Адсорбция: неиспользованные возможности. Как принимать активированный уголь для очищения организма

25.09.2019

Белоусов К.С.
Минькова А.А.
Генералова К.Н.
Олонцев В.Ф.

АКТИВИРОВАННЫЙ УГОЛЬ / ACTIVE CARBON / МЕЛАССА / MOLASSES / ОСВЕТЛЯЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ / АДСОРБЦИЯ / ADSORPTION / ПОРИСТОСТЬ / POROSITY / DEPOLARIZATION CAPABILITY

Аннотация научной статьи по экономике и экономическим наукам, автор научной работы - Белоусов К.С., Минькова А.А., Генералова К.Н., Олонцев В.Ф.

Одним из выдающихся достижений науки в XIII веке стало открытие российским академиком Т.Е. Ловицем явления адсорбции активированным углем. Практическое применение этого рода адсорбента предоставляет ценные результаты, необходимые для дальнейшего развития промышленности. В настоящее время нет ни одной отрасли, где не нашли бы применения активированные угли. Их уникальность основывается на пористой структуре, от которой напрямую зависят адсорбционные характеристики, и, соответственно, качество активированного угля. Использование активированных углей обеспечивает возможность создания принципиально новых, экологически чистых технологических процессов и разнообразных изделий сорбционной техники. Активность угля может быть определена путем испытания его адсорбционной способности по отношению к различным растворам, органическим красителям. Активность является как свойством поверхности, так и свойством пространственного строения углерода. Адсорбционная активность углеродных сорбентов, в данном случае углей, может быть определена по органическим жидкостям специальным маркерам. Рассмотрены две методики определения осветляющей способности активированных углей по мелассе : французская (фирма «СЕСА») и российская. Приведен полный алгоритм эксперимента, включающий основные формулы, расчет экспериментальных навесок и базовые требования к мелассам для обеих методик. На основании литературных данных проведен сравнительный анализ меласс , установлено их сходство. Проведены исследования для эталонных углей России и Франции: ОУ-А, СР, СХV. На основании экспериментальных данных и содержания методик проводится их сравнительный анализ, вследствие чего делается вывод о более точном применении французской методики.

Текст научной работы на тему «Методы испытания осветляющей способности активированных углей по мелассе»

_ВЕСТНИК ПНИПУ_

2014 Химическая технология и биотехнология № 4

УДК 661.183.2

К.С. Белоусов, А. А. Минькова, К.Н. Генералова, В.Ф. Олонцев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ ОСВЕТЛЯЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ АКТИВИРОВАННЫХ УГЛЕЙ ПО МЕЛАССЕ

Активность угля может быть определена путем испытания его адсорбционной способности по отношению к различным растворам, органическим красителям. Активность является как свойством поверхности, так и свойством пространственного строения углерода. Адсорбционная активность углеродных сорбентов, в данном случае углей, может быть определена по органическим жидкостям - специальным маркерам.

Рассмотрены две методики определения осветляющей способности активированных углей по мелассе: французская (фирма «СЕСА») и российская. Приведен полный алгоритм эксперимента, включающий основные формулы, расчет экспериментальных навесок и базовые требования к мелассам для обеих методик. На основании литературных данных проведен сравнительный анализ меласс, установлено их сходство. Проведены исследования для эталонных углей России и Франции: ОУ-А, СР, СХУ. На основании экспериментальных данных и содержания методик проводится их

сравнительный анализ, вследствие чего делается вывод о более точном применении французской методики.

Ключевые слова: активированный уголь, меласса, осветляющая способность, адсорбция, пористость.

K.S. Belousov, A.A. Minkova, K.N. Generalova, V.F. Olontsev

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

METHODS OF TESTING OF DECOLORIZATION ABILITY OF ACTIVE CARBONS

Active charcoal can be determined by testing its adsorptive capacity with respect to different solutions, organic dyes. Activity is a property of the surface and the property of the spatial structure of carbon. Adsorption activity of carbon sorbents, in this case coal, can be determined by organic liquids - special markers.

This article describes two methods of decolorize capability on molasses index of active carbon by the French (firm «CECA») and Russian procedure is considered. The full scheme of experiment is given; it consists of basic analytic expressions, the calculation of experimental weights of active carbon and the base claims for molasses for both procedures. Based on the literature data, the comparative test for molasses is made, the analogy is found out. The experiments for the etalon carbons from Russia and French are made: OU-A, CP, CXV. On the authority of experimental data and content of both procedures, their comparative analysis is given; in consequence of this the conclusion about accuracy of French procedure is made.

Keywords: active carbon, molasses, depolarization capability, adsorption, porosity.

Угли относятся к группе промышленных адсорбентов. В качестве сырья для получения активированных углей применяются углерод-содержащие материалы различной природы: ископаемые торф и уголь, полимеры и смолы, растительное сырье (древесина, кора, скорлупа и т.д.) . Промышленные адсорбенты имеют высокоразвитую поверхность. Активированные угли как промышленные адсорбенты имеют ряд особенностей, определяемых характером их поверхности и пористой структуры. К таким особенностям относятся адсорбционные свойства . Адсорбция - поглощение газов, паров или жидкостей на поверхности раздела вещество - адсорбент .

Физическая адсорбция органических веществ из водных растворов наиболее сильно проявляется при использовании в качестве адсорбентов углеродных материалов, поскольку энергия вандерваальсового взаимодействия молекул воды с атомами углерода, образующими поверхность углеродных тел, намного меньше энергии дисперсионного взаимодействия этих атомов с атомами углеродного скелета органических молекул . В настоящее время увеличивается потребность в углеродных сорбентах для очистки питьевой, хозяйственно-бытовой и сточных вод, промышленных выбросов .

В аналитической химии методы научного исследования углей применяют для изучения состава, строения и свойств углей. В истории известно, что некоторые из подобных методов со временем становились стандартами для испытаний .

Одним из известных и надежных методов определения адсорбционной активности является использование раствора мелассы. Меласса - темно-коричневая органическая жидкость. Ее осветление является важным аналитическим методом в производстве углей . Она относится к органическим жидкостям, размер молекул которой около 3 нм (рис. 1). Некоторые виды активированных углей, имеющие развитую систему макро- (более 50 нм) и мезопор (от 2 до 50 нм), обладают способностью к адсорбированию больших молекул, подобных молекулам мелассы. Число мелассы, или ее эффективность - мера мезопор содержания активированного угля (больше, чем 20 А, или больше, чем 2 нм). Ее высокое число указывает на высокую адсорбцию больших молекул. Об эффективности мелассы говорит как процент, так и число мелассы. Существуют различные методики использования ее в качестве адсорбтива, но все они, по сути, схожи . Общие черты этих методик заключаются в следующем:

Мелассовое число активированного угля (ЕВРО) по европейской методике определяется как количество активированного угля в милиграммах, обладающее таким же обесцвечивающим эффектом, как и 350 мг (по сухому весу) стандартного порошкового угля А8100 при обесцвечивании стандартного раствора мелассы по стандартной методике. Чем меньше мелассовое число (ЕВРО), тем лучше уголь удаляет высокомолекулярные органические вещества из мелассы ;

Мелассовое число активированного угля по методике США выражает обесцвечивающую способность угля в относительных единицах к стандартному углю В-45. Исходя из этого чем больше мелассовое число (США), тем лучше уголь удаляет органические вещества из мелассы ;

Эффективность обесцвечивания мелассы выражается в процентах и показывает способность угля убирать 90 % цвета стандартного раствора мелассы. При этом способность стандартного порошкового угля В-45 (в граммах на единицу цветности) принята за 100 % .

Минимальный диаметр пор 3 нм (30 А) 1,5 нм (15 А) 0,5 нм (5 А)

Рис. 1. Сравнение размеров пор молекул для мелассы, метиленового

голубого и йода

Мелассовое число и эффективность адсорбции по мелласе являются наиболее эффективными стандартными методами, показывающими способность углей к удалению загрязнений из аминов и других растворов. Меласса содержит вещества, которые по своим размерам схожи с размерами загрязнений, вызывающих вспенивание абсорбционных растворов. Меласса - отход сахарного производства, сиропообразная жидкость темно-бурого цвета со специфическим запахом. Содержит 20-25 % воды, 50-60 % глюкозы, фруктозы, сахарозы, около 10 % растворенных высокомолекулярных природных красителей, азо-

тистых соединений (преимущественно амидов), свободных и связанных кислот, около 8 % золы .

