Активированный уголь

Активированный уголь (carbo activatus)
Действующее вещество
Активированный уголь
Классификация
АТХ	A07BA01
Лекарственные формы
таблетки, гранулы, капсулы
Торговые названия
Уголь активированный, Карбопект, Сорбекс, Ультра-адсорб

Активированный (активный) уголь — пористое вещество, которое получают из различных углеродсодержащих материалов органического происхождения: древесный уголь (марки активированного угля БАУ-А, ОУ-А, ДАК^[1] и др.), каменноугольный кокс (марки активированного угля АГ-3, АГ-5, АР и др.), нефтяной кокс, кокосовый уголь и др. Содержит огромное количество пор и поэтому обладает очень большой удельной поверхностью на единицу массы, вследствие чего обладает высокой адсорбцией. 1 грамм активированного угля в зависимости от технологии изготовления имеет поверхность от 500 до 1500 м².^[2] Применяют в медицине и промышленности для очистки, разделения и извлечения различных веществ.

Химические свойства и модифицирование

Обычный активированный уголь является довольно реакционоспособным соединением, способным к окислению кислородом воздуха и кислородной плазмой ^[3], ^[4], ^[5], ^[6], ^[7], ^[8], ^[9], ^[10], водяным паром ^[11], ^[12], ^[13], а также углекислым газом ^[7] и озоном ^[14], ^[15], ^[16]. Окисление в жидкой фазе проводят целым рядом реагентов (HNO₃, H₂O₂, KMnO₄) ^[17], ^[18], ^[19]. За счет образования большого количества основных и кислотных групп на поверхности окисленного угля его сорбционные и другие свойства могут существенно отличаться от неокисленного ^[20]. Модифицированный азотом уголь получают либо исходя из азотсодержащих природных веществ либо полимеров ^[21], ^[22], либо обработкой угля азотсодержащими реагентами ^[23], ^[24], ^[25]. Также уголь способен взаимодействовать с хлором ^[26], ^[27] бромом, ^[28] и фтором ^[29]. Важное значение имеет серусодержащий уголь, который синтезируют разными путями ^[30], ^[31] В последнее время химические свойства угля принято объяснять наличием на его поверхности активной двойной связи ^[16], ^[32], ^[33]. Химически модифицированный уголь находит применение в качестве катализаторов, носителей для катализаторов, селективных адсорбентов, в получении особо чистых веществ, в качестве электродов литиевых аккумуляторов.

Как работает уголь

Есть два основных механизма, которыми активизированный углерод удаляет загрязнители из воды: адсорбция и каталитическое сокращение (процесс, заставляющий притягиваться отрицательно заряженные ионы загрязнителя к положительно заряженному активированному углероду). Органические соединения удаляются адсорбцией, а остаточные дезинфицирующие средства, такие как хлор, и хлорамины удаляются каталитическим сокращением.

Производство

Хороший активированный уголь получается из ореховой скорлупы (кокосовой, из косточек некоторых плодовых культур.) Прежде активированный уголь делали из костей крупного рогатого скота (костный уголь^[34]). Сущность процесса активации состоит во вскрытии пор, находящихся в углеродном материале в закрытом состоянии. Это делается либо термохимически (предварительно материал пропитывают раствором хлорида цинка, карбоната калия или некоторыми другими соединениями и нагревают без доступа воздуха), либо путём обработки перегретым паром или углекислым газом или их смесью при температуре 800—850 градусов. В последнем случае технически сложно получить парогазовый агент, имеющий такую температуру. Широко распространён приём подачи в аппарат для активации одновременно с насыщенным паром ограниченного количества воздуха. Часть угля сгорает и в реакционном пространстве достигается необходимая температура. Выход активного угля в этом варианте процесса заметно снижается. Значение удельной поверхности пор у лучших марок активных углей может достигать 1800—2200 м²; на 1 г угля.^[2] Различают макро-, мезо- и микро- поры. В зависимости от размеров молекул, которые нужно удержать на поверхности угля, должен изготавливаться уголь с разными соотношениями размеров пор.

Применение

В противогазах

Классический пример использования активированного угля связан с использованием его в противогазе. Разработанный Н. Д. Зелинским противогаз спас множество жизней солдат в первой мировой войне. К 1916 году он был принят на вооружение почти во всех европейских армиях.

