% по весу. [ необходима цитата ]

Углерод с полимерным покрытием [ править ]

Это процесс, с помощью которого пористый углерод можно покрыть биосовместимым полимером, чтобы получить гладкое и проницаемое покрытие, не забивая поры. Полученный уголь полезен для гемоперфузии . Гемоперфузия - это метод лечения, при котором большие объемы крови пациента пропускаются через адсорбирующее вещество для удаления токсичных веществ из крови.

Ткань из активированного угля

Тканый углерод [ править ]

Существует технология переработки технического вискозного волокна в ткань из активированного угля для фильтрации угля . Адсорбционная способность активированной ткани больше, чем у активированного угля ( теория БЭТ ), площадь поверхности: 500–1500 м 2 / г, объем пор: 0,3–0,8 см 3 / г) [ необходима цитата ] . Благодаря различным формам активированного материала его можно использовать в широком спектре приложений ( суперконденсаторы , [поглотители запаха [1] ], химическая промышленность, оборонная промышленность и т. Д.).

Свойства [ править ]

Хлеб с активированным углем для продажи на фермерском рынке.

Грамм активированного угля может иметь площадь поверхности, превышающую 500 м 2 (5400 квадратных футов), из которых легко достижимо 3000 м 2 (32 000 квадратных футов). [2] [4] [5] Углеродные аэрогели , хотя и более дорогие, имеют еще большую площадь поверхности и используются в специальных приложениях.

Под электронным микроскопом выявляются структуры активированного угля с большой площадью поверхности. Отдельные частицы сильно изогнуты и обладают различной пористостью ; может быть много областей, где плоские поверхности графитоподобного материала проходят параллельно друг другу [2], разделенные лишь несколькими нанометрами или около того. Эти микропоры создают превосходные условия для возникновения адсорбции , поскольку адсорбирующий материал может взаимодействовать со многими поверхностями одновременно. Испытания адсорбционных свойств обычно проводятся с газообразным азотом при 77 К в высоком вакууме., но в повседневных условиях активированный уголь вполне способен производить эквивалентную адсорбцию из окружающей среды жидкой воды из пара при температуре 100 ° C (212 ° F) и давлении 1/10 000 атмосферы .

Джеймс Дьюар , ученый, в честь которого назван сосуд Дьюара ( вакуумная колба ), потратил много времени на изучение активированного угля и опубликовал статью о его адсорбционной способности по отношению к газам. [21] В этой статье он обнаружил, что охлаждение углерода до температур жидкого азота позволило ему адсорбировать значительные количества многочисленных газов воздуха, среди прочего, которые затем можно было вспомнить, просто позволив углю снова нагреться, и что углерод на основе кокоса был превосходный по эффекту. Он использует кислород в качестве примера, в котором активированный уголь обычно адсорбирует атмосферную концентрацию (21%) при стандартных условиях, но выделяет более 80% кислорода, если уголь сначала охлаждают до низких температур.

Физически активированный уголь связывает материалы силой Ван-дер-Ваальса или дисперсионной силой Лондона .

Активированный уголь плохо связывается с некоторыми химическими веществами, включая спирты , диолы , сильные кислоты и основания , металлы и большинство неорганических веществ, таких как литий , натрий , железо , свинец , мышьяк , фтор и борная кислота.

Активированный уголь очень хорошо адсорбирует йод . Йодная емкость, мг / г ( стандартная методика ASTM D28) может использоваться как показатель общей площади поверхности.

Carbon monoxide is not well adsorbed by activated carbon. This should be of particular concern to those using the material in filters for respirators, fume hoods or other gas control systems as the gas is undetectable to the human senses, toxic to metabolism and neurotoxic.

Substantial lists of the common industrial and agricultural gases adsorbed by activated carbon can be found online.[22]

Activated carbon can be used as a substrate for the application of various chemicals to improve the adsorptive capacity for some inorganic (and problematic organic) compounds such as hydrogen sulfide (H2S), ammonia (NH3), formaldehyde (HCOH), mercury (Hg) and radioactive iodine-131(131I). This property is known as chemisorption.

