Досліднику на замітку

Активоване вугілля

Сировина і хімічний склад. Активоване (або активне) вугілля (від лат. carbo activatus) — це адсорбент – речовина з високо розвиненою пористою структурою, який одержують з різних вуглецевмісних матеріалів органічного походження (деревне вугілля, кам’яновугільний і нафтовий кокс, шкаралупа кокосового і грецького горіхів, кісточки абрикоса, маслин та інших плодів). Найкращим за якістю очищення і терміном служби вважається активоване вугілля (карболен), що вироблене з шкаралупи кокоса, а завдяки високій міцності його можна багаторазово регенерувати. Активоване вугілля з точки зору хімії – це одна з форм вуглецю з недосконалою структурою, що практично не містить домішок. Карболен, що на 87-97 % за своєю масою складається з вуглецю, також може містити водень, кисень, азот, сірку та інші речовини. За хімічним складом активоване вугілля подібне до графіту, що, зокрема, використовується у звичайних олівцях. Алмаз і графіт, що є іншими формами вуглецю, також  майже не мають домішок. 

Структура. Активоване вугілля відзначається величезною кількістю пор і тому має дуже велику поверхню (від 500 до 1500 м2  в 1 г карболену) , що обумовлює його високі адсорбційні якості. Власне кажучи,  високий рівень пористості  шляхом значного збільшення адсорбуючої поверхні  вугілля у процесі спеціальної його обробки – активації – і робить таке вугілля активованим. В залежності від розмірів молекул, які потрібно утримати на поверхні вугілля, виробляють карболени з різними співвідношеннями розмірів пор. Розрізняють макро-, мезо- и мікропори. Пори класифікують за лінійними розмірами – Х (півширина – для щілиноподібної моделі пор, радіус – для циліндричної або сферичної):

  • Х <= 0,6-0,7 нм – мікропори;
  • 0,6-0,7 < Х < 1,5-1,6 нм – супер- мікропори;
  • 1,5-1,6 < Х < 100-200 нм – мезопори;
  • Х > 100-200 нм – макропори.

Для адсорбції у мікропорах і супермікропорах, співрозмірних за розмірами з адсорбованими молекулами, характерним є механізм об’ємного заповнення.  Механізм адсорбції у мезопорах полягає у послідовному утворенні адсорбційних шарів (полімолекулярна адсорбція), що завершується заповненням пор за механізмом капілярної конденсації. Макропори слугують транспортними каналами, що підводять молекули речовин, які підлягають поглинанню, до адсорбційного простору гранул активованого вугілля. Оскільки мікро- и мезопори складають найбільшу частину поверхні карболенів, тому саме вони й визначають їхні адсорбційні властивості. Активоване вугілля на основі шкаралупи кокоса характеризується більшою часткою мікропор, а карболен з кам’яного вугілля – більшою кількістю мезопор. Переважання макропор властиве для активованого вугілля з деревини. 

У порах карболену має місце міжмолекулярне притягання, що спричиняє виникнення адсорбційних сил (Ван-дер-Вальсові сили), які за своєю природою подібні до сили гравітації з тією лише різницею, що діють вони на молекулярному, а не на астрономічному рівні. Ці сили обумовлюють реакцію, подібну до реакції осаду, при якій адсорбовані речовини можуть бути видалені з водних або газових потоків. Молекули  забруднювачів утримуються на поверхні активованого вугілля міжмолекулярними силами Ван-дер-Ваальса.

Між речовинами, що підлягають адсорбції, та  поверхнею активованого вугілля можуть виникати також і хімічні реакції (хімічна адсорбція або хемосорбція), однак в основному процес фізичної адсорбції відбувається при взаємодії активованого вугілля з адсорбованою речовиною. Хемосорбція широко застосовується у промисловості для очищення газів, дегазації, розділення металів, а також у наукових дослідженнях. Фізична адсорбція є оборотною, тобто адсорбовані речовини можуть бути відділеними від поверхні та повернені  у їх первісний стан при певних умовах. При хемосорбції, адсорбована речовина зв’язана з поверхнею за допомогою хімічних зв’язків, що змінюють  хімічні властивості. Тому хемосорбція є незворотною.

Деякі речовини (аміак, діоксид сірки, пари ртуті, сірководень, формальдегід, хлор, ціаністий водень)  слабо адсорбуються на поверхні карболенів. Для ефективного їх видалення використовують імпрегновані спеціальними хімічними реагентами карболени, що застосовуються для спеціального очищення повітря і води, у респіраторах, для військових цілей, в атомній промисловості тощо.

Виробництво. Для карболенів використовують печі різного типу і конструкції.  Спочатку вуглецевмісну сировину подрібнюють до розмірів часток 3-5 см, а потім піддають карбонізації (піролізу) – випалюванню при високій температурі в інертній атмосфері без доступу повітря для видалення летких речовин. На стадії карбонізації формується каркас майбутнього активованого вугілля – первинна пористість і міцність. Проте, одержане у такий спосіб карбонізоване вугілля (карбонізат) має погані адсорбційні властивості, оскільки розміри його пор невеликі та внутрішня площа поверхні дуже мала. Тому карбонізат піддають активації для одержання специфічної структури пор і поліпшення адсорбційних властивостей. Сутність процесу активації полягає у розкритті пор, що знаходяться у вуглецевому матеріалі в закритому стані. Термохімічна активація полягає у попередньому просочуванні матеріалу розчинами хлориду цинку ZnCl2, карбонату калію К2СО, деякими іншими сполуками та подальшому нагріванні карбонізату до 400-600°С без доступу  повітря. Найбільш поширеним способом активації є обробка вугілля перегрітою парою або вуглекислим газом СО2 , чи їх сумішшю при температурі 700-900°С у строго контрольованих умовах.
Активація водяною парою являє собою окислення карбонізованих продуктів до газоподібних у відповідності з реакцією: – С+Н2О -> СО+Н2; або при надлишку водяної пари – С+2Н2О -> СО2+2Н2. Широко поширеною є технологія подачі в апарат для активації одночасно з насиченою парою обмеженої кількості повітря. Частина вугілля згоряє, і в реакційному просторі досягається необхідна температура. Вихід активованого вугілля при цьому варіанті процесу помітно знижується. 
 Активоване вугілля також одержують термичним розкладанням синтетичних полімерів.