На рассмотрение предоставляются две методики: французская, разработанная фирмой «СЕСА», и российский стандарт ГОСТ4453-74.

Мелласное число (фирма «СЕСА»)

Основная часть

Масса m активного угля измеряется в суспензии раствора мелассы. С учетом появившегося обесцвечивания раствора выявляется деко-лоризационная способность.

Масса Р - масса эталона угля, определение которой проводят при тех же технических условиях для получения той же обесцвеченности.

IMS - константа, характеризующая деколоризационную способность вышеназванного угля. Тогда мелассное число активного угля определяется как

Численное значение IMS обычно устанавливается и предоставляется в соответствии с мелассным числом сухого активного угля, использованного выше.

Общая схема метода

Построение изотермы деколоризации

Деколоризация D раствора мелассы может быть определена в соответствии с уравнением

D =ÇD)Mûf.1()o, (1)

где (D0f и (D0)b - оптическая плотность раствора мелассы после деколоризации и «холостого опыта» соответственно («холостой опыт» -это раствор, полученный без активного угля).

Связь между массой m используемого активного угля и получившейся деколоризацией D может быть записана в соответствии с изотермой сорбции Фрейндлиха:

K (100 - D)a, m

в которой К и а могут быть определены как константы для конкретного угля, определенной мелассы, конкретных технических условий и так далее, в соответствии с тем, что интервал деколоризации составляет от 60 до 90 %.

Количество рассматриваемого активированного угля, называемого стандартной пробой или эталоном, необходимое для данной деколоризации

Масса Р эталона, показывающего ту же деколоризацию, что и у испытуемого образца, записывается и определяется уравнением (1). Экспонента а является мнимой и содержится в каждой опытной серии по определению эталона; каждая серия содержит парные величины (р0, Д0), позволяющие исключить константу К. Уравнение записывается следующим образом:

Величина экспоненты а

Величину а определяют через линейную регрессию начиная с уравнения (1), записывая в логарифмической форме с использованием минимум 10 значений (ри Д), в установленном порядке распределяют по всей величине деколоризационного интервала - от 60 до 90 %.

Подобный анализ должен проделываться каждый раз, когда эталон или меласса заменяются. Это целесообразно и желательно, однако на практике необходимо заново осуществлять подобный анализ каждые три месяца для выявления возможного изменения в химическом составе мелассы.

Величина а всегда округляется до второго знака после запятой. Если изменение между новой величиной а и раннее использованной составляет величину, большую или равную ±0,02, необходимо сделать повторное подтверждение перед принятием нового значения а. Величина а, соответствующая текущим условиям:

Влажный эталон

Для использования постоянного материала эталон должен всегда находиться в пределах одних условий влаги. Для практической цели рассматривается и принимается во внимание 0 % влаги.

Таким образом, необходимо следующее:

Всякий раз высушивать используемый уголь перед использованием;

Или использовать его в том состоянии, в каком он находится, но сразу после его использования определять влагосодержание угля и включать этот недочет в общий подсчет.

Как правило, если И - это влагосодержание эталона, выраженное в процентах, то формула (2) принимает следующий вид:

Образцы активного угля

Поскольку необходимо удерживать значение деколоризации в требуемом интервале 60-90 %, следует разделять различные качества углей на 4 группы. Каждая группа характеризуется массой т¿, полученной путем серии измерений. Группы французских углей, используемых для осветления, следующие:

Группа 1: включает типы СХУ, СР; т1 = 125 мг;

Группа 2: включает угли 4Б, 3Б, 2Б и их эквивалентные заменители, в равной степени окисленные или обработанные кислотой: +СХА, СХ, 3 ББ 2, СЯ, БА 1703; т2 = 250 мг;

Группа 3: включает типы БМ, Б и их соответствующие окисленные или обработанные кислотой типы +20 и Б45; т3 = 500 мг;

Группа 4: О, ТК, 25 в; т4 = 1,000 мг (однако очень важно для этого типа, что взамен предложенного значения массы может быть использована цифра т = 1,500 мг).

В случае, если две большие разницы между активностью испытуемого угля не позволяют Б находится в интервале от 60 до 90 %, необходимо провести эксперимент, используя новую пробу и выбирая более подходящее значение величины тг-.

Как правило, для определения массы тг-, которая использовалась бы в соответствии с активностью выбранного активного угля, группа которого известна, предварительный эксперимент следует провести с использованием массы т2. Полученное таким образом значение деколоризации Б определяет активную группу и, следовательно, более подходящее значение тг-, которое приведет значение деколоризации между 60 и 90 %.

Деколоризация, % Группа

90 > 0 > 60 II

60 > 0 > 35 III

Метод контроля

Оборудование:

Пипетка на 100 мл с одной отметкой или автоматическая;

Стеклянная колба на 1 л;

Складчатый фильтр (фильтровальная бумага), тип 4В;

N 111 фильтры - с диаметром голубого слоя 150 мм;

Лабораторные сосуды;

Горелка или плитка;

Термостатическая баня;

Спектрофотометр;

Воронки;

Аналитические весы.

Реагенты:

Раствор мелассы;

Ортофосфорная кислота (Н3РО4) - раствор, 52 или 60 по шкале

Формальдегид (муравьиный альдегид) 30 %.

Подготовка раствора мелассы

Раствор мелассы объемом n0 из сахарного тростника взвешивается и вводится в круглую колбу объемом 1 л.

Добавляется 500 мл дистиллированной воды с последующим добавлением х мл чистого раствора Н3РО4 (аналитической степени чистоты); опытно выбирается с целью исключения ошибки с рН среды, равным 2,6 в конечном растворе мелассы. В основном от 2 до 3 мл достаточно на 60 кислоты по Боме:

x(H3PO4) = " = 1,71.

3 144,3 - 60 84,3

Для обеспечения надлежащего (правильного) раствора мелассы раствор нагревается и поддерживается в течение 5 мин при кипячении. Необходимо быстро охладить проточной водой до температуры окружающей среды. Добавить дистиллированной воды для достижения 1 л на 5 г раствора. Фильтровальный материал Clarcel DIC и дополнитель-

ный фильтрующий слой складываются над фильтром типа Дюрье 4В, раствор проходит через всю комплектацию дважды.

Для увеличения времени хранения раствора мелассы, который должен храниться в холодильнике, обычно добавляют 1 мл 30%-ного раствора муравьиного альдегида. Таким образом, раствор может храниться 2 или 3 дня максимум.

Оптическая плотность раствора мелассы, приготовленного таким образом, измеряется с помощью спектрофотометра при длине волны 450 нм, чтобы в результате получить обесцвечивание с массой эталона, равной Р0 = т2:

= (Б0)Ь0 - (Б0)/0 = 68 ± 20%. 0 (ЗД

Раствор мелассы готов к использованию.

Порядок работы

Обесцвечивание мелассы с использованием активного угля

В мензурку объемом 150 мл вводится т мг порошкообразного угля после того, как уголь взвесили с точностью до +0,1 мг, влажность его <10 %.

Масса образца т определяется с уровнем активности испытанного углерода в соответствии с пунктом «Образцы активного угля».

100 мл раствора мелассы, приготовленного, как описано в пункте «Подготовка раствора мелассы», измеряют (набирают) с помощью пипетки, добавляют к активированному углю, помешивая при помощи стеклянной мешалки. Мензурку помещают в термостатическую ванну при 92±2 °С. Необходимо достичь температуры 70 °С при перемешивании раствора время от времени. Химический стакан затем вынимают из ванны и раствор фильтруют через фильтр Дюрье с синей полосой 150 мм. Первые несколько миллилитров раствора необходимо повторно профильтровать (1-2 раза), чтобы получить совершенно чистый фильтрат.

Обесцвечивание в случае с эталоном и «холостым опытом»

В каждую серию опытов входят следующие два испытания:

Два измерения с эталоном, выполнением при одинаковых условиях, таких же как для исследуемого угля, начиная с массы Р = 250 мг сухого эталона (или с известным уровнем влажности И);

Один «холостой опыт»; другими словами, раствор мелассы, не содержащий активированный уголь, рассматривающийся в рамках тех же условий, что и другие растворы, для которых окончательный цветовой уровень будет использован как основной при расчете обесцвечивания.