Iodine number[edit]

Many carbons preferentially adsorb small molecules. Iodine number is the most fundamental parameter used to characterize activated carbon performance. It is a measure of activity level (higher number indicates higher degree of activation[23]) often reported in mg/g (typical range 500–1200 mg/g). It is a measure of the micropore content of the activated carbon (0 to 20 Å, or up to 2 nm) by adsorption of iodine from solution. It is equivalent to surface area of carbon between 900 and 1100 m2/g. It is the standard measure for liquid-phase applications.

Iodine number is defined as the milligrams of iodine adsorbed by one gram of carbon when the iodine concentration in the residual filtrate is at a concentration of 0.02 normal (i.e. 0.02N). Basically, iodine number is a measure of the iodine adsorbed in the pores and, as such, is an indication of the pore volume available in the activated carbon of interest. Typically, water-treatment carbons have iodine numbers ranging from 600 to 1100. Frequently, this parameter is used to determine the degree of exhaustion of a carbon in use. However, this practice should be viewed with caution, as chemical interactions with the adsorbate may affect the iodine uptake, giving false results. Thus, the use of iodine number as a measure of the degree of exhaustion of a carbon bed can only be recommended if it has been shown to be free of chemical interactions with adsorbates and if an experimental correlation between iodine number and the degree of exhaustion has been determined for the particular application.

Molasses[edit]

Some carbons are more adept at adsorbing large molecules. Molasses number or molasses efficiency is a measure of the mesopore content of the activated carbon (greater than 20 Å, or larger than 2 nm) by adsorption of molasses from solution. A high molasses number indicates a high adsorption of big molecules (range 95–600). Caramel dp (decolorizing performance) is similar to molasses number. Molasses efficiency is reported as a percentage (range 40%–185%) and parallels molasses number (600 = 185%, 425 = 85%). The European molasses number (range 525–110) is inversely related to the North American molasses number.

Molasses Number is a measure of the degree of decolorization of a standard molasses solution that has been diluted and standardized against standardized activated carbon. Due to the size of color bodies, the molasses number represents the potential pore volume available for larger adsorbing species. As all of the pore volume may not be available for adsorption in a particular waste water application, and as some of the adsorbate may enter smaller pores, it is not a good measure of the worth of a particular activated carbon for a specific application. Frequently, this parameter is useful in evaluating a series of active carbons for their rates of adsorption. Given two active carbons with similar pore volumes for adsorption, the one having the higher molasses number will usually have larger feeder pores resulting in more efficient transfer of adsorbate into the adsorption space.

Tannin[edit]

Tannins are a mixture of large and medium size molecules. Carbons with a combination of macropores and mesopores adsorb tannins. The ability of a carbon to adsorb tannins is reported in parts per million concentration (range 200 ppm–362 ppm).

Methylene blue[edit]

Some carbons have a mesopore (20 Å to 50 Å, or 2 to 5 nm) structure which adsorbs medium size molecules, such as the dye methylene blue. Methylene blue adsorption is reported in g/100g (range 11–28 g/100g).

Dechlorination[edit]

Some carbons are evaluated based on the dechlorination half-life length, which measures the chlorine-removal efficiency of activated carbon. The dechlorination half-value length is the depth of carbon required to reduce the chlorine level of a flowing stream from 5 ppm to 3.5 ppm. A lower half-value length indicates superior performance.

Apparent density[edit]

The solid or skeletal density of activated carbons will typically range between 2000 and 2100 kg/m3 (125–130 lbs./cubic foot). However, a large part of an activated carbon sample will consist of air space between particles, and the actual or apparent density will therefore be lower, typically 400 to 500 kg/m3 (25–31 lbs./cubic foot).[24]

Higher density provides greater volume activity and normally indicates better-quality activated carbon. ASTM D 2854 -09 (2014) is used to determine the apparent density of activated carbon.

Hardness/abrasion number[edit]

It is a measure of the activated carbon's resistance to attrition. It is an important indicator of activated carbon to maintain its physical integrity and withstand frictional forces. There are large differences in the hardness of activated carbons, depending on the raw material and activity levels.