При производстве сахара

Первоначально для очистки сахарного сиропа от красящих веществ при сахароварении использовался костный активированный уголь. Однако этот сахар нельзя было употреблять в пост, как имеющий животное происхождение. Сахарозаводчики начали выпускать «постный сахар», который либо не очищался и имел вид цветных помадок, либо чистился через древесный уголь.

Другие области применения

Активированный уголь применяется в медицине, химической, как носитель катализаторов, а во многих реакциях сам действует в качестве катализатора, фармацевтической и пищевой промышленности. Фильтры, содержащие активированный уголь, используются во многих современных моделях устройств для очистки питьевой воды.

Характеристики активированного угля

Размер пор

Определяющее влияние на структуру пор активированных углей оказывают исходные материалы для их получения. Активированные угли на основе скорлупы кокосов характеризуются большей долей микропор (до 2 нм), на основе каменного угля — большей долей мезопор (2-50 нм). Большая доля макропор характерна для активированных углей на основе древесины (более 50 нм).

Микропоры особенно хорошо подходят для адсорбции молекул небольшого размера, а мезопоры — для адсорбции более крупных органических молекул.

Йодный индекс

Большая часть углерода предпочтительно адсорбируют маленькие молекулы. Йодный индекс — самый фундаментальный параметр, используемый, чтобы характеризовать активированную углеродистую работу. Йодный индекс — мера уровня активности (более высокое число указывает на более высокую степень активации), часто измеряется в мг/г (типичный диапазон 500—1200 мг/г). Йодный индекс — это также мера содержания микропоры активированного угля (от 0 до 20 Å), или до 2 нм), что эквивалентно площади поверхности углерода между 900 м²/г и 1100 м²/г. Это стандартная мера при использовании активированного угля для очистки веществ в жидкой фазе.

Твердость

Это мера сопротивления активированного угля истиранию. Это важный индикатор активированного угля, необходимый для поддержания его физической целостности и противостояния фрикционным силам, процессу обратной промывки и т. д. Есть значительные различия в твердости активированного угля, в зависимости от сырья и уровня активности.

Гранулометрический состав

Чем меньше размер частицы активированного угля, тем лучше доступ к площади поверхности и быстрее уровень адсорбции. В системах фазы пара это нужно учитывать при снижении давления, которое затронет затраты энергии. Внимательное рассмотрение гранулометрического состава может обеспечить существенную операционную выгоду.

Фармакология

Оказывает энтеросорбирующее, дезинтоксикационное и противодиарейное действие. Относится к группе поливалентных физико-химических антидотов, обладает большой поверхностной активностью, адсорбирует яды и токсины из желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) до их всасывания, алкалоиды, гликозиды, барбитураты и др. снотворные, лекарственные средства для общей анестезии, соли тяжёлых металлов, токсины бактериального, растительного, животного происхождения, производные фенола, синильной кислоты, сульфаниламиды, газы. Активен как сорбент при гемоперфузии. Слабо адсорбирует кислоты и щёлочи, а также соли железа, цианиды, малатион, метанол, этиленгликоль. Не раздражает слизистые оболочки. При лечении интоксикаций необходимо создать избыток угля в желудке (до его промывания) и в кишечнике (после промывания желудка). Уменьшение концентрации угля в среде способствует десорбции связанного вещества и его всасыванию (для предупреждения резорбции освободившегося вещества рекомендуется повторное промывание желудка и назначение угля). Наличие пищевых масс в ЖКТ требует введения в высоких дозах, так как содержимое ЖКТ сорбируется углем и его активность снижается. Если отравление вызвано веществами, участвующими в энтерогепатической циркуляции (сердечные гликозиды, индометацин, морфин и др. опиаты), необходимо применять уголь в течение нескольких дней. Особенно эффективен в качестве сорбента при гемоперфузии в случаях острых отравлений барбитуратами, глютатимидом, теофиллином. Снижает эффективность одновременно принимаемых лекарственных средств, уменьшает эффективность лекарственных средств, действующих на слизистую оболочку ЖКТ (в том числе ипекакуаны и термопсиса).