Измерение оптических плотностей

Оптическую плотность (Д0)Ь «холостого опыта» и (Д0)/ углерода обесцвеченного раствора мелассы и аналогичный эксперимент с эталоном измеряют на спектрофотометре при длине волны 450 нм.

Подсчет мелассного числа

1. Расчет выполняется на основе измерения оптических плотностей. Обесцвечивание определяются с помощью уравнения (1).

Иными словами, Д(%) - для испытуемого активированного угля (масса т) и Д0(%) - для эталона (масса Р0 = т2). Д0 - это среднее из двух значений, соответствующих двум экспериментам с эталоном.

2. С помощью уравнения (2) определяется масса Р эталона, необходимая для получения обесцвечивания Д, влажность к эталона известна. В нынешних условиях значение показателя а = 0,26.

3. Мелассное число испытуемого активированного угля /М получают, исходя из соотношения, в котором 1Мз - индекс мелассы для сухого эталона.

В настоящее время используются стандартные значения /М^: М = 168.

Определение адсорбционной активности по мелассе (ГОСТ 4453-76)1

Общая часть

Раствор мелассы готовят следующим образом: около 50 г мелассы разбавляют 800 см3 дистиллированной воды и затем водой или мелассой доводят оптическую плотность раствора до 0,6-0,7 опт. ед. при замере в кювете с расстоянием между рабочими гранями 5 мм и до 1,21,4 опт. ед. при замере в кювете с расстоянием между рабочими гранями 10 мм, затем добавляют 1 г кизельгура или силикагеля, растертого в порошок с частицами размером не более 1 мм, и взбалтывают. Раствор фильтруют через складчатый бумажный фильтр.

1 ГОСТ 4453-76. Уголь активный осветляющий древесный порошкообразный.

С поправками и изменениями. Технические условия. Введ. 01.01.93. М.: Изд-во стан-

дартов, 1993. 23 с.

Оптическую плотность полученного раствора мелассы замеряют на фотоэлектроколориметре при синем светофильтре с длиной волны 40 нм. В качестве контрольного раствора применяют дистиллированную воду.

Оборудование:

Фотоэлектроколориметр типа ФЭК-М;

Колба мерная по ГОСТ 1770-74 вместимостью 250 см3;

Баня водяная;

Кизельгур или силикагель марки КСК по ГОСТ 3956-76;

Уголь осветляющий - образец;

Вода дистиллированная;

Бумага фильтровальная.

Проведение анализа

По 0,5 г анализируемого и образцового угля взвешивают, с погрешностью не более 0,01 г, помещают в плоскодонные колбы и добавляют по 100 см3 раствора мелассы. Содержимое колб нагревают на бане до 80 °С при непрерывном взбалтывании и выдерживают при этой температуре в течение 5 мин, не прекращая взбалтывать. После взбалтывания растворы сразу же фильтруют через бумажный фильтр, отбрасывая первые порции фильтрата. Растворы после фильтрации должны быть совершенно прозрачными.

Раствор охлаждают до температуры окружающей среды и определяют их оптическую плотность по отношению к дистиллированной воде при условиях, соответствующих определению оптической плотности исходного раствора мелассы.

Обработка результатов

Адсорбционную активность анализируемого угля по мелассе (Х1) в процентах вычисляют по формуле

где й - оптическая плотность исходного раствора мелассы; й1 - оптическая плотность раствора, обработанного образцовым углем; й2 - оптическая плотность раствора, обработанного анализируемым углем.

За результат принимают среднее арифметическое двух параллельных определений, допускаемое расхождение между которыми не должно превышать 5 абс. %2.

2 ГОСТ 4453-76. Уголь активный осветляющий древесный порошкообразный.

С поправками и изменениями. Технические условия. Введ. 01.01.93. М.: Изд-во стандартов, 1993. 23 с.

Меласса является универсальным модельным веществом для оценки качества активных осветляющих порошкообразных углей, использующихся соответственно в тех отраслях, где проводится очистка (или осветление) высокомолекулярных технологических продуктов и полупродуктов. Различают 4 типа мелассы: рафинадная, тростниковая, сырцовая и свекловичная. Меласса фирмы «СЕСА» является тростниковой. Меласса, которую используют при анализе российских АУ по ГОСТ 4453-74, является свекловичной.

Естественно, что различное происхождение меласс объективно вызывает некоторые непринципиальные различия, которые выявляются при спектроскопическом исследовании в ИК-области. В целом ИК-спектры двух меласс идентичны (рис. 2), за исключением низкочастотной области (1300-650 см-1), известной как область «отпечатков пальцев», где каждое соединение в этом интервале имеет свою специфическую спектральную кривую. Ниже (табл. 1) приводятся данные по обеим мелассам при характерных частотах.

Таблица 1

Характеристики мелассы

№ п/п Французская меласса, см 1 Заводская меласса, см 1

1 1000 1000 (плечо)

2 930 (сил. инт.) 930 (плечо)

3 850-870 (шир.) 910 (шир.)

4 835 870 (уз.)

5 780 (плечо) 780

4000 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 см"1

Рис. 2. ИК-спектры двух меласс : - отечественная свекольная меласса; - французская тростниковая меласса

Спектры двух меласс, снятые в УФ- и видимой областях (рис. 3), показывают, что абсорбционные кривые их схожи между собой. В ультрафиолете (<320 нм) красящие вещества меласс (по литературным данным) обладают селективным поглощением, различаясь лишь конфигурацией кривых. Это позволило применить спектроабсорбци-онный метод для количественного определения отдельных групп красящих веществ в мелассах и установить, что основная окраска их и, соответственно, состав обусловлены наличием следующих (табл. 2) групп красящих веществ в процентном отношении (приближенная оценка).

Таблица 2

Красящие вещества Французская меласса Заводская меласса

Продукты щелочного распада инвертных сахаров, % 70-75 70

Меланоидины, % 20-25 25-30

Карамели, % 5 0-5

200 210 220 230 240 250 260 2Ю 280 290 300 350 400 нм

Рис. 3. Спектры двух меласс в УФ - и видимой областях : - отечественная свекольная меласса; - французская тростниковая меласса

Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными сотрудниками МТИПП, которые исследовали все типы меласс методом гельфильтрационного разделения.

В прикладном плане визуальное сравнение двух меласс позволило заметить следующее:

Некоторое запаздывание по скорости растворения в воде французской мелассы;

Исходная (сиропообразная) меласса фирмы «СЕСА» в несколько раз концентрированнее российской.

Применение меласс в качестве адсорбтива является классическим, общеизвестным способом, но объективная оценка всех известных нам методик, использующих природные мелассы, неизбежно приводит к выявлению одного главного существенного недостатка, присущего всем мелассам. Это то, что они в значительной степени подвержены изменениям качественного и количественного характера, что обусловливается, в свою очередь, различными природно-климатическими условиями происхождения сырья-основы. Иными словами, нестабильность состава адсорбтива-красителя (мелассы) является одинаково отрицательным моментом как для российской методики по ГОСТ 4453-74, так и для методики фирмы «СЕСА». Что касается первого метода, то вывод подтверждается многолетним опытом работы российских лабораторий, а второго - литературными данными аналогичных исследований.

Следует отметить также еще один, по нашему мнению, отрицательный момент в методике по ГОСТ 4453-74 и в методике фирмы «СЕСА». Это необходимость применения эталонного угля. Кроме трудностей подбора эталонного угля со строго определенными характеристиками, использование его как единого стандарта сравнения для контроля качества промышленных активных осветляющих углей, природа поверхности которых неодинакова (щелочные, кислые), считаем принципиально неверным.

В практическом плане освоение методики определения мелас-сного числа, используемой фирмой «СЕСА», позволило выявить следующее: французская методика находится на уровне качественно более высоком, чем российская, хотя суть методов, основной ход операций совпадают. Уровень французской методики определяется особой детальностью разработки, тщательным многоступенчатым подготовительным периодом перед непосредственным анализом, насыщенностью лабораторным оборудованием и приборами. Алгоритм выполнения расчетов по проведенным измерениям включает несколько ступеней, что, естественно, усложняет их. Показатель осветляющей способности в отличие от стандартной российской методики является безразмерной величиной (мелассное число), включающей в себя ряд относительных величин и констант.

В целом выполнение методики требует высокой квалификации лаборанта.