Ash content[edit]

Ash reduces the overall activity of activated carbon and reduces the efficiency of reactivation: the amount is exclusively dependent on the base raw material used to produce the activated carbon (e.g. coconut, wood, coal, etc.). The metal oxides (Fe2O3) can leach out of activated carbon resulting in discoloration. Acid/water-soluble ash content is more significant than total ash content. Soluble ash content can be very important for aquarists, as ferric oxide can promote algal growths. A carbon with a low soluble ash content should be used for marine, freshwater fish and reef tanks to avoid heavy metal poisoning and excess plant/algal growth. ASTM (D2866 Standard Method test) is used to determine the ash content of activated carbon.

Carbon tetrachloride activity[edit]

Measurement of the porosity of an activated carbon by the adsorption of saturated carbon tetrachloride vapour.

Particle size distribution[edit]

The finer the particle size of an activated carbon, the better the access to the surface area and the faster the rate of adsorption kinetics. In vapour phase systems this needs to be considered against pressure drop, which will affect energy cost. Careful consideration of particle size distribution can provide significant operating benefits. However, in the case of using activated carbon for adsorption of minerals such as gold, the particle size should be in the range of 3.35–1.4 millimetres (0.132–0.055 in). Activated carbon with particle size less than 1 mm would not be suitable for elution (the stripping of mineral from an activated carbon).

Modification of properties and reactivity[edit]

Acid-base, oxidation-reduction and specific adsorption characteristics are strongly dependent on the composition of the surface functional groups.[25]

The surface of conventional activated carbon is reactive, capable of oxidation by atmospheric oxygen and oxygen plasma[26][27][28][29][30][31][32][33] steam,[34][35][36] and also carbon dioxide[30] and ozone.[37][38][39]

Oxidation in the liquid phase is caused by a wide range of reagents (HNO3, H2O2, KMnO4).[40][41][42]

Through the formation of a large number of basic and acidic groups on the surface of oxidized carbon to sorption and other properties can differ significantly from the unmodified forms.[25]

Activated carbon can be nitrogenated by natural products or polymers[43][44] or processing of carbon with nitrogenating reagents.[45][46][47]

Activated carbon can interact with chlorine,[48][49] bromine[50] and fluorine.[51]

Surface of activated carbon, like other carbon materials can be fluoralkylated by treatment with (per)fluoropolyether peroxide[52] in a liquid phase, or with wide range of fluoroorganic substances by CVD-method.[53] Such materials combine high hydrophobicity and chemical stability with electrical and thermal conductivity and can be used as electrode material for super capacitors.[54]

Sulfonic acid functional groups can be attached to activated carbon to give "starbons" which can be used to selectively catalyse the esterification of fatty acids.[55] Formation of such activated carbons from halogenated precursors gives a more effective catalyst which is thought to be a result of remaining halogens improving stability.[56] It is reported about synthesis of activated carbon with chemically grafted superacid sites –CF2SO3H.[57]

Some of the chemical properties of activated carbon have been attributed to presence of the surface active carbon double bond.[39][58]

The Polyani adsorption theory is a popular method for analyzing adsorption of various organic substances to their surface.

Examples of adsorption[edit]

Heterogeneous catalysis[edit]

The most commonly encountered form of chemisorption in industry, occurs when a solid catalyst interacts with a gaseous feedstock, the reactant/s. The adsorption of reactant/s to the catalyst surface creates a chemical bond, altering the electron density around the reactant molecule and allowing it to undergo reactions that would not normally be available to it.

Reactivation and regeneration[edit]

World's largest reactivation plant located in Feluy [fr], Belgium.
Activated carbon reactivation center in Roeselare, Belgium.

The reactivation or the regeneration of activated carbons involves restoring the adsorptive capacity of saturated activated carbon by desorbing adsorbed contaminants on the activated carbon surface.