Активація водяною парою дозволяє одержувати вугілля з внутрішньою площею поверхні до 1500 м2 на грам вугілля. Тим не менш, не уся ця величезна площа  може бути доступною для адсорбції, оскольки крупні молекули адсорбованих речовин не можуть проникати у пори малого размеру. В процесі активації розвивається необхідна пористість і питома поверхня, відбувається значне зменшення маси твердої речовини, що називається обгаром.

При термохімічній активації утворюється грубопористе активоване вугілля, а при паровій активації –  дрібнопористе вугілля. Для одержання заданих параметрів здійснюється його додаткова обробка: відмивання кислотою, імпрегнування (просочування різними хімічними речовинами), подрібнення і висушування. 

Класифікація.  Активоване вугілля класифікується: за типом сировини, з якої воно виготовлене; за способом активації (термохімічна і парова); за призначенням (газове, рекупераційне, освітлювальне, носії каталізаторів-хімосорбентів); за  формою випуску (порошкове, гранульоване, формоване, екструдоване, просочена вугіллям тканина).

 Застосування. В якості адсорбента для поглинання парів з газових викидів, вловлювання парів летких розчинників та їх рекуперації, для очищення водних розчинів, питної та стічних вод, в протигазах, у вакуумній техніці, в газоадсорбційній хроматографії, для заповнення поглиначів запахів  у холодильниках, очищення крові, поглинання шкідливих речовин з шлунково-кишкового тракту.  Активоване вугілля також є носієм каталітичних добавок і каталізатором полімеризації, для чого у його макро- и мезопори вносять спеціальні добавки. З розвитком  атомних технологій цей карболен  став основним адсорбентом радіоактивних газів і стічних вод на атомних електростанціях.

Трохи історії. Ще у санскритських писаннях Стародавньої Індії говорилося, що питну воду необхідно попередньо пропускати через вугілля, витримувати у мідних сосудах та піддавати дії сонячних променів. Унікальні та корисні властивості вугілля були відомі у Стародавньому Єгипті, де деревне вугілля використовували у медичних цілях вже за 1500 років до н. е. В античному світі вугіллям  очищали питну воду, пиво і вино.

Наприкінці XVIII ст.  вчені знали, що карболен здатний поглинати різні гази, пари і розчинені речовини. У повсякденному житті люди помічали, що якщо при кип’ятінні води у каструлю, у якій перед тим варили обід, кинути декілька деревних вугликів, то попередній присмак і запах від їжі зникають. З часом активоване вугілля стали використовувати для очищення цукру, для вловлювання бензину в природних газах, при фарбуванні тканин, дублення шкіри. 

У 1773 році  німецький хімік Карл Шеєле повідомив про адсорбцію газів на деревному вугіллі. Позніше було встановлено, що деревне вугілля може також й знебарвлювати рідини. У 1808 році  його вперше застосували у Франції для освітлення цукрового сиропу. У часи першої світової війни було вперше використано активоване вугілля з шкаралупи кокосового горіха в якості адсорбенту в протигазних масках. І дотепер активоване вугілля визнається одним з кращих фільтруючих матеріалів.

Калькулятор інженера-гідравліка. Програма on-line гідравлічного розрахунку трубопроводу 

Гідравлічний розрахунок труб виконується для вибору оптимального діаметру при якому, втрати напору (тертя води до стінок труб)  будуть оптимальними та економічно вигідними. Втрати на 1 метрі труб, в залежності від матеріалу,  складають 80- 250 Па/м або 8-25 мм водяного стовпа. Швидкість води у трубах в залежності від діаметру повинна бути в певному діапазоні.  Максимальне значення швидкості води для систем опалення складає 1,5 м/с. Рекомендовані граничні значення швидкості води у трубопроводах для внутрішнього діаметру: 15 мм – 0,3 м/с, 20 мм – 0,65 м/с, 25 мм – 0,8 м/с, 32 мм – 1 м/с. Усі інші – не більше 1,5 м/с. У протипожежних трубопроводах допускаеться швидкість руху води до 5 м/с.

Коефіцієнт гідравлічного опору λ визначити за формулою: Альтштуля Кольбрука-Уайта     (ДБН іП для тепломереж)
Одиниця виміру об’єму Одиниця виміру тиску
Довжина, м Гідравлічний ухил 0
Коефіцієнт гідравлічного опору λ  
Абсолютна шорсткість, мм Коефіцієнт місцевих опорів, ξ
Температура води, оС Кінематична в’язкість,

ν(м2/сек)

Варіанти вихідних даних для розрахунку
Напір на початку труби, H1 В усіх варіантах H1 є вихідним для розрахунку
Напір у кінці труби, H2 H2 і Діаметр труби вихідні дані для розрахунку
Об’єм води Q, що проходить через переріз труби H2 і Об’єм води Q вихідні дані для розрахунку
Швидкість води V, м/сек Швидкість води V і Об’єм води Q вихідні дані для розрахунку
Діаметр труби, мм Діаметр и Об’єм води Q вихідні дані для розрахунку

Посилання: http://www.mathcentre.com.ua/gidravlicheskiy_raschet/index.php