Полное воспроизведение методики фирмы «СЕСА» в наших условиях не представилось возможным, так как не все условия мы смогли соблюсти. Например:

Реактив Clarcel DIC по предполагаемой аналогии заменили известным нам кизельгуром;

Из лабораторного оборудования фирмы «СЕСА» мы не располагаем гофрированными фильтрами Дюрье (они были заменены складчатыми бумажными фильтрами) и не использовали вакуумные колбы с тиглями для фильтрования.

С учетом ряда приближений и допущений результаты проанализированных в процессе освоения методики фирмы «СЕСА» образцов выглядят следующим образом (табл. 3).

Таблица 3

Испытания активированных углей

Образец Мелассное число (фирма «СЕСА») Адсорбционная активность, % (ГОСТ 4453-74)

СР (Франция) 363 174

ŒV (Франция) 335 169

ОУ-А (РФ) 150 109

Эталон (РФ) 136 100

Исходя из представленной таблицы, полученные результаты можно интерпретировать следующим образом: благодаря особому построению алгоритма измерений и расчетов во французской методике она оказывается более мобильной, более чувствительной в оценке качества углей. Разницу в активности между образцами углей, например СР и CXV, российская методика почти нивелирует, тогда как анализ по методике фирмы «СЕСА» фиксирует различное их качество. Достижение такой наглядности в отображении качества углей - результат глубокой научной проработки анализа с включением необходимой лабораторной техники.

Итак, проведенное исследование свидетельствует о том, что методика фирмы «СЕСА» является более чувствительной, чем отечественная, и позволяет более тонко отличать активные угли по их качеству. Эти особенности французской методики следует учесть при усовершенствовании отечественной стандартной методики.

Список литературы

1. Бакланова О.Н. Микропористые углеродные сорбенты на основе растительного сырья / Росийский химический журнал. - 2004. -№ 3. - С. 89-94.

2. Кингле Х., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение. - Л.: Химия, 1984. - 216 с.

3. Когановский А.М., Левченко Т.М., Кириченко В. А. Адсорбция растворенных веществ. - Л.: Наукова думка, 1977. - 223 с.

4. Рощина Т. М. Адсорбционные явления и поверхность / Соро-совский образовательный журнал. - 1998. - № 2. - С. 89-94.

5. Шумяцкий Ю.И. Адсорбционные процессы: учеб. пособие. -М., 2005. - 164 с.

6. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. - М.: Химия, 1984. - 592 с.

7. Авгушевич И.В., Броновец Т.М. Стандартные методы испытания углей. Классификации углей. - М.: НТК «Трек», 2008. - 368 с.

8. Активированные угли Petrodarco - эффективные активированные угли для удаления высокомолекулярных соединений и частиц минеральных масел из абсорбционных растворов [Электронный ресурс] // Norit Digital Library. - 2011. - URL: http://tdtka.ru/wp-content/uploads/ 2012/10/3.2.-Aktivirovannyie-ugli-Petrodarco.pdf (дата обращения: 5.10.2014).

9. Силин М.П. Технология сахара. - М.: Книга по требованию, 1967. - 625 с.

1. Baklanova O.N. Mikroporistye uglerodnye adsorbenty na osnove rastitelnogo syrya . Rossiyskiy khimicheskiy zhurnal, 2004, no. 3, pp. 89-94.

2. Kingle Kh., Bader E. Aktivnye ugli i ikh promyshlennoe prime-nenie . Moscow: Khimiya, 1984. 216 p.

3. Koganovskiy A.M., Levchenko T.M., Kirichenko T.A. Adsorbtsiya rastvorennykh veschestv . Leningrad: Naukova Dumka, 1977. 223 p.

4. Roschina T.M. Adsorbtsionnye yavleniya i poverkhnost . Sorosovskiy obrazovatelnyy zhurnal, 1998, no. 2, pp. 89-94.

5. Shumyatskiy Yu.I. Adsorbtsionnye protsessy . Moscow, 2005. 164 p.

6. Keltsev N.V. Osnovy adsorbtsionnoy tekhniki . Moscow: Khimiya, 1984. 592 p.

7. Avgushevich I.V., Bronovets T.M. Standartnye metody ispytaniya ugley. Klassifikatsiya ugley . Moscow: NTK "Trek", 2008. 368 p.

8. Aktivirovannye ugli Petrodarco - effektivnye activirovannye ugli dlya udaleniya vysokomolekulyarnykh soedineniy i chastits mineralnykh masel iz adsorbtsionnykh rastvorov . Norit Digital Library, 2011, available at: http://tdtka.ru/wp-content/uploads/2012/10/3.2.-Aktivirovannyie-ugli-Petrodarco.pdf (accessed 5 October 2014).

9. Silin M.P. Tekhnologiya sakhara . Moscow: Kniga po trebovaniyu, 1967. 625 p.

Белоусов Константин Сергеевич (Пермь, Россия) - аспирант кафедры порошкового материаловедения Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: [email protected]).

Минькова Анфиса Андреевна (Пермь, Россия) - магистрант кафедры порошкового материаловедения Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: [email protected]).

Генералова Ксения Николаевна (Пермь, Россия) - магистрант кафедры порошкового материаловедения Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: [email protected]).

Олонцев Валентин Федорович (Пермь, Россия) - доктор технических наук, профессор кафедры порошкового материаловедения Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: [email protected]).

About the authors

Konstantin S. Belousov (Perm, Russian Federation) - graduate student, department of powdered materials, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolsky av., 29, Perm, 614990, Russian Federation, email: [email protected]).

Anfisa A. Minkova (Perm, Russian Federation) - master student, department of powdered materials, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolsky av., 29, Perm, 614990, Russian Federation; e-mail: [email protected]).

Kseniya N. Generalova (Perm, Russian Federation) - master student, department of powdered materials, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolsky av., 29, Perm, 614990, Russian Federation, e-mail: [email protected]).

Valentin F. Olontsev (Perm, Russian Federation) - doctor of technical science, professor, department of powdered materials, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolsky av., 29, Perm, 614990, Russian Federation; e-mail: [email protected]).

Активированный уголь это пористое вещество, чаще черного цвета, которое вырабатывают из различных углеродосодержащих материалов органического происхождения. На текущий момент известны технологии получения активированного угля из древесного угля (БАУ-А, ОУ-А, ДАК), из каменноугольного кокса (АГ-3, АГ-5, АР), из нефтяного кокса, а также из других органических материалов. Активированный уголь очень пористый материал, в результате чего имеет большую удельную поверхность на единицу массы, поэтому обладает высокой адсорбционной способностью. Именно это качество и позволяет применять активированный уголь в медицине, химической, фармацевтической и пищевой промышленности. Во многих современных комплексах для очистки питьевой воды используются фильтры, содержащие активированный уголь.

Один грамм активированного угля может иметь общую поверхность от 500 до 1500 м², в зависимости от технологии получения той или иной марки угля.

Возможно, вы уже давно перестали использовать это откровенно дешевое средство, как способ вывода токсинов при отравлениях, но в последние годы, особенно на Западе, активированный уголь стал настоящим велнес-трендом! В любом случае, об активированном угле вы знаете не так много, а между тем, как и любые другие лекарственные препараты неправильное применение и нарушение дозировки может и навредить здоровью. Как использовать разнообразные углеродосодержащие средства без вреда для здоровья и каковы возможности активированного угля мы и попробуем разобраться в данной статье.

Как работает активированный уголь?

Активированный уголь удаляет из организма токсичные вещества двумя механизмами, во-первых, за счет адсорбции, а во-вторых, за счет каталитического сокращения (процесса, заставляющего отрицательно заряженные ионы загрязнителя притягиваться к положительно заряженным ионам углерода).

Активированный уголь связывает находящиеся в организме человека токсины (и попавшие в организм извне, и образовавшиеся в результате жизнедеятельности каких-либо микроорганизмов внутри ЖКТ) за счет адсорбции и способствует их скорейшему выведению через кишечник.

Он так же эффективно чистит организм от хлора, хлораминов и , удаляя их каталитическим сокращением.

Обратите внимание, что употребление активированного угля сводит практически к нулю эффективность принимаемых одновременно с ним лекарственных препаратов (в пределах 10 часов).

Очищение организма углём при отравлении

Главная особенность активированного угля, даже принятого сверх нормы заключается в том, что не раздражает кишечник. Нормальная доза полностью выводится из организма не позднее, чем через 10 часов после принятия внутрь. Несмотря все преимущества активированного угля, чрезмерно увлекаться ими не стоит, будь то угольная маска (косметологи не советуют наносить её чаще 1 раза в неделю), или вы просто добавляете угольный порошок в еду. В последнем случае стоит помнить, что вместе с токсинами и углём из организма также выводят и многие микроэлементы, например, витамины разных групп.