Thermal reactivation[edit]

The most common regeneration technique employed in industrial processes is thermal reactivation.[59] The thermal regeneration process generally follows three steps:[60]

  • Adsorbent drying at approximately 105 °C (221 °F)
  • High temperature desorption and decomposition (500–900 °C (932–1,652 °F)) under an inert atmosphere
  • Residual organic gasification by a non-oxidising gas (steam or carbon dioxide) at elevated temperatures (800 °C (1,470 °F))

The heat treatment stage utilises the exothermic nature of adsorption and results in desorption, partial cracking and polymerization of the adsorbed organics. The final step aims to remove charred organic residue formed in the porous structure in the previous stage and re-expose the porous carbon structure regenerating its original surface characteristics. After treatment the adsorption column can be reused. Per adsorption-thermal regeneration cycle between 5–15 wt% of the carbon bed is burnt off resulting in a loss of adsorptive capacity.[61] Thermal regeneration is a high energy process due to the high required temperatures making it both an energetically and commercially expensive process.[60] Plants that rely on thermal regeneration of activated carbon have to be of a certain size before it is economically viable to have regeneration facilities onsite. As a result, it is common for smaller waste treatment sites to ship their activated carbon cores to specialised facilities for regeneration.[62]

Other regeneration techniques[edit]

Current concerns with the high energy/cost nature of thermal regeneration of activated carbon has encouraged research into alternative regeneration methods to reduce the environmental impact of such processes. Though several of the regeneration techniques cited have remained areas of purely academic research, some alternatives to thermal regeneration systems have been employed in industry. Current alternative regeneration methods are:

  • TSA (thermal swing adsorption) and/or PSA (pressure swing adsorption) processes: through convection (heat transfer) using steam,[63] "hot" inert gas (typically heated nitrogen (150–250 °C (302–482 °F)))[64], or vacuum (combining TSA and PSA processes)[65] in situ regeneration
  • MWR (microwave regeneration)[66]
  • Chemical and solvent regeneration[67]
  • Microbial regeneration[68]
  • Electrochemical regeneration[69]
  • Ultrasonic regeneration[70]
  • Wet air oxidation[71]

See also[edit]

  • Activated charcoal cleanse
  • Biochar
  • Bamboo charcoal
  • Binchōtan
  • Bone char
  • Carbon filtering
  • Carbocatalysis
  • Conjugated microporous polymer
  • Hydrogen storage
  • Kværner-process
  • Onboard refueling vapor recovery

References[edit]

