Aktivní uhlí Silcarbon

SILCARBON = aktivní uhlí

1. Všeobecně
   
   1. Definice aktivního uhlí
      
   2. Struktura aktivního uhlí
      
   3. Výroba
      
   4. Definice adsorpce
      
   5. Adsorbovatelné látky
      
   6. Popis adsorpce
      
2. Druhy aktivního uhlí
   
   1. Druhy aktivního uhlí
      
   2. Použití práškového uhlí
      
   3. Použití zrněného uhlí
      
   4. Použití granulovaného uhlí
      
3. Impregnované aktivní uhlí
   1. Druhy
      
   2. Použití
      
4. Recyklace
   1. Desorpce
      
   2. Reaktivace
      

1. Všeobecně

1.1 Definice aktivního uhlí /podle CEFIC/

Aktivní uhlí je průmyslově vyráběný uhlíkatý produkt s pórovitou strukturou a velkým vnitřním povrchem. Může adsorbovat široké spektrum látek, tzn. látky jsou poutány k vnitřnímu povrchu a toto se označuje jako adsorpce.

Objem pórů aktivního uhlí je všeobecně větší než 0,2 ml/g, vnitřní povrch větší než 400 m²/g, šířka pórů je v rozmezí 0,3 - 1000 nm.

1.2 Struktura aktivního uhlí

Asi při 300-násobném zvětšení pod mikroskopem lze rozeznat při aktivním uhlí vyrobeném z kokosových skořápek celulární strukturu původního organického materiálu. Molekulární struktura aktivního uhlí se podobá struktuře grafitových destiček širokých několik atomů. Tvoří stěnu molekulárních otvorů tj. pórů aktivního uhlí. Hexagonální kruh uhlíkových atomů je často přerušen a tyto nepravidelnosti poskytují možnosti pro reakce na místech, kde je uhlíkový kruh přerušen.

Póry rozdělujeme podle jejich průměru:
mikropóry s poloměrem menším než 1 nm,
mezopóry s poloměrem 1 - 25 nm a
makropóry s poloměrem větším než 25 nm.
Aktivní uhlí vyrobené z kokosových skořápek má větší část pórů jako mikropóry.

1.3 Výroba

Aktivní uhlí se může vyrábět z každé uhlíkaté látky.
Aktivní uhlí Silcarbon je vyráběné z :
- kokosových skořápek
- kamenného uhlí /s extrémně nízkým obsahem popelu/
- dřeva.

Výroba aktivního uhlí z nepórovitých uhlíkatých materiálů se nazývá aktivace. Při aktivaci vzniká mikrokrystalický uhlík a velké množství různě velkých pórů. Rozeznáváme 2 hlavní výrobní metody:
- aktivace v plynné fázi: s vodní parou při teplotách 700 - 1000 °C působí částečná oxidace uhlíkatých látek. V surovině se tak vytváří požadovaná struktura pórů. Takto vznikají jemně pórovité druhy aktivního uhlí.
- chemická aktivace: na surovinu se působí dehydratačním činidlem /chlorid zinečnatý nebo kyselina fosforečná/ a při zahřívání na 400 - 600 °C se aktivuje. Tímto vznikají širokopórovité druhy aktivního uhlí (Silcarbon CW20), které jsou vhodné pro odbarvování.

1.4 Definice adsorpce

Obohacení látek na povrchu z okolní fáze je všeobecně nazývané adsorpcí. Na pevné látce /aktivní uhlí/ může probíhat adsorpce z plynné fáze jako i z kapalné fáze. Při adsorpci pronikají molekuly do sousední fáze.
Desorpcí rozumíme obrácení adsorpčního děje.

Při adsorpci rozeznáváme fyzikální adsorpci a chemisorpci.
Fyzikální adsorpce je založena na působení van der Waalsových sil. Při tomto procesu zůstávají adsorbované látky chemicky nezměněny. Fyzikální adsorpce je reversibilní děj, tzn. adsorbované látky se mohou za určitých podmínek získat v původním složení.
Při chemisorpci dochází k chemickým vazbám mezi adsorbovanými látkami a povrchem tak, že se mění jejich chemická struktura. Chemisorpce je ireversibilní.