На основе этого учёные и медика составлены строгие рецепты и дозировки употребления активированного угля для взрослого человека: препарат принимается не чаще двух раз в неделю с учётом того, что после приёма активированного угля, какого-либо другой лекарственный препарат принимается не ранее чем через 10 часов. В те дни, когда вы принимаете уголь, вы строго должны выпивать не менее 2,5 литров воды. При отравлении принимайте 4-6 таблеток активированного угля, при курсе детокса - по две.

Активированный уголь в косметике

Производство активированного угля осуществляется преимущественно из древесного угля, торфа или каменного угля. Пористая структура таблеток достигается путём воздействия на компонент сильных микропотоков воздуха. Каждая таблетка активированного угля в результате такой пористости может поглощать в себя молекулы токсинов, грязи или жира. Например, шампунь с гранулами угля действует на волосы по принципу скраба, паста и даже зубные щетки угольными частичками убивают бесчисленное количество бактерий в ротовой полости, а угольные маски способны решить почти любую проблему, связанную с проблемной кожей.

Интересный факт: несколько таблеток активированного угля массой 5-7 грамм способны всосать и впитать в себя огромное количество токсинов, если ровно распределить поверхность такого числа таблеток угля в один слой, то размерами он будет не менее площади футбольного поля.

Напитки на основе активированного угля

Все многочисленные свойства активированного угля определяются его химическим составом и особенностью строения натурального сорбента. Любопытно, но большая часть полезных свойств активированного угля была открыта ещё жителями Древней Индии и Китая, которые с помощью угля очищали воду для питья и вино. А спустя несколько столетий эксперты в области назвали активированный уголь одним из лучших средств для детокса (очищения организма).

Если вы привыкли к фасовкам активированного угля в виде таблеток и порошка, то наверняка удивитесь, что в США и Западной Европе уже несколько лет в продаже есть лимонад с углём!!! Да да, лимонад из активированного угля, который можно найти на прилавках аптек и косметических магазинов Нью-Йорка или Лос-Анджелеса.

Такие вот «активированные напитки» выпускаются в различных оттенках, начиная с черного и заканчивая светло-серым, разными вкусами и в разной таре. Казалось бы, желающих попробовать напиток черного цвета будет не так уж и много. Однако, адепты здорового образа жизни на перебой кричат о пользе таких лимонадов и коктейлей, а покупатели скупают такие напитки в больших количествах.

Напитки с добавлением активированного угля - лишь малая часть применения эффективного сорбента, на сегодняшний день в США и большинстве стран Европы он является очень популярным компонентом, который добавляют в косметические средства по уходу за кожей и волосами, среди которых: маски для лица, скрабы, зубная паста (порошок), мыло, шампунь и так далее.

Очищение кожи с помощью активированного угля

Маски из активированного угля не только очищают поры, но и сужают их. Одна маленькая угольная гранула впитывает грязи (сало, жир) в 200 раз больше собственного веса. Систематичное, но не чрезмерное применение масок надолго поможет избавиться от проблемы блеска и жирности кожи.

Здесь есть один очень важный момент: в состав косметических средств (масок из угля), должен входить только свежий компонент (свежий активированный уголь раскрошится уже при легком давлении на него ложкой).

Активированный уголь может вызвать аллергическую реакцию, поэтому прежде чем вы будете наносить такую маску, проверьте её на руке. Также косметологи рекомендуют наносить такие маски только на распаренное лицо.

Отбеливание зубов с помощью угля

Активированный уголь может отбелить зубы на 7-8 тонов, при этом не нарушив целостность зубной эмали. С помощью угольного порошка можно также полоскать рот, средство облает хорошими антибактериальными свойствами.

Уже после нескольких угольных процедур, вы заметите изменение в состоянии десен и , это происходит по причине того, что уголь меня PH-среду в полости рта. Чистка зубов угольным порошком осуществляется в том же режиме, что и чистка зубной пастой. Если вы все же беспокоитесь за зубную эмаль, то можете чистить угольным порошком, нанесённым поверх пасты.

Время от времени на форумах и женских сайтах появляются темы о похудении с помощью активированного угля - сразу стоит отметить, это довольно опасный способ сбросить лишний вес и мы настоятельно НЕ РЕКОМЕНДУЕМ использовать подобные угольные диеты! Да, активированный уголь выводит из организма токсины, но вместе с ними адсорбирует еще и полезные минеральные вещества, аминокислоты и тд. Именно поэтому принимая активированный уголь длительное время и в больших количествах вы рискуете серьезно навредить своему здоровью, ведь таким образом организм будет терять важные элементы, необходимые для нормального обмена веществ!

Безусловно, уголь очищает кровь, печень и кишечник, жировые запасы организма понемногу уходят, однако лишняя жировая ткань уходит из-за минерально-витаминного голодания организма. Спустя определённое время после того как вы начнете активно потреблять активированный уголь у вас может нарушиться работа кишечника, появятся запоры, понизится всасывание жиров, белков, витаминов, гормонов и минералов из ЖКТ. В результате упадет содержание сахара в крови, может опасно снизиться , появятся головокружение и озноб, апатия и даже снижение мозговой активности.

Для избавления от лишнего веса мы бы посоветовали пересмотреть диету в пользу богатых клетчаткой продуктов питания (злаки, овощи, цельнозерновой хлеб, фрукты, и тд). Такие продукты хуже усваиваются, но зато способствуют улучшению работы кишечника и в отличии от активированного угля не выводят из организма витамины и минералы. Еще лучше рассчитать количество потребляемых и растрачиваемых в течении дня калорий и поддерживать баланс, когда вы потребляете меньше, чем тратите - такой подход позволит похудеть без вреда для здоровья!

Опыт - как активированный уголь адсорбирует

Чтобы лично убедиться в адсорбционных свойствах активированного угля мы может провести небольшой опыт. Для эксперимента нам потребуется всего 2 компонента, а именно активированный уголь и раствор йода.

Берем 5 таблеток угля и помещаем их в обычный прозрачный стакан, добавляем несколько капель питьевой воды в стакан и растолчем активированный уголь в стакане.
Вливаем в стакан со смесью чайную ложку йода и 2 столовые ложки воды, перемешиваем.
В начале реакции наш раствор потемнеет, происходит это потому что в состав таблеток активированного угля входит определенная доля крахмала (помогает таблеткам сохранять форму), он то и взаимодействует с йодом, давая характерный синий цвет.
Оставляем стакан с раствором на несколько часов (для чистоты этой «лабораторной работы», можно параллельно использовать второй стакан, в котором будет тоже вода и йод, но не активированный уголь).

Спустя несколько часов в первом стакане угольный темный осадок опустится на дно, а жидкий раствор станет прозрачного цвета - это будет означать, что весь йод адсорбировался углем. Раствор без угля во втором стакане останется коричневато-желтоватым (в такой цвет его окрашивает именно йод).

Аналогичным образом таблетки активированного угля действуют в желудке человека, адсорбируя токсины и помогая ЖКТ справиться с пищевым отравлением.

Активированный уголь далеко не такая простая вещь, как может показаться на первый взгляд. Нет, сам уголь вещь чрезвычайно простая, однако именно в этом и заключается его самая сильная сторона. Именно это позволяет использовать активированный уголь для самых разных целей и задач.

1. Поглотитель запахов в холодильнике

Неприятные запахи в холодильнике – распространенная проблема, с которой сталкиваются многие хозяйки. Найти причину и справиться с этой проблемой бывает непросто так, как некоторые «ароматы» не исчезают даже после разморозки и тщательного мытья холодильника. В таком случае следует воспользоваться активированным углем и серым хлебом. Разложите таблетки и кусочки хлеба на всех полках холодильника и через пол дня от запахов не останется и следа.

2. Плесень и грибок дома

В местах повышенной влажности со временем появляется плесень и грибок, справиться с которой бывает непросто. Однако, такую неприятность можно избежать, раскладывая таблетки угля в непроветриваемых местах с повышенной влажностью таких, как шкафчики ванной, подоконники, кладовка и санузел.