  1. ^ a b c d e f g h i Chada, Nagaraju; Romanos, Jimmy; Hilton, Ramsey; Suppes, Galen; Burress, Jacob; Pfeifer, Peter (2012-03-01). "Activated carbon monoliths for methane storage". Bulletin of the American Physical Society. 57 (1): W33.012. Bibcode:2012APS..MARW33012C.
  2. ^ a b c d e f g h i j k Soo, Yuchoong; Chada, Nagaraju; Beckner, Matthew; Romanos, Jimmy; Burress, Jacob; Pfeifer, Peter (2013-03-20). "Adsorbed Methane Film Properties in Nanoporous Carbon Monoliths". Bulletin of the American Physical Society. 58 (1): M38.001. Bibcode:2013APS..MARM38001S.
  3. ^ ""Properties of Activated Carbon", CPL Caron Link, accessed 2008-05-02". Archived from the original on 19 June 2012. Retrieved 13 October 2014.
  4. ^ a b Dillon, Edward C; Wilton, John H; Barlow, Jared C; Watson, William A (1989-05-01). "Large surface area activated charcoal and the inhibition of aspirin absorption". Annals of Emergency Medicine. 18 (5): 547–552. doi:10.1016/S0196-0644(89)80841-8. PMID 2719366.
  5. ^ a b P. J. Paul. "Value Added Products from Gasification – Activated Carbon" (PDF). Bangalore: The Combustion, Gasification and Propulsion Laboratory (CGPL) at the Indian Institute of Science (IISc).
  6. ^ "Charcoal, Activated". The American Society of Health-System Pharmacists. Retrieved 23 April 2014.
  7. ^ IBM Micromedex (1 February 2019). "Charcoal, Activated (Oral Route)". Mayo Clinic. Retrieved 15 February 2019.
  8. ^ World Health Organization (2019). World Health Organization model list of essential medicines: 21st list 2019. Geneva: World Health Organization. hdl:10665/325771. WHO/MVP/EMP/IAU/2019.06. License: CC BY-NC-SA 3.0 IGO.
  9. ^ Elliott CG, Colby TV, Kelly TM, Hicks HG (1989). "Charcoal lung. Bronchiolitis obliterans after aspiration of activated charcoal". Chest. 96 (3): 672–4. doi:10.1378/chest.96.3.672. PMID 2766830.
  10. ^ Exner, T; Michalopoulos, N; Pearce, J; Xavier, R; Ahuja, M (March 2018). "Simple method for removing DOACs from plasma samples". Thrombosis Research. 163: 117–122. doi:10.1016/j.thromres.2018.01.047. PMID 29407622.
  11. ^ Exner, T; Ahuja, M; Ellwood, L (24 April 2019). "Effect of an activated charcoal product (DOAC Stop™) intended for extracting DOACs on various other APTT-prolonging anticoagulants". Clinical Chemistry and Laboratory Medicine. 57 (5): 690–696. doi:10.1515/cclm-2018-0967. PMID 30427777. S2CID 53426892.
  12. ^ "Activated Carbon | Solvent Recovery | VOC Abatement Systems". DEC IMPIANTI. Retrieved 2019-10-20.
  13. ^ EPA Alumni Association: Senior EPA officials discuss early implementation of the Safe Drinking Water Act of 1974, Video, Transcript (see pages 15-16).
  14. ^ "Activated Carbon | Solvent Recovery | Abatement Systems". DEC IMPIANTI. Retrieved 2019-10-21.
  15. ^ Activated Charcoal Review Sheet, USDA Organic Materials Review, February 2002.
  16. ^ Activated Carbon Petition, USDA Organic Materials Review petition, Canadaigua Wine, May 2002.
  17. ^ "Alliance for Collaborative Research in Alternative Fuel Technology". All-craft.missouri.edu. Retrieved 2014-03-13.
  18. ^ Bourke, Marta (1989). "Activated Carbon for Mercury Removal". Archived from the original on 2013-08-03. Retrieved 2013-08-27.
  19. ^ Tim Flannery, Here On Earth: A New Beginning, Allen Lane (2011), p. 186.
  20. ^ J.Romanos; et al. (2012). "Nanospace engineering of KOH activated carbon". Nanotechnology. 23 (1): 015401. Bibcode:2012Nanot..23a5401R. doi:10.1088/0957-4484/23/1/015401. PMID 22156024.
  21. ^ The separation of the most volatile gases from air without liquefaction
  22. ^ "SentryAir". SentryAir. Retrieved 2014-03-13.