1.5 Adsorbovatelné látky

Na aktivním uhlí se všeobecně adsorbují organické a nepolární látky, např. rozpouštědla, barviva, oleje apod. Přednostně se adsorbují vysokomolekulární látky a nepolární sloučeniny. Ve všeobecnosti platí, že adsorpční schopnost stoupá s bodem varu a molekulovou hmotností.

1.6 Popis adsorpce

Adsorpční schopnost v závislosti od koncentrace látky se vyjadřuje prostřednictvím adsorpční izotermy. Adsorpční izoterma popisuje rovnováhu mezi zbytkovou koncentrací látky v kapalině nebo plynné fázi a množstvím adsorbované látky. Platí, že čím vyšší koncentrace, tím vyšší adsorbované množství.
Pro příklad jsou na následujícím obrázku uvedeny adsorpční izotermy různých organických rozpouštědel ze vzduchu na aktivním uhlí Silcarbon.

2. Druhy aktivního uhlí

2.1 Druhy aktivního uhlí

Rozeznáváme tři druhy aktivního uhlí: práškové aktivní uhlí,
zrněné aktivní uhlí a
granulované aktivní uhlí.

Práškové aktivní uhlí - je definováno podle CEFIC, tak že 90 % částic je menší než 0,18 mm. Používá se pro průmyslové čistění kapalin, po adsorpci je potřebné aktivní uhlí odstranit z kapaliny filtrací.

Zrněné aktivní uhlí - je definováno podle CEFIC jako uhlí s min. 90 % obsahem částic nad 0,18 mm. Zrněné aktivní uhlí se skládá z drcených zrn s daným průměrem částic s tím , že se toleruje 5 % obsah nad a podsítné velikosti. Používá se hlavně pro čistění kapalin, hlavně vody. Aktivní uhlí se plní do adsorbérů nebo jiné filtrační jednotky. Pro čištění vzduchu se používá jen hrubě zrněné aktivní uhlí /2-5 mm/.

Granulované aktivní uhlí- je aktivní uhlí ve formě válečků s identickým průměrem a rozdílnou délkou. Granulované aktivní uhlí Silcarbon má následující průměry: 1,5 mm, 2mm, 3 mm, 4 mm, 8 mm. Granulované aktivní uhlí je používáno pro čistění vzduchu a plynů v adsorbérech a filtračních jednotkách.

2.2 Použití práškového uhlí

Čistění kapalin: odpadní voda, podzemní voda, plavecké bazény, solné roztoky, anorganické a organické kyseliny, chemický průmysl, farmaceutický průmysl, galvanotechnika, potravinářský průmysl, odbarvování apod.
Práškové aktivní uhlí Silcarbon má základní druhy: - aktivované vodní parou /jemně pórovité/ Silcarbon TH90, které se používá pro adsorpci nízkých koncentrací chlorovaných org. látek, zápachů apod.
- chemicky aktivované /hrubě pórovité/ Silcarbon CW20 k odbarvování a k adsorpci velkých molekul.

Pro optimalizaci použití práškového aktivního uhlí se doporučuje laboratorní pokus pro výběr typu aktivního uhlí, určení optimální dávky a optimálního kontaktního času.

I takto můžete vypadat při práci s práškovým aktivním uhlím jako na obrázku dole.

2.3 Použití zrněného uhlí

V zásadě máme dvě hlavní skupiny:
- jemně a středně zrněné od 0,3 do 3 mm -

Silcarbon K0.3-0.8 (0,3 - 0,8 mm)
Silcarbon K835 (0,5 - 2,5 mm)
Silcarbon S835 (0,5 - 2,5 mm)
Silcarbon K814 (1,4 - 2,5 mm)
Silcarbon K835spec. (0,5 - 2,5 mm)
Silcarbon S835spec. (0,5 - 2,5 mm)
Silcarbon K814spec. (1,4 - 2,5 mm)
pro čistění kapalin /odpadní voda, podzemní voda, voda pro bazény, pitná voda, akvaristika, galvanotechnika, apod./.