3. Фильтр для воды

Уголь прекрасно впитывает в себя промышленные отходы, пестициды и химикаты, содержащиеся в воде. Поэтому, таблетки активированного угля можно использовать для очистки воды. Для этого понадобятся два тканевых круга, соответствующих диаметру емкости, которую вы будете заполнять водой. Сшейте тканевые круги, оставив небольшое отверстие, выверните изделие наизнанку, заполните измельченным углем и закрепите на горлышке емкости с помощью тонкой проволоки или ниток.

4. Ароматизатор воздуха

Активированный уголь способен не только впитывать запахи, но и распространять их. Поэтому таблетки угля можно использовать в качестве бюджетных ароматизаторов воздуха. Просто смочите несколько таблеток угля в любимом эфирном масле и разложите их по дому.

5. Неприятный запах ног

Людям, чьи ноги сильно потеют и источают не лучший аромат, стоит задуматься об изготовлении специальных стелек с измельченным активированным углем. Такие стельки будут впитывать пот, неприятные запахи и сделают процесс носки закрытой обуви более комфортным.

6. Маска от черных точек

Оказывается, нашумевшую черную маску от угрей можно приготовить самостоятельно буквально за копейки. Для этого нужно измельчить 3 таблетки активированного угля, добавить столовую ложку желатина, залить смесь тремя столовыми ложками воды или желатина и тщательно размещать. Полученную субстанцию следует нанести на проблемные участки кожи, оставить на 15 минут, а после резким движением снять.

7. Средство от похмелья

Наверняка, многим знакомы неприятные ощущения, которые проявляются утром после веселой вечеринки. Предотвратить тошноту, головную боль и слабость поможет доза активированного угля, принятая перед вечеринкой.

8. Косметический лед

Кубики льда с активированным углем – прекрасное средство, которое позволит освежить и омолодить кожу, а также нормализовать работу сальных желез. Для приготовления такого льда, измельченные таблетки угля нужно смешать с водой (1 таблетка на 100 грамм воды), залить в форму и использовать для утреннего умывания.

9. Чистота волос

Адсорбирующие свойства активированного угля прекрасно очищают фолликулы волос и кожу головы. Просто смешайте измельченную таблетку угля с порцией шампуня и помойте полученной смесью голову. Такая процедура позволит устранит жирный блеск и продлить эффект чистых волос.

10. Скраб для тела

Активированный уголь прекрасно средство для очищения кожи. Измельчите упаковку таблеток, смешайте получившийся порошок с жидким медом и используйте в качестве скраба для очищения тела. Такое средство лучше всего наносить на распаренную кожу и использовать не чаще одного раза в неделю.

11. Тушь для ресниц

На основе активированного угля можно приготовить тушь для ресниц, которая придется по душе любительницам натуральной косметики или здорово выручить в случае если обычной туши нету под рукой. Для изготовления туши измельченные таблетки угля нужно смешать с несколькими каплями масла жажоба или соком алоэ, тщательно перемещать, перелить в подходящую емкость и использовать, как обычную тушь.

Видео-бонус:

12. Средство для умывания

Благодаря своим адсорбирующим свойствам, активированный уголь прекрасно очищает поры, убирает излишки кожного сала, способствует заживлению прыщей и разглаживанию морщин. Поэтому измельченные в порошок таблетки угля можно использовать для ежедневного умывания.

13. Детокс эффект

Холестерин, пестициды, гормоны роста, химикаты и прочие вредные вещества, которые мы ежедневно поглощаем вместе с продуктами питания, негативно влияют на наш организм, внешний вид и общее самочувствие. Вывести из организма негативные вещества, поможет активированный уголь. Для этого в течении десяти дней перед едой нужно выпивать по 10 таблеток угля, распределяя их на три части (завтрак, обед и ужин). К концу курса вы почувствуете легкость и прилив сил.

Видео-бонус:

В продолжение темы , которые могут пригодиться.

Ленинградская область Выборгский район п. Первомайское

МБОУ «Первомайский центр образования»

Исследовательская работа

Исследование свойств адсорбционной способности активированного угля

Секция – химия

Выполнили ученицы 9 А класса

Антимоник Александра и Шаяхметова Алсу

Руководитель Жамалова Любовь Александровна

Учитель химии и биологии

2015 Содержание

Раздел

Страница

Введение

Теоретическая часть

2.1 Адсорбция как явление

2.2 Историческая справка

2.3 Способы получения

2.4 Области применения активированных углей

Практическая часть

3.1 Исследования в школьной лаборатории

3.2 Исследования в домашних условиях

Вывод

Используемая литература

Приложение (презентация)

Введение

На уроке химии мы познакомились с таким свойством углерода, как адсорбция. Важное значение адсорбции, как в промышленности, так и в быту подтолкнуло нас на исследование явления адсорбция в школьной лаборатории и дома на примере активированного угля. Нам захотелось узнать, все ли вещества он может адсорбировать.

Актуальность работы :

значимость адсорбции в связи с решением экологических проблем и проблем получения особо чистых веществ.

привлечение школьников к изучению химии с практической стороны и применения полученных знаний в быту.

развитие интереса у школьников к получению теоретических и практических навыков по химии: работа в лаборатории, работа с Интернетом для поиска и передачи информации.

Новизна выбранной темы заключается в незначительном исследовании причин адсорбции среди школьников.

Целью данной работы является изучение адсорбционной способности активированного угля

Задачи, поставленные для достижения цели :

найти примеры практического применения адсорбционной способности активированного угля в профессиональной деятельности и в жизни человека.

изучить адсорбционную способность активированного угля;

понаблюдать и проанализировать явление адсорбции, на примере активированного угля.

Для исследования мы ознакомились с такими научными источниками, как техническая литература, интернет ресурсы, энциклопедия и выявили, что явление адсорбции широко представлено и хорошо изученное явление. Адсорбция лежит в основе очистки, осушки, разделения газов и других процессов. На основе адсорбции производят очистку и осветление воды, которую в дальнейшем используют для питья и технических нужд. В теоретической части мы использовали материалы технической и исторической литературы, а для эксперимента мы воспользовались учебником для студентов Аналитическая химия. Лабораторный практикум.

Методы исследования, которые использовались в работе :

Изучение и подбор материала;

Наблюдение и анализ явлений адсорбции;

Эксперимент.

Планируемые результаты:

Понаблюдать, и проанализировать явление адсорбции, на примере активированного угля;

Изучить адсорбционную способность активированного угля;

- найти примеры практического применения адсорбционной способности активированного угля в профессиональной деятельности и в жизни.

Теоретическая часть

Адсорбция как явление.

Одежда маляра пахнет скипидаром и краской, кондитера – орехом мускатным, шофера – бензином. Причина этого вызвана адсорбцией молекул газов на одежде, ткань которой является дисперсной системой. Адсорбция лежит в основе очистки, осушки, разделения газов и других процессов. Очистка растительных масел от красящих веществ, так называемый процесс отбеливания масел, осуществляется с помощью глинистых пород, выполняющих роль адсорбента.
На основе адсорбции производят очистку и осветление воды, которую в дальнейшем используют для питья и технических нужд. Адсорбция обеспечивает закрепление молекул красителя на тканях. Восприятие человеком запаха и вкуса зависит от адсорбции молекул соответствующих веществ в носовой полости и на языке.

При помощи различных твердых адсорбентов производится улавливанье ценных паров и газов, осветление растворов в производстве сахара, глюкозы, многих фармацевтических препаратов, нефтепродуктов.

Адсорбция (от лат. ad - на, при и sorbeo - поглощаю), поглощение какого-либо вещества из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твёрдого тела.

Одним из адсорбентов является активированный уголь (активный, карболен) (от лат. carbo activatus) - вещество с развитой пористой структурой, которое получают из различных углеродсодержащих материалов органического происхождения. Наиболее качественными, из доступных сорбентов являются уголь из кокосовой скорлупы и березовый (БАУ-А) уголь.

С точки зрения химии активированный уголь – это одна из форм углерода с несовершенной структурой, практически не содержащая примесей. Активированный уголь на 87-97 % по массе состоит из углерода, также может содержать водород, кислород, азот, серу и другие вещества.