  23. ^ Mianowski, A.; Owczarek, M.; Marecka, A. (24 May 2007). "Surface Area of Activated Carbon Determined by the Iodine Adsorption Number". Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. 29 (9): 839–850. doi:10.1080/00908310500430901. S2CID 95043547.
  24. ^ TIGG Corporation. Granular activated carbon selection Archived 2012-09-12 at the Wayback Machine. Published 2012-05-8, retrieved 2012-09-21.
  25. ^ a b Philippe Serp, José Luis Figueiredo, Carbon Materials for Catalysis, Wiley, – 2009, – 550 p.
  26. ^ Gómez-Serrano, V.; Piriz-Almeida, F. N.; Durán-Valle, C. J.; Pastor-Villegas, J. (1999). "Formation of oxygen structures by air activation. A study by FT-IR spectroscopy". Carbon. 37 (10): 1517–1528. doi:10.1016/S0008-6223(99)00025-1.
  27. ^ Machnikowski J.; Kaczmarska H.; Gerus-Piasecka I.; Diez M.A.; Alvarez R.; Garcia R. (2002). "Structural modification of coal-tar pitch fractions during mild oxidation – relevance to carbonization behavior". Carbon. 40 (11): 1937–1947. doi:10.1016/s0008-6223(02)00029-5.
  28. ^ Petrov N.; Budinova T.; Razvigorova M.; Ekinci E.; Yardim F.; Minkova V. (2000). "Preparation and characterization of carbon adsorbents from furfural". Carbon. 38 (15): 2069–2075. doi:10.1016/s0008-6223(00)00063-4.
  29. ^ Garcia A.B.; Martinez-Alonso A.; Leon C. A.; Tascon J.M.D. (1998). "Modification of the surface properties of an activated carbon by oxygen plasma treatment". Fuel. 77 (1): 613–624. doi:10.1016/S0016-2361(97)00111-7.
  30. ^ a b Saha B.; Tai M.H.; Streat M. (2001). "Study of activated carbon after oxidation and subsequent treatment characterization". Process Safety and Environmental Protection. 79 (4): 211–217. doi:10.1205/095758201750362253.
  31. ^ Polovina M.; Babic B.; Kaluderovic B.; Dekanski A. (1997). "Surface characterization of oxidized activated carbon cloth". Carbon. 35 (8): 1047–1052. doi:10.1016/s0008-6223(97)00057-2.
  32. ^ Fanning P.E.; Vannice M.A. (1993). "A DRIFTS study of the formation of surface groups on carbon by oxidation". Carbon. 31 (5): 721–730. doi:10.1016/0008-6223(93)90009-y.
  33. ^ Youssef A.M.; Abdelbary E.M.; Samra S.E.; Dowidar A.M. (1991). "Surface-properties of carbons obtained from polyvinyl-chloride". Ind. J. Chem. A. 30 (10): 839–843.
  34. ^ Arriagada R.; Garcia R.; Molina-Sabio M.; Rodriguez-Reinoso F. (1997). "Effect of steam activation on the porosity and chemical nature of activated carbons from Eucalyptus globulus and peach stones". Microporous Mat. 8 (3–4): 123–130. doi:10.1016/s0927-6513(96)00078-8.
  35. ^ Molina-Sabio M.; Gonzalez M.T.; Rodriguez-Reinoso F.; Sepulveda-Escribano A. (1996). "Effect of steam and carbon dioxide activation in the micropore size distribution of activated carbon". Carbon. 34 (4): 505–509. doi:10.1016/0008-6223(96)00006-1.
  36. ^ Bradley RH, Sutherland I, Sheng E (1996). "Carbon surface: Area, porosity, chemistry, and energy". Journal of Colloid and Interface Science. 179 (2): 561–569. Bibcode:1996JCIS..179..561B. doi:10.1006/jcis.1996.0250.
  37. ^ Sutherland I.; Sheng E.; Braley R.H.; Freakley P.K. (1996). "Effects of ozone oxidation on carbon black surfaces". J. Mater. Sci. 31 (21): 5651–5655. Bibcode:1996JMatS..31.5651S. doi:10.1007/bf01160810. S2CID 97055178.
  38. ^ Rivera-Utrilla J, Sanchez-Polo M (2002). "The role of dispersive and electrostatic interactions in the aqueous phase adsorption of naphthalenesulphonic acids on ozone-treated activated carbons". Carbon. 40 (14): 2685–2691. doi:10.1016/s0008-6223(02)00182-3.
  39. ^ a b Valdés, H.; Sánchez-Polo, M.; Rivera-Utrilla, J.; Zaror, C. A. (2002). "Effect of Ozone Treatment on Surface Properties of Activated Carbon". Langmuir. 18 (6): 2111–2116. doi:10.1021/la010920a. hdl:10533/173367.