Назначается при следующих показаниях: дезинтоксикация при повышенной кислотности желудочного сока при экзо- и эндогенных интоксикациях: диспепсия, метеоризм, процессы гниения, брожения, гиперсекреция слизи, HCl, желудочного сока, диарея; отравление алкалоидами, гликозидами, солями тяжёлых металлов, пищевая интоксикация; пищевая токсикоинфекция, дизентерия, сальмонеллёз, ожоговая болезнь в стадии токсемии и септикотоксемии; почечная недостаточность, хронический гепатит, острый вирусный гепатит, цирроз печени, атопический дерматит, бронхиальная астма, гастрит, хронический холецистит, энтероколит, холецистопанкреатит; отравления химическими соединениями и лекарственными средствами (в том числе фосфорорганическими и хлорорганическими соединениями, психоактивными лекарственными средствами), аллергические заболевания, нарушения обмена веществ, абстинентный алкогольный синдром; интоксикация у онкологических больных на фоне лучевой и химиотерапии; подготовка к рентгенологическим и эндоскопическим исследованиям (для уменьшения содержания газов в кишечнике).

Противопоказан при язвенных поражениях желудочно-кишечного тракта (в том числе язвенной болезни желудка и 12-перстной кишки, неспецифическом язвенном колите), кровотечениях из ЖКТ, одновременном назначении антитоксических лекарственных средств, эффект которых развивается после всасывания (метионин и др.).

В качестве побочных эффектов называются диспепсия, запоры или диарея; при длительном применении — гиповитаминоз, снижение всасывания из ЖКТ питательных веществ (жиров, белков), гормонов. При гемоперфузии через активированный уголь — тромбоэмболия, геморрагии, гипогликемия, гипокальциемия, гипотермия, снижение артериального давления.

