Aktívne uhlie

Aktívne uhlie

Aktívne uhlie alebo adsorpčné uhlie je spoločné meno pre skupinu umelo vytvorených, pórovitých uhlíkov s hubovitou štruktúrou. Vyznačujú sa veľkým aktívnym povrchom s vysokou schopnosťou adsorbovať široké spektrum mikro- a makromolekulárnych látok.

Princíp činnosti aktívneho uhlia

Adsorpcia je proces, pri ktorom látka priľne na povrch adsorbenta. Aktívne uhlie je najpoužívanejším adsorpčným médiom (adsorbentom). Radí sa medzi organické adsorpčné médiá, pretože organické molekuly, ako sú herbicídy, pesticídy a priemyselné rozpúšťadlá, rôzne druhy liečiv, fosfáty, majú schopnosť priľnúť na povrch aktívneho uhlia. Táto jeho absorpčná schopnosť je v niektorých prípadoch umocnená katalytickou schopnosťou. Napríklad chlór rozpustený vo vode sa na povrchu aktívneho uhlia mení v neškodný chlorid, sírovodík na síran atď.

Aktívny povrch

Aktívne uhlie, ako médium, môže byť vyrobené z niekoľkých materiálov. Ale, bez ohľadu na základný materiál, štruktúra povrchu každého aktívneho uhlia je špongiová. V dôsledku tejto štruktúry, má kávová lyžička aktívneho uhlia celkový aktívny povrch veľkosti futbalového ihriska:

Príklad: Kocka uhlíka s dĺžkou hrany 1 cm váži 2,2 g. Jej povrch je 6 cm² (6 strán × 1 cm²). Takáto kocka rozrezaná na 1 000 malých kociek s dĺžkou hrany 1 mm má plochu 60 cm² (1 000 kociek × 6 strán × 1 mm²). Ak týchto 1 000 kociek rozomelieme na prach, bude jeho povrch 6 000 cm² = 0,6 m² (10⁹ kociek × 6 strán × 10 µm²).
Vnútorná plocha od rovnakého množstva aktívneho uhlia môže byť až 2 000 m²!

Vo všeobecnosti sa udáva, že relatívny aktívny povrch aktívneho uhlia je 500 – 1 000 m²/g.

Výroba aktívneho uhlia

Aktívne uhlie sa vyrába z rašeliny, dreva, hnedého uhlia, čierneho uhlia a orechovej (kokosovej) škrupiny. Tieto materiály musia najskôr zuhoľnatieť. Pritom vznikajú len veľmi malé póry. Z aktívneho – porézneho systému sa pri tom odstránia nestále látky (vodík, kyslík, dusík, síra atď.). Zároveň sa uvoľnia aj dechtové produkty, ktoré sú usadené v jemne pórovitom uhlíku, tým sa uvolní a sprístupní rozsiahly skelet uhlíku. Toto sa deje pôsobením horúcich vodných pár pri teplote od 900 do 1 100 °C pri ktorej materiál zuhoľnatie. Pritom dôjde k oxidačnej chemickej reakcii medzi uhlíkom a vodou na vnútorných povrchoch uhlíka, ktorý odstraňuje aj uhlík zo stien pórov:

2 C + 3 H₂O → CO + CO₂ + 3 H₂

Veľkosť pórov sa dá „vyrobiť na mieru“ podľa typu aplikácie zmenou teploty, času pôsobenia pary a pod. Celosvetovo sa za rok vyrobí takmer 250 000 ton aktívneho uhlia.

Použitie

Výrobky, pri ktorých je použité aktívne uhlie pozná každý zo všedného dňa. Hoci je využitie aktívneho uhlia rôzne, princípom je využitie adsorpčného mechanizmu. Mnohé jeho funkcie sú niekedy skombinované v jednej aplikácii, ale majú jednoznačne odlišné úlohy, zatiaľ čo sa určitý druh aktívneho uhlia výborne hodí pre jednu aplikáciu, nemusí byť vhodný pre inú.