  40. ^ Pradhan B.K.; Sandle N.K. (1999). "Effect of different oxidizing agent treatments on the surface properties of activated carbons". Carbon. 37 (8): 1323–1332. doi:10.1016/s0008-6223(98)00328-5.
  41. ^ Acedo-Ramos M.; Gomez-Serrano V.; Valenzuella-Calahorro C.; Lopez-Peinado A.J. (1993). "Oxydation of activated carbon in liquid phase. Study by FT-IR". Spectroscopy Letters. 26 (6): 1117–1137. Bibcode:1993SpecL..26.1117A. doi:10.1080/00387019308011598.
  42. ^ Gomez-Serrano V.; Acedo-Ramos M.; Lopez-Peinado A.J.; Valenzuela-Calahorro C. (1991). "Stability towards heating and outgassing of activated carbon oxidized in the liquid-phase". Thermochimica Acta. 176: 129–140. doi:10.1016/0040-6031(91)80268-n.
  43. ^ Stőhr B.; Boehm H.P.; Schlőgl R. (1991). "Enhancement of the catalytic activity of activated carbons in oxidation reactions by termal treatment with ammonia or hydrogen cyanide and observation of a superoxide species as a possible intermediate". Carbon. 29 (6): 707–720. doi:10.1016/0008-6223(91)90006-5.
  44. ^ Biniak S.; Szymański G.; Siedlewski J.; Światkowski A. (1997). "The characterizaíion of activated carbons with oxygen and nitrogen surface groups". Carbon. 35 (12): 1799–1810. doi:10.1016/s0008-6223(97)00096-1.
  45. ^ Boudou J.P.; Chehimi M.; Broniek E.; Siemieniewska T.; Bimer J. (2003). "Adsorption of H2S or SO2 on an activated carbon cloth modified by ammonia treatment" (PDF). Carbon. 41 (10): 1999–2007. doi:10.1016/s0008-6223(03)00210-0.
  46. ^ Sano H.; Ogawa H. (1975). "Preparation and application nitrogen containing active carbons". Osaka Kogyo Gijutsu Shirenjo. 26 (5): 2084–2086.
  47. ^ Radkevich, V. Z.; Senko, T. L.; Wilson, K.; Grishenko, L. M.; Zaderko, A. N.; Diyuk, V. Y. (2008). "The influence of surface functionalization of activated carbon on palladium dispersion and catalytic activity in hydrogen oxidation". Applied Catalysis A: General. 335 (2): 241–251. doi:10.1016/j.apcata.2007.11.029.
  48. ^ Evans, M. J. B.; Halliop, E.; Liang, S.; MacDonald, J. A. F. (1998). "The effect of chlorination on surface properties of activated carbon". Carbon. 36 (11): 1677–1682. doi:10.1016/S0008-6223(98)00165-1.
  49. ^ Papirer, E. N.; Lacroix, R.; Donnet, J. B.; Nansé, G. R.; Fioux, P. (1995). "XPS study of the halogenation of carbon black—Part 2. Chlorination". Carbon. 33: 63–72. doi:10.1016/0008-6223(94)00111-C.
  50. ^ Papirer, Eugène; Lacroix, Renaud; Donnet, Jean-Baptiste; Nanse, Gérard; Fioux, Philippe (1994). "XPS Study of the halogenation of carbon black-part 1. Bromination". Carbon. 32 (7): 1341–1358. doi:10.1016/0008-6223(94)90121-X.
  51. ^ Nansé, G.; Papirer, E.; Fioux, P.; Moguet, F.; Tressaud, A. (1997). "Fluorination of carbon blacks: An X-ray photoelectron spectroscopy study: III. Fluorination of different carbon blacks with gaseous fluorine at temperatures below 100 °C influence of the morphology, structure and physico-chemical characteristics of the carbon black on the fluorine fixation". Carbon. 35 (4): 515–528. doi:10.1016/S0008-6223(97)00003-1.
  52. ^ US8648217B2, "Modification of carbonaceous materials", issued 2008-08-04 
  53. ^ US10000382B2, "Method for carbon materials surface modification by the fluorocarbons and derivatives", issued 2015-11-03 
  54. ^ Zaderko, Alexander N.; Shvets, Roman Ya.; Grygorchak, Ivan I.; Afonin, Sergii; Diyuk, Vitaliy E.; Mariychuk, Ruslan T.; Boldyrieva, Olga Yu.; Kaňuchová, Mária; Lisnyak, Vladyslav V. (2018-11-20). "Fluoroalkylated Nanoporous Carbons: Testing as a Supercapacitor Electrode". Applied Surface Science. 470: 882–892. doi:10.1016/j.apsusc.2018.11.141. ISSN 0169-4332.