- hrubě zrněné od 3 do 5 mm -

Silcarbon K48 (2,4 - 4,8 mm)
Silcarbon S48 (2,4 - 5 mm)
Silcarbon C46 (3 - 5 mm)
Silcarbon S48spec (3 - 5 mm)
Silcarbon K48spec. (3 - 5 mm)
pro čistění vzduchu případně pro vysokorychlostní filtraci parních kondenzátů /K48spec., S48spec./.

Čistění vody - zásadně rozlišujeme mezi čistěním pitné, podzemní a odpadní vody. Pravidlem pro rozlišení jsou koncentrace znečištění. Při čistění vody se setkáváme se znečištěním ve formě rozpouštědel, halogenovaných uhlovodíků jako např. chlorované nebo fluor-chlorované uhlovodíky. Různé koncentrační rozsahy jsou podle rozpustnosti následující:
10 - 350 mikrogram/litr pro pitnou vodu,
10 - 1000 mikrogram/litr pro podzemní vodu a
10 - 2000 mikrogram/litr pro odpadní vodu.
Úprava vody pro bazény se do tohoto schématu nehodí, protože v tomto případě se jedná především o dechloraci a deozonizaci. Při úpravě různých druhů vody platí následující schéma: - odstranění hrubých nečistot, - adsorpce na aktivním uhlí.

Zrněné uhlí je používáno v adsorbérech s pevným lůžkem. Stacionární vrstvou aktivního uhlí protéká proud vody (většinou shora dolů). Pro odstranění hrubých nečistot se používají předřazené pískové filtry. Případné zbytkové nečistoty se odstraňují z aktivního uhlí zpětným proplachem. Rámcové podmínky pro úpravu vody na aktivním uhlí jsou následující:
- doba styku min. 15 minut , max. 60 minut,
- průtoková rychlost 5 - 15 m/hod,
- výška vrstvy min. 0,5 m, běžně 2 - 3 m,
- poměr filtrační výšky k průměru filtr. vrstvy asi 2 : 1,
- rychlost zpětného proplachu 30 - 40 m/hod (počítá se s 30 % expanzí vrtstvy).

Při výběru typu aktivního uhlí rozhoduje nejen jeho zrnitost, která je důležitá pro správnou funkci filtrační vrstvy (odpor proti průtoku vody, expanze při praní), ale i další parametry jako je pevnost. Pod pevností (tvrdostí) aktivního uhlí rozumíme vždy odolnost aktivního uhlí vůči otěru, tedy pevnost (tvrdost) aktivního uhlí a otěruvzdornost aktivního uhlí považujeme za ekvivalentní výrazy pro jednu a tu samou vlastnost. Lepší vyjádření tohoto termínu je otěruvzdornost, protože jednotlivé metodiky měření pevnosti (tvrdosti,odolnosti vůči mechanickému namáhání) aktivního uhlí (ASTM D 3802, AWWA B-604, ICUMSA 1979, ČSN 66 8421, CEFIC) používají působení mechanické síly na částice aktivního uhlí (míchání s kuličkami, míchání míchadlem, pád závaží, fluidní namáhání) a poté se měří v % množství vzniklých prachových částic, které vznikly v důsledku namáhání.
Lze měřit i klasickou pevnost částic, tj. sílu, potřebnou na rozdrcení jedné částice vyjádřenou v N. Pevnost v tomto vyjádření dosahuje u aktivního uhlí Silcarbon 180 N/částici, tzn. jedna částice vydrží zatížení 18 kg !
Tvrdost u aktivního uhlí nelze měřit tak, jak ji měříme u tuhých látek, tj. vtlačováním hrotu do rovné plochy materiálu (stupně Brinell, Shore), ale vždy ji měříme výše uvedenými metodikami, které simulují mechanické namáhání. Tato nepřesnost v pojmech i mezi odborníky je daná nepřesným překladem názvů metodik (Ball pan hardness - tvrdost v pánvi s kuličkami), kdy je ale rozhodující pro překlad metodika měření, proto je potřeba mluvit vždy o otěruvzdornosti (vyjádřené v %)a ne o tvrdosti.
Nejvyšší hodnoty otěruvzdornosti (tvrdosti, pevnosti)se dosahuje s aktivním uhlím Silcarbon vyrobených z kokosových skořápek - 99 %, tzn. po mechanickém namáhání vzniká jen 1 % prachových částic, tím je daná nejvyšší trvanlivost vrstvy při praní a vysokorychlostních filtrech, kdy se mechanické vlastnosti aktivního uhlí Silcarbon K blíží vlastnostem pískové náplně.
Aktivní uhlí vyrobené z kamenného uhlí se vyznačuje ve všeobecnosti nižší otěruvzdorností (pevností, tvrdostí), ale správným výběrem použité suroviny u aktivního uhlí Silcarbon S835 a Silcarbon S48 se dosahuje otěruvzdornosti až 95 %, zatímco konkureční aktivní uhlí má otěruvzdornost jen 75 %.