Примечания

1. ↑ ГОСТ 6217-74
2. ↑ ^{1 2} Водоподготовка: Справочник. /Под ред. С. Е. Беликова. М.: Аква-Терм, 2007. — 240 с.
3. ↑ Gomez-Serrano V., Piriz-Almeida F., Duran-Valle C.J., Pastor-Villegas J. Formation of oxygen structures by air activation. A studu by FT-IR spectroscopy // Carbon. – 1999. –V.37. – P.1517-1528
4. ↑ Machnikowski J., Kaczmarska H., Gerus-Piasecka I., Diez M.A., Alvarez R., Garcia R. Structural modification of coal-tar pitch fractions during mild oxidation – relevance to carbonization behavior // Carbon. – 2002. –V.40. –P.1937-1947
5. ↑ Petrov N., Budinova T., Razvigorova M., Ekinci E., Yardim F., Minkova V. Preparation and characterization of carbon adsorbents from furfural // Carbon - 2000. - V.38, №15. - P.2069-2075
6. ↑ Garcia A.B., Martinez-Alonso A., Leon C. A., Tascon J.M.D. Modification of the surface properties of an activated carbon by oxygen plasma treatment // Fuel. – 1998. –V.77, №1 – P.613-624
7. ↑ ^{1 2} Saha B., Tai M.H., Streat M. Study of activated carbon after oxidation and subsequent treatment characterization // Process safety and environmental protection - 2001. - V.79, №B4. – P.211-217
8. ↑ Polovina M., Babic B., Kaluderovic B., Dekanski A. Surface characterization of oxidized activated carbon cloth // Carbon -1997. – V.35, №8. - P.1047-1052
9. ↑ Fanning P.E., Vannice M.A. A DRIFTS study of the formation of surface groups on carbon by oxidation // Carbon – 1993. – V.31, №5. – P.721-730
10. ↑ Youssef A.M., Abdelbary E.M., Samra S.E., Dowidar A.M. Surface-properties of carbons obtained from polyvinyl-chloride // Ind. J. of Chem. section a-inorganic bio-inorganic physical theoretical & analytical chemistry – 1991. – V.30, №10. – P.839-843
11. ↑ Arriagada R., Garcia R., Molina-Sabio M., Rodriguez-Reinoso F. Effect of steam activation on the porosity and chemical nature of activated carbons from Eucalyptus globulus and peach stones // Microporous Mat. – 1997. – V.8, №3-4. – P.123-130
12. ↑ Molina-Sabio M., Gonzalez M.T., Rodriguez-Reinoso F., Sepulveda-Escribano A. Effect of steam and carbon dioxide activation in the micropore size distribution of activated carbon // Carbon – 1996. – V.34, №4. – P.505-509
13. ↑ Bradley RH, Sutherland I, Sheng E Carbon surface: Area, porosity, chemistry, and energy // J. of colloid and interface science – 1996. – V. 179, №2. – P. 561-569
14. ↑ Sutherland I., Sheng E., Braley R.H., Freakley P.K. Effects of ozone oxidation on carbon black surfaces // J. Mater. Sci. – 1996. – V.31. - P.5651-5655
15. ↑ Rivera-Utrilla J; Sanchez-Polo M. The role of dispersive and electrostatic interactions in the aqueous phase adsorption of naphthalenesulphonic acids on ozone-treated activated carbons // Carbon – 2002. – V.40, №14. – P.2685-2691
16. ↑ ^{1 2} Valdes H., Sanchez-Polo M., Rivera-Utrilla J., and Zaror C.A. Effect of Ozone Treatment on Surface Properties of Activated Carbon // Langmuir – 2002. – V.18. – P.2111-2116
17. ↑ Pradhan B.K., Sandle N.K. Effect of different oxidizing agent treatments on the surface properties of activated carbons // Carbon. – 1999. – V.37, №8. – P.1323-1332
18. ↑ Acedo-Ramos M., Gomez-Serrano V., Valenzuella-Calahorro C., and Lopez-Peinado A.J. Oxydation of activated carbon in liquid phase. Study by FT-IR // Spectroscopy letters. – 1993. –V26(6). – P.1117-1137
19. ↑ Gomez-Serrano V., Acedo-Ramos M., Lopez-Peinado A.J., Valenzuela-Calahorro C. Stability towards heating and outgassing of activated carbon oxidized in the liquid-phase // Thermochimica Acta. – 1991. – V.176. – P.129-140
20. ↑ Тарковская, И.А. Окисленный уголь Текст.: учеб. пособие для вузов / И.А. Тарковская; Киев: Наукова думка. 1981. - 200 с
21. ↑ Stőhr B., Boehm H.P., Schlőgl R. Enhancement of the catalytic activiti of activated carbons in oxidation reactions by termal treatment with ammonia or hydrogen cyanide and observation of a superoxide species as a posible intermediate // Carbon. – 1991. – Vol. 26, № 6. – P. 707-720
22. ↑ Biniak S., Szymański G., Siedlewski J., Światkowski A. The characteri¬ zaíion of activated carbons with oxygen and nitrogen surface groups // Carbón. – 1997. – Vol.35, № 12. – P. 1799-1810
23. ↑ Boudou J.P., Chehimi M., Broniek E., Siemieniewska T., Bimer J. Adsorption of H2S or SO2 on an activated carbon cloth modified by ammonia treatment // Carbon. – 2003. – Vol. 41, № 10. – P. 1999-2007
24. ↑ Sano H., Ogawa H. Preparation and application nitrogen containing active carbons // Osaka Kogyo Gijutsu Shirenjo. – 1975. – Vol.26, №5. – P.2084-2086
25. ↑ ScienceDirect.com - Applied Catalysis A: General - The influence of surface functionalization of activated carbon on palladium dispersion and catalytic activity in hydrogen ox …
26. ↑ ScienceDirect.com - Carbon - The effect of chlorination on surface properties of activated carbon
27. ↑ http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/000862239400111C
28. ↑ ScienceDirect.com - Carbon - XPS Study of the halogenation of carbon black-part 1. Bromination
29. ↑ http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622397000031
30. ↑ ScienceDirect.com - Carbon - Formation of carbon black-sulfur surface derivatives by reaction with P2S5
31. ↑ ScienceDirect.com - Fuel - Sulfonic groups anchored on mesoporous carbon Starbons-300 and its use for the esterification of oleic acid
32. ↑ ScienceDirect.com - Catalysis Communications - Efficient carbon-based acid catalysts for the propan-2-ol dehydration
33. ↑ Chemical reactions of double bonds in activated carbon: microwave and bromination methods - Chemical Communications (RSC Publishing)
34. ↑ См. раздел «Костяной уголь» в ст. Кости // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

См. также

• Сорбенты
• Энтеросорбенты
• Древесный уголь
• Противогаз

Ссылки

• Чаусовский С. С. Активированный уголь (карболен)
• Активированный уголь БАУ-А — классификация, свойства