  55. ^ Aldana-Pérez, A.; Lartundo-Rojas, L.; Gómez, R.; Niño-Gómez, M. E. (2012). "Sulfonic groups anchored on mesoporous carbon Starbons-300 and its use for the esterification of oleic acid". Fuel. 100: 128–138. doi:10.1016/j.fuel.2012.02.025.
  56. ^ Diyuk, V. E.; Zaderko, A. N.; Grishchenko, L. M.; Yatsymyrskiy, A. V.; Lisnyak, V. V. (2012). "Efficient carbon-based acid catalysts for the propan-2-ol dehydration". Catalysis Communications. 27: 33–37. doi:10.1016/j.catcom.2012.06.018.
  57. ^ "WO18194533 METHOD FOR CHEMICAL MODIFICATION OF FLUORINATED CARBONS WITH SULFUR-CONTAINING SUBSTANCE". patentscope.wipo.int. Retrieved 2018-11-24.
  58. ^ Budarin, V. L.; Clark, J. H.; Tavener, S. J.; Wilson, K. (2004). "Chemical reactions of double bonds in activated carbon: Microwave and bromination methods". Chemical Communications (23): 2736–7. doi:10.1039/B411222A. PMID 15568092.
  59. ^ Bagreev, A.; Rhaman, H.; Bandosz, T. J (2001). "Thermal regeneration of a spent activated carbon adsorbent previously used as hydrogen sulfide adsorbent". Carbon. 39 (9): 1319–1326. doi:10.1016/S0008-6223(00)00266-9.
  60. ^ a b Sabio, E.; Gonzalez, E.; Gonzalez, J. F.; Gonzalez-Garcia, C. M.; Ramiro, A.; Ganan, J (2004). "Thermal regeneration of activated carbon saturated with p-nitrophenol". Carbon. 42 (11): 2285–2293. doi:10.1016/j.carbon.2004.05.007.
  61. ^ Miguel GS, Lambert SD, Graham NJ (2001). "The regeneration of field spent granular activated carbons". Water Research. 35 (11): 2740–2748. doi:10.1016/S0043-1354(00)00549-2. PMID 11456174.
  62. ^ Alvarez PM, Beltrán FJ, Gómez-Serrano V, Jaramillo J, Rodríguez EM (2004). "Comparison between thermal and ozone regenerations of spent activated carbon exhausted with phenol". Water Research. 38 (8): 2155–2165. doi:10.1016/j.watres.2004.01.030. PMID 15087197.
  63. ^ "activated carbon | steam | regeneration". DEC IMPIANTI. Retrieved 2019-10-20.
  64. ^ "activated carbon | inert gas | nitrogen | regeneration". DEC IMPIANTI. Retrieved 2019-10-20.
  65. ^ "activated carbon | vacuum | regeneration". DEC IMPIANTI. Retrieved 2019-10-20.
  66. ^ Cherbański R (2018). "Regeneration of granular activated carbon loaded with toluene – Comparison of microwave and conductive heating at the same active powers". Chemical Engineering and Processing - Process Intensification. 123 (January 2018): 148–157. doi:10.1016/j.cep.2017.11.008.
  67. ^ Martin, R. J.; Wj, N (1997). "The repeated exhaustion and chemical regeneration of activated carbon". Water Research. 21 (8): 961–965. doi:10.1016/S0043-1354(87)80014-3.
  68. ^ Aizpuru A, Malhautier L, Roux JC, Fanlo JL (2003). "Biofiltration of a mixture of volatile organic compounds on granular activated carbon". Biotechnology and Bioengineering. 83 (4): 479–488. doi:10.1002/bit.10691. PMID 12800142. S2CID 9980413.
  69. ^ Narbaitz RM, Karimi-Jashni A (2009). "Electrochemical regeneration of granular activated carbons loaded with phenol and natural organic matter". Environmental Technology. 30 (1): 27–36. doi:10.1080/09593330802422803. PMID 19213463.
  70. ^ Lim JL, Okada M (2005). "Regeneration of granular activated carbon using ultrasound". Ultrasonic-Sono-Chemistry. 12 (4): 277–285. doi:10.1016/j.ultsonch.2004.02.003. PMID 15501710.
  71. ^ Shende RV, Mahajani VV (2002). "Wet oxidative regeneration of activated carbon loaded with reactive dye". Waste Management. 22 (1): 73–83. doi:10.1016/S0956-053X(01)00022-8. PMID 11942707.

External links[edit]

  • "Imaging the atomic structure of activated carbon" – Journal of Physics: Condensed Matter
  • "How Does Activated Carbon Work?" at Slate
  • "Worshiping the False Idols of Wellness" on activated charcoal as a useless wellness practice at The New York Times