Историческая справка

Примечательная способность древесного угля поглощать (адсорбировать) разнообразные пары, газы, пахучие и красящие вещества из растворов впервые была обнаружена в конце 18 века. В 1773 году известный химик Карл Шееле наблюдал адсорбцию газов на древесном угле. С точностью до дня (5 июня 1785 г.) датируется обнаружение Тобиасом Ловицем адсорбции (поглощения) из растворов веществ древесным углем. Ловиц применял древесный уголь для очистки самых различных продуктов (лекарств, питьевой воды, хлебной водки, мёда и других сахаристых веществ, селитры и т.п.) . А в 1794 г. активный уголь был использован для осветления сиропов на сахарно-рафинадном заводе в Англии.

В 19 столетие исследования адсорбционных свойств угля было продолжено, но только в начале 20 века были заложены основы промышленного производства активных углей. В первую мировую войну Н.Д. Зелинский разработал противогазы на основе древесного активного угля. Это изобретение спасло тысячи жизней и послужило толчком к дальнейшему исследованию способности углей поглощать различные пары и газообразные вещества, что привело к расширению областей применения активных углей.

Способы получения

Для получения активных углей может использоваться разнообразное органическое сырьё (торф, бурый и каменный уголь, антрацит, древесный материал). Угли, отличающиеся высокой механической прочность и адсорбционной способностью, получают из скорлупы кокосовых орехов. Упрощённо процесс производства активного угля можно свести к двум стадиям: карбонизация и активация. На первой стадии производства активного угля исходный материал подвергается термической обработке без доступа кислорода, в результате которой из него удаляются летучие (влага и частично смолы), он уплотняется, приобретает прочность. Структура полученного материала крупнопористая, обладающая незначительной внутренней поверхностью, вследствие чего он не может быть использован как промышленный адсорбент. Задача получения развитой микропористой структуры решается на стадии активации. Активация проводится двумя способами: окисление газом или паром и обработка химическими реагентами. Для активирования газами используются кислород (воздух), водяной пар и диоксид углерода.

Области применения активированных углей

На сегодняшний день активные угли выпускаются в большом количестве и ассортименте и нашли применение в следующих областях: очистка питьевой и сточных вод; очистка оборотных вод на предприятиях; осветление сахарных сиропов; очистка газов и рекуперация паров; получение медикаментов; очистка спиртоводных растворов и вин; использование в качестве катализаторов и носителей катализаторов; в золотодобывающей промышленности для извлечения золота из рабочих растворов.

Подготовка питьевой воды

Уникальность свойств активированных углей и определило разнообразие областей применения данного продукта. Проблема наличия чистых источников питьевой воды, а также длительного хранения её запасов всегда остро стояло перед человеком. С увеличением народонаселения нашей планеты, а также с бурным развитием промышленности, масштабы загрязнения пресных водоёмов значительно возросли, что заставило искать эффективные методы очистки вод. Универсального метода очистки вод от нежелательных примесей не существует, но использование некоторых из них одновременно позволяет достигнуть необходимую степень очистки. Основной задачей при очистке вод является улучшение их вкусовых качеств (дезодорация воды). Наиболее эффективным методом удаления из воды ряда органических и неорганических примесей признан сорбционный метод очистки на активном угле. Этот способ применяется на станциях водоподготовки с первой половины XX века.

Самым радикальным способом очистки воды является ее дистилляция , когда в результате перегонки удаляются все примеси и растворенные соли. Но, как считают ученые-гигиенисты, постоянное употребление такой воды нежелательно, т.к. может привести к нарушению солевого баланса.

Задача улучшения качества питьевой воды может быть решена, если правильно использовать разнообразные фильтры для доочистки воды.

Б ольшое распространение в быту получили фильтры-кувшины, в которых вода проходит через сменный картридж в нижний сосуд. Фильтрующий элемент картриджа содержит активированный уголь и гранулы ионообменной смолы.

Активированные угли являются универсальными сорбентами, применяемыми для удаления примесей различной химической природы. Традиционно лучшими для очистки воды считаются угли, полученные из скорлупы кокосового ореха. Количество пор на единицу площади в таком угле, например, в 4 раза больше, чем в березовом.

Применение активных углей в золотодобывающей промышленности.

При прокачивании раствора цианида золота через тонкопористый активный уголь происходит восстановление золота и адсорбция его на угле.

Помимо золота активные угли широко используются для извлечения других металлов. Ряд селективности имеет следующий вид:

Au > Ag > Fe > Cu > Ni > Co > Zn

То есть, из раствора лучше будет адсорбироваться золото, по сравнению с металлами, стоящими правее в ряду селективности.

Очистка воздуха и газов

Активные угли широко используются для очистки воздушных сред. Примером является рекуперация паров растворителей посредством адсорбции на активном угле. Типичные растворители, которые можно рекуперировать на активном угле – диэтиловый эфир, ацетон, спирты, бензин, толуол, гексан, бензол, фторсодержащие углеводороды, трихлорэтан, а также сероводород и др.

Активированный уголь в медицине

Уже около 1550 г. до н.э., в старом египетском папирусе упоминалось о применении древесного угля в медицине.

Активированный уголь адсорбирует много токсичных веществ. Считается, что его следует применять на протяжении двух часов с момента отравления. За это время уголь в состоянии связать большую часть токсинов в желудочно-кишечном тракте.

Главным образом, активированный уголь используется при разных отравлениях и диарее. Тем не менее, несмотря на то, что уголь адсорбирует много разных токсинов, действует он не на все токсины.

Уголь также адсорбирует токсины, вырабатываемые бактериями. О его использовании во время лечения антибиотиками нужно проконсультироваться с врачом, потому что кроме токсинов уголь может адсорбировать и лекарства.

Уголь не следует применять в случае отравления сильными кислотами, непищевыми спиртами, растворителями и тяжелыми металлами. Уголь также не адсорбирует некоторые пестициды.

Активированный уголь адсорбирует все вещества и не имеет селективности. Кроме часто заявляемых производителем токсинов и вредных веществ, уголь также адсорбирует полезные и нужные организму вещества. Поэтому уголь нужно разносить по времени с применением других веществ минимум на 2 часа, иначе все лекарства и полезные добавки будут адсорбированы углём. Применять уголь разумно только когда это действительно необходимо, т.е. в случае отравления .

Практическая часть

Исследование

Адсорбционная способность активированного угля.

Цель работы: изучить адсорбционную способность активированного угля.

Задачи:

Проверить адсорбционную способность активированного угля в лаборатории и дома;

Выявить влияние природы растворителя на адсорбцию;

Качественно проследить адсорбционную способность для слабоокрашенных растворов.

Исследования в школьной лаборатории.

Исследование №1. Адсорбция активированным углем различных веществ из растворов.

Цель работы : изучили адсорбцию активированным углем различных веществ из растворов.

Ход работы. В химический стакан, мерным цилиндром отмерили по 5 мл 0,01% -х растворов – фуксина, малахитового зеленого, сульфата меди, йода, дихромата калия. В каждый стакан внесли по 0,25г растертого активированного угля. После взбалтывания через 5-10 минут смеси фильтруют через обычные фильтры (9.00 hm ).

Наблюдение : фуксин – обесцветился;

малахитовый зеленый – обесцветился;

йод – желтый, прозрачный;

сульфат меди – голубой;

дихромат калия – ярко желтый, прозрачный.

Вывод : чем прозрачнее и светлее жидкость, тем лучше произошла адсорбция, т.е. фуксин и малахитовый зеленый адсорбируют лучше всего.

Исследование №2. Адсорбция ионов свинца активированным углем.

Цель работы : изучили адсорбцию активированным углем ионов свинца.
Ход работы. В два химических стакана, мерным цилиндром отмерили по 5 мл. 0,05%-го раствора азотнокислого свинца. В одну пробирку добавили 2 капли раствора йодистого калия для доказательства наличия ионов Pb 2+ в растворе.
В другую пробирку добавили 0,2 г древесного угля и взбалтывали в течение 5 мин. Отфильтровали раствор и проверили присутствие ионов Pb 2+ реакцией с йодистым калием.
Наблюдение : в первой пробирке образовался осадок, а во второй нет.

Вывод: ионы свинца адсорбируются активированным углем.

Исследование №3. Влияние природы вещества на адсорбцию.

Цель работы : изучили влияние природы растворителя на адсорбцию активированным углем.
Ход работы. В один химический стакан налили 5 мл.0,01% водного раствора фуксина, в другой стакан такое же кол-во, спиртового раствора фуксина. В оба стакана внесли по 0,2 г. угольного порошка и взбалтывали 5 мин. Отфильтровали растворы.

Наблюдение : спиртовой раствор фуксина остался без изменений, а водный раствор фуксина обесцветился.