Při použití aktivního uhlí Silcarbon vyrobeného z kokosových skořápek (typy K) a kamenného uhlí (typy S) využíváme jeho velkou čistotu, která je daná použitím čisté suroviny, pro výrobu pitné vody. Skutečný obsah těžkých kovů v aktivním uhlí Silcarbon K je uveden v následující tabulce v mg/kg (ppm) v porovnání s požadovanými hodnotami podle Vyhlášky MZ č. 37/2001 Sb. o hygienických požadavcích na výrobky na úpravu vody:

Všechny zrněné (granular carbon) typy aktivního uhlí Silcarbon  plně vyhovují  normě EN 12915 – výrobky pro pitnou vodu (zrněné aktivní uhlí) a Standardu 61 ANSI/NSF.

2.4 Použití granulovaného uhlí

V zásadě rozlišujeme granulované uhlí podle průměru v mm:
1 mm Silcarbon SC66
1,5 mm Silcarbon SIL15, SC15
3 mm Silcarbon SIL40-3S
4 mm Silcarbon SIL40, SC40, SC44
8 mm Silcarbon SC80

Oblasti použití u nižších průměrů granulí - čistění vzduchu (malé filtry), čistění odpadní vody apod., 3 - 8 mm aktivní uhlí se používají na čistění vzduchu a plynů.

Čistění vzduchu- v mnoha průmyslových odvětvích ve výrobním procesu vznikají více méně toxické páry a plyny. Tyto látky se nesmí vypouštět do ovzduší. Nejčastějšími škodlivinami v odpadním vzduchu jsou rozpouštědla. Pro odstranění uhlovodíků, jako i chlorovaných látek je vhodné využít jejich adsorpční schopnosti na aktivním uhlí.

V zásadě rozlišujeme mezi čištěním vzduchu a rekuperací rozpouštědel. Pravidlem pro výběr metody je koncentrace dané látky v plynné fázi. Při velkých koncentracích je výhodné rozpouštědlo z aktivního uhlí desorbovat (např. parou) a zpětně použít.
Granulované aktivní uhlí se používá ve filtrech s pevným ložem. Stacionární vrstvou aktivního uhlí prochází čištěný vzduch nebo plyn (většinou zdola nahoru). Rámcové podmínky pro čištění vzdušin jsou:
- průtočná rychlost 0,1 - 0,5 m/s,
- kontaktní čas asi 0,1 - 0,5 s,
- výška vrstvy min. 0,5 m, většinou 1 - 3 m.

Na obrázku nahoře je použití aktivního uhlí Silcarbon v malých filtrech, dole je použití při adsorpci ze vzduchu ve velkých adsorbérech.

3. Impregnované aktivní uhlí

3.1 Druhy

3.2 Použití

Hlavní oblastí použití je čistění vzduchu. Při mnoha technických procesech se do odpadního vzduchu dostávají škodliviny, které aktivní uhlí odstraňuje málo. Jedná se o nízkomolekulární látky, které mají i při malých koncentracích toxické účinky. V tomto případě používáme odpovídající impregnační látky. Škodlivé látky jsou vázány více či méně komplikovanou chemickou reakcí s impregnantem a jsou takto odstraňovány z příslušné vzdušiny (chemisorpce).

4. Recyklace

Aktivní uhlí adsorbuje organické látky z vody a vzduchu a je těmito látkami kontaminováno. Tyto škodliviny se z aktivního uhlí dají získat. Adsorpce je reverzibilní proces a škodliviny lze odstranit z aktivního uhlí:
- desorpcí nebo
- reaktivací.

4.1 Desorpce

Desorpcí rozumíme obrácení adsorpčního procesu. Adsorpční účinek Van der Waalsových sil se sníží tak, že škodliviny jsou z aktivního uhlí uvolňovány. Používají se následující postupy:
- Teplotní - zvýšením teploty se sníží Van der Waalsovy síly tak, že se adsorbované látky uvolňují. K tomu se používá pára, tzv. rekuperace s vodní parou (110 - 160 °C) nebo ohřátý dusík. U nízkovroucích látek je možné tuto rekuperaci (adsorpce-desorpce) provést až 2000krát u Silcarbon SC40, 6000krát u Silcarbon FT40.
- Tlakový- snížením parciálního tlaku se dosáhne snížení Van der Waalsových sil a aktivní uhlí je desorbováno.
- Extrakční- desorpcí v kapalné fázi jsou adsorbované látky rozpuštěny do extrahovadla (např. fenol do xylenu. síra do sirouhlíku apod.).
Výše uvedené postupy neodstraní důkladně všechny látky, některé se na aktivním uhlí chemicky mění (polymerují) a jiné s velkou molekulovou hmotností a vysokým bodem varu zůstávají částečně vázány na aktivním uhlí.

Příkladem teplotní závislosti adsorpce jsou následující adsorpční izotermy dichlormetanu od teploty na aktivním uhlí Silcarbon.

4.2 Reaktivace

Reaktivací se rozumí úplná regenerace aktivního uhlí parou při teplotě vyšší než 600 °C. Škodliviny jsou při těchto teplotách spalovány bez významného vyhoření aktivního uhlí. Toto je možné jen tak, že obsah kyslíku při reaktivaci je velmi nízký a používá se jen určité množství páry. Vodní pára působí selektivně na vnitřní povrch aktivního uhlí a adsorbované látky jsou selektivně spalovány. Jen malá část aktivního uhlí se spotřebuje na tzv. opal. Toto množství se musí po reaktivaci nahradit s novým aktivním uhlím. Po reaktivaci se často stává, že vnitřní povrch reaktivovaného uhlí se zvětší a tím se zvětší jeho aktivita, ale změní se zastoupení jednotlivých pórů. Reaktivace se provádí v reaktivačních pecích. Rozeznáváme tři typy reaktivačních pecí:
- rotační pece,
- etážové pece,
- fluidní pece.

Aktivní uhlí Silcarbon je reaktivováno ve fluidních pecích. Fluidní pece se vyznačují malým opalem a malými ztrátami otěrem. Použité aktivní uhlí je ve fluidní peci transportováno na rošt, kde vzduch a spalné plyny udržují fluidní vrstvu aktivního uhlí. Plynem transportované spalné produkty jdou do dohořívací komory, kde jsou za přídavku kyslíku všechny nespálené produkty likvidovány při teplotě cca 1200 °C. Na spaliny se používá pračka plynů, kde se spaliny ochladí. Na zachycení HCl vzniklého při spalování chlorovaných uhlovodíků se používá roztok NaOH. Vysoká teplota a rychlé ochlazení zaručuje, že se nevytváří žádné jedovaté plyny (dioxin, furan apod.).

Expedice aktivního uhlí Silcarbon - jsme tu pro Vás!

Ukázka krásné expozice na výstavě Terratec v Lipsku.

Experti na aktivní uhlí se radí na výstavě EnviBrno 2001.

Josef Komárek
Silcarbon CZ
CZ-277 13 Kostelec nad Labem
tel.: +420-326981424 fax.: +420-326982284

E-mail: silcarbon@telecom.cz
WWW: http://web.telecom.cz/silcarbon/index.htm

Požaduji zaslat informace

Jméno FIRMA     
Váš e-mail 

Váš komentář - dotaz (pište bez diakritiky)

SILCARBON = aktivní uhlí