Priemysel

Čistenie výrobkov od nežiaducich prímesí:

• Čistenie bieleho cukru aby sa zbavil hnedej farby,
• čistenie jedlého oleja,
• čistenie liehu,
• čistenie mydla.

Medicína

Aj dnes sa ešte aktívne uhlie pod názvom Carbo medicinalis používa pri liečbe žalúdočno-črevných ťažkostí (Carbosorb, Carbotox, živočíšne uhlie). Aktívne uhlie sa používa aj pri hemoperfúzii pri otravách jedmi.

Ochrana zdravia a života

• Úplné ostránenie zápachu z ovzdušia.
• Filtre na kontrolu chuti a zápachu,
• filtre na odstraňovanie chlóru,
• odstraňovanie škodlivých organických chemikálií,
• náplň do plynových masiek a pod.

Použitie pri filtrácii vody v akváriu

Pred prvým použitím je nevyhnutné filtračnú vložku z aktívneho uhlia prepláchnuť dostatočne vodou a nevystavovať vplyvu priameho slnečného žiarenia. Filtračná vložka musí byť vymenená po skončení odporúčanej životnosti, pretože môže dôjsť k uvoľneniu zachytených nečistôt do vody a spôsobiť otravu akvária. Filtračné vložky s aktívnym uhlím zaraďujeme do filtrácie len za konkrétnym účelom. Na použitie pri bežnej prevádzke akvária napr. na prevenciu a pod. je aktívne uhlie nevhodné pretože odoberá dôležité látky potrebné pre faunu a flóru v akváriu.

Pretože účinnosť absorpcie aktívneho uhlia výrazne klesá s množstvom nerozpustených látok vo vode, treba predradiť vo filtrácii vhodnú mechanickú filtráciu. Môžeme použiť napr. molitan, filtračnú vatu, poprípade rôzne typy keramických filtračných médií. Odporúča sa umiestniť mechanickú filtráciu aj za aktívne uhlie, z uhlia sa uvoľňuje zákal, ktorý môže tvoriť film nečistôt na hladine.

História

Aktívne uhlie sa používa už veľmi veľa rokov. Malé množstvo aktivovaného uhlia dával svojim pacientom už Hippokrates, otec lekárstva, pred 2 500 rokmi.

Vedecký výskum aktívneho uhlia začal v r. 1785, keď Lowitz objavil jeho adsorpciu rozpustených látok. V roku 1812 podal správu o procese adsorpcie rôznych plynov Susurre, pričom opísal vznik tepla pri tomto procese. Gibbs odvodil v roku 1876 pomocou termodynamiky adsorpčný zákon.

Začiatkom 20. storočia boli matematicky opísané adsorpčné mechanizmy v rôznych vedeckých publikáciách. Prvé veľké technické použitie aktívneho uhlia našlo uplatnenie v roku 1923 vo firme Bayer AG, kde sa používalo na adsorbciu výparov z liehu a benzénu.

Regenerácia

Po vyčerpaní kapacity sa aktívne uhlie recykluje dvoma spôsobmi:

Desorpcia

Obrátenie adsorpčného procesu – znížením príťažlivých medzipovrchových Van der Waalsovych síl, až sa zachytené látky začnú uvoľňovať. Tu ide predovšetkým o teplotu. Čím je teplota vyššia, tým sú Van der Waalsove sily menšie. Prakticky sa to robí vodnou parou (110 – 200 °C). Podľa kvality aktívneho uhlia sa recyklácia desorpciou môže vykonať viac ako 1000×.

Reaktivácia

Úplná reaktivácia prehriatou vodnou parou (vyše 600 °C) za minimálnej prítomnosti kyslíka.

Forma aktívneho uhlia

Aktívne uhlie sa upravuje do rôznych foriem, podľa spôsobu aplikácie:

• Uhlíkové brikety
• Granulované aktívne uhlie
• Postriebrené granulované aktívne uhlie (striebro zamedzuje rast baktérií)
• Práškové aktívne uhlie
• Polyuretánové pláty napustené aktívnym uhlím