Вывод: Фуксин плохо растворим в воде и хорошо - в спирте. Соответственно, из воды он будет как бы выталкиваться на границу раздела, как плохо сольватированное вещество. Адсорбция на угле будет высокая. А из спирта он адсорбироваться будет плохо, потому что хорошо им сольватирован, и ему не слишком выгодно уходить на границу раздела. Кроме того, если сравнивать с водой, то сам спирт можно считать ПАВ. Поэтому он до некоторой степени будет вытеснять фуксин с поверхности угля и сам занимать эту поверхность.

Исследования в домашних условиях.

Исследование № 4. Адсорбция кувшином «Аквафор» холодной воды из крана.

Цель работы: изучили адсорбционные способности фильтра-кувшина АКВАФОР

Ход работы. Для опыта мы взяли:

Глубокую миску белого цвета, воду из крана, фильтр-кувшин с картриджем «Аквафор»

В белую чистую миску, налили холодную воду из крана. Вода прозрачная но с примесью ржавчины. Перелили часть воды в кувшин с картриджем, а часть оставили как контрольный образец. После того как, вода была отфильтрована кувшином «Аквафор», перелили воду в чистую белую миску и сравнили полученный образец из фильтра с начальным образцом из крана.

Наблюдение : образец из фильтра прозрачный, без видимых загрязнений.

Вывод : активированный уголь, находящийся в фильтре справился со своей задачей по очистке воды от видимых загрязнений, т.е. ржавчины.

Исследование № 5. Адсорбция активированным углем брусничного сиропа.

Цель работы : изучили поглотительную способность активированного угля частиц красящего органического вещества из сиропа.

Ход работы. Для опыта мы взяли:

Два прозрачных стакана; 5 таблеток активированного угля в таблетках; брусничный сироп.

В один стакан с сиропом добавили толченный активированный уголь. Оставили наш исследуемый раствор на некоторое время. Во второй, контрольный, стакан также налили брусничный сироп, но активированного угля не добавили.

Наблюдение: контрольный стакан по-прежнему содержит брусничный раствор, а в исследуемом стакане с активированным углем раствор поменял окраску на светло-коричневую, и стал прозрачным.

Вывод: активированный уголь адсорбировал или поглотил частички органического красителя из его раствора.

Вывод:

Активированный уголь продемонстрировал нам свои адсорбционные способности, т.е. поглощающие свойства.

Почему же, эта маленькая черненькая таблеточка способна так эффективно поглощать различные вещества?

Все дело в особой углеродной структуре, которая представляет собой слои атомов углерода, расположенных хаотично относительно друг друга, из-за чего между слоями образуется пространство – поры. Эти поры как раз и придают активированному углю его свойства – поры способны поглощать и удерживать в себе другие вещества. И пор этих невероятное количество. Так, площадь пор всего 1 грамма активированного угля может доходить до 2000м 2 !

Мы сделали вывод своими исследованиями, что не все вещества полностью адсорбируются активированным углем.

Одной из причин того, что эти вещества остались в растворе, и окраска не изменилась, может быть то, что размеры молекул этих веществ больше чем размеры пор адсорбента. А так же, между молекулами вещества и поверхность пор активированного вещества не возникли силы притяжения ://

Литература

Аликберова Л.Ю. Полезная химия: задачи и истории/Л.Ю. Аликберова, Н.С. Рукк. – 3-е изд., стереотип. – М. : Дрофа, 2008. – 187 с.

Астафуров В. И. Основы химического анализа. М.: Просвещение, 1982.

Васильев В.П. Аналитическая химия Физико-химические методы анализа / В.П.Васильев. - 6-е изд., стереотип. М.: Дрофа, 2007. – 383 с.

Васильев В.П. Аналитическая химия Лабораторный практикум / В.П.Васильев, Р.П. Морозова; под ред. В.П. Васильева – 3-е изд., стереотип. М.: Дрофа, 2006. – 414 с.

Мир химии. СПб, М.: М-Экспресс, 1995г

Надпись на упаковке: «Ваш уголь не активирован. Для активации отправьте SMS-сообщение на номер 111» (Анекдот)

Наверное, сложно встретить человека, который бы не слышал об активированном угле. Всем известны его медицинские свойства, его используют в фильтровальных элементах, дамы пытаются с его помощью похудеть, а некоторые джентльмены используют его при изготовлении… э-э-э… скажем так, самодельных спиртных напитков. Но не все знают, что же он собой представляет и почему же его называют активированным. Разобраться в вопросе нам поможет небольшой эксперимент, который очень просто реализовать в домашних условиях.

Для опыта нам понадобятся:

Собственно, активированный уголь в таблетках, которым без труда можно разжиться в любой аптеке;
Йод, который на аптечной полке стоит где-то неподалеку от активированного угля;
Две прозрачные емкости – стаканы, колбы, баночки – то, что имеется у вас под рукой;
Немного воды.

Для начала растолчем штук десять таблеток активированного угля. Растолочь их будет проще, если добавить несколько капелек воды.

После этого добавляем примерно чайную ложку йода.

А затем пару столовых ложек воды.

Хорошенько все это дело размешаем.

В таблетки с углем добавляют крахмал, поэтому наша взвесь наряду с черным приобретает синий оттенок – это характерная реакция йода на присутствие крахмала.

Теперь оставляем наш раствор на некоторое время. Для того чтобы, как говорится, почувствовать разницу, во второй стакан также нальем йод и немного воды, но активированного угля добавлять не будем.

По прошествии пары часов видим, что контрольный стакан по-прежнему содержит бурый раствор йода. А вода в стакане с активированным углем очистилась и стала прозрачной. Ну, или почти прозрачной — у меня еще не весь уголь осел на дно, поэтому вода выглядит немного мутноватой. Но это вопрос времени — если бы я подождал еще, то вода стала бы совсем чистая.

Так активированный уголь любезно продемонстрировал нам свои адсорбционные, т.е. поглощающие свойства. Ровно таким же образом активированный уголь действует при отравлениях или в фильтрующих элементах.

Почему же эта небольшая черненькая таблеточка способна так эффективно поглощать различные вещества? И почему аналогичными свойствами не обладает сердечник от простого карандаша или, скажем даже, алмаз – ведь они все состоят из углерода.

Весь фокус кроется в особом производстве активированного угля. Производство активированного угля состоит из двух этапов. Первый этап – это получение древесного угля. Он образуется при нагревании древесины без доступа кислорода. Однако полученный таким образом древесный уголь не способен выполнять функцию адсорбента – поры и микроканальцы в нем есть, но их довольно мало и они закрыты. Тогда древесный уголь подвергают активации – это второй этап, в процессе которого уголь либо нагревают, предварительно пропитав его специальными химическими соединениями, либо обрабатывают перегретым водяным паром. В обоих случаях процесс протекает без доступа кислорода, чтобы уголь не загорелся.

В результате этих операций получается особая углеродная структура, которая представляет собой слои атомов углерода, расположенных хаотично относительно друг друга, из-за чего между слоями образуется пространство – поры. Эти поры как раз и придают активированному углю его свойства – поры способны поглощать и удерживать в себе другие вещества. И пор этих невероятное количество. Так, площадь пор всего 1 грамма активированного угля может доходить до 2000 м 2 !

Удачных вам экспериментов!

Аннотация научной статьи по экономике и экономическим наукам, автор научной работы - Белоусов К.С., Минькова А.А., Генералова К.Н., Олонцев В.Ф.

Похожие темы научных работ по экономике и экономическим наукам, автор научной работы - Белоусов К.С., Минькова А.А., Генералова К.Н., Олонцев В.Ф.,

Текст научной работы на тему «Методы испытания осветляющей способности активированных углей по мелассе»

Как работает активированный уголь?

Очищение организма углём при отравлении

Активированный уголь в косметике

Напитки на основе активированного угля

Очищение кожи с помощью активированного угля

Отбеливание зубов с помощью угля

Опыт - как активированный уголь адсорбирует

1. Поглотитель запахов в холодильнике

2. Плесень и грибок дома

3. Фильтр для воды

4. Ароматизатор воздуха

5. Неприятный запах ног

6. Маска от черных точек

7. Средство от похмелья

8. Косметический лед

9. Чистота волос

10. Скраб для тела

11. Тушь для ресниц

Видео-бонус:

12. Средство для умывания

13. Детокс эффект

Видео-бонус: