Активированный уголь реферат по химии
Обновлено: 02.07.2024
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
В современном мире организм человека подвергается воздействию большого количества негативных факторов. Вредные для здоровья вещества могут попадать в организм с пищей, воздухом, водой. Они вызывают отравления организма, способствуют возникновению аллергических реакций, нарушают работу внутренних органов. С давних пор для борьбы с отравлениями и выведением вредных веществ из организма люди использовали черный активированный уголь, который зарекомендовал себя недорогим и очень эффективным средством. Но в последнее время в аптеках в качестве альтернативного средства предлагают лекарство нового поколения – белый уголь, вещество гораздо более дорогое по цене и как обещают более эффективное. Мы решили установить, в чем заключается отличие между белым и черным активированным углем. Действительно ли существуют преимущества белого активированного угля над черным или это просто выгодный маркетинговый ход?
Объект исследования: белый и черный активированный уголь
Предмет исследования: адсорбирующие свойства белого и черного активированного угля
Цель исследования: определение экспериментальным путем адсорбирующих свойств белого и черного активированного угля
1. Изучить теоретические аспекты данной проблемы;
2. Найти способы изучения свойств;
3. Провести в школьных условиях исследование;
Гипотеза: если адсорбирующие свойства белого угля эффективнее, чем у активированного черного, то он является полноценной заменой
Практическая значимость: возможность применять данные в повседневной жизни.
Методы: эксперимент, анализ, обобщение
Глава 1. Теоретические аспекты данной проблемы.
1.1. Термины и определения.
Сорбенты (от лат. sorbens — поглощающий) — твердые тела или жидкости, избирательно поглощающие (сорбирующие) из окружающей среды газы, пары или растворённые вещества. В зависимости от характера сорбции различают абсорбенты — тела, образующие с поглощённым веществом твёрдый или жидкий раствор, адсорбенты — тела, поглощающие (сгущающие) вещество на своей (обычно сильно развитой) поверхности, и химические поглотители, которые связывают поглощаемое вещество, вступая с ним в химическое взаимодействие.
Активированный уголь — пористое вещество, которое получают из различных углеродосодержащих материалов органического происхождения: древесного угля , каменноугольного кокса , нефтяного кокса, скорлупы кокосовых орехов и других материалов. Содержит огромное количество пор и поэтому имеет очень большую удельную поверхность на единицу массы, вследствие чего обладает высокой адсорбционной способностью. Применяют в медицине и промышленности для очистки, разделения и извлечения различных веществ.
Адсорбенты — высокодисперсные природные или искусственные материалы с большой удельной поверхностью, на которой происходит адсорбция веществ из соприкасающихся с ней газов или жидкостей. Адсорбенты применяют для очистки воды от металлов и примесей, в противогазах, в качестве носителей катализаторов, для очистки газов, спиртов, масел, для разделения спиртов, при переработке нефти, в медицине для поглощения газов и ядов.
Абсо́рбция (лат. absorptio от absorbere — поглощать) — поглощение сорбата всем объёмом сорбента. Является частным случаем сорбции. Часто в процессе абсорбции происходит не только увеличение массы абсорбирующего материала, но и существенное увеличение его объема (набухание), а также изменение его физических характеристик – вплоть до агрегатного состояния.
Адсорбция (лат. ad — на, при, в; sorbeo — поглощаю) — увеличение концентрации растворенного вещества у поверхности раздела двух фаз (твердая фаза — жидкость). Адсорбция является частным случаем сорбции.
1.2. Химический состав и свойства чёрного активированного угля.
Активированный уголь — вещество с сильной пористой структурой. Получают его из материалов органического происхождения. Такими материалами являются: нефтяной кокс, древесный уголь, маслины, грецкий орех, косточки абрикоса и др. По качеству очистки лучшим считается активированный уголь (активный уголь), поскольку у него наибольший срок службы. Карболен (активированный уголь), сделанный из скорлупы кокоса, очень высокопрочен и легко восстанавливается.
Если смотреть на активированный уголь как на химический продукт – это форма углерода, которая почти не содержит примесей.
По структурным характеристикам активированный уголь относится к микрокристаллическим разновидностям углерода. Типичная для графита решетка нарушена в активированном угле – слои хаотично сдвинуты и имеют разное направление. Активированные угли содержат аморфный углерод. Этот состав определяет пористую структуру активированного угля, и его адсорбционные свойства.
Активированный уголь обладает поистине чудотворными свойствами. Многочисленные исследования доказали, что активированный уголь способен поглощать канцерогенные и токсические вещества, а также радионуклиды. Кроме того, активированный уголь понижает уровень холестерина, снижает боли при ишемии сердца и в суставах при полиартрите и даже способствует похудению.
Помимо этих замечательных свойств активированного угля, можно отметить, что он способствует улучшению общего состояния при сахарном диабете, а также препятствует образованию камней в желчном пузыре и в почках.
А то, что активированный уголь – эффективное средство при различных отравлениях, знают почти все.
1.3. Химический состав и свойства белого угля.
Белый уголь – что это такое? Это лекарственный препарат, который способствует адсорбции из желудочно-кишечного тракта и выведению из организма человека токсических веществ (например, продуктов жизнедеятельности микробов, бактериальных аллергенов и т.д.). -
Также следует отметить, что данное средство уменьшает проявления аллергических реакций, снижает нагрузку на печень и почки, корректирует обменные процессы, а также устраняет дисбаланс биологически активных веществ и усиливает работу кишечника. Белый активированный уголь рекомендуется в качестве диетической добавки к рациону питания, с целью профилактики и ослабления симптомов при: пищевых отравлениях различного происхождения (в том числе грибами и алкоголем); острых кишечных инфекциях; желудочных расстройствах; гепатитах (в том числе вирусных гепатитах А и В); почечной и печеночной недостаточности; аллергических заболеваниях.
Активными веществами белого угля являются микрокристаллическая целлюлоза и высокодисперсный диоксид кремния. Вспомогательные вещества – картофельный крахмал и сахарная пудра.
Диоксид кремния выводит из организма химические и микробные токсины, бактериальные и пищевые аллергены, продукты белкового распада, избыток кишечных газов и желудочного сока. Он содействует перемещению (а затем и выведению наружу) из лимфы и крови в кишечный тракт различных вредных веществ. Микрокристаллическая целлюлоза выделяется из растительной клетчатки. По своим характеристикам, она практически идентична натуральной целлюлозе, которую содержат пищевые продукты. Целлюлоза не расщепляется и не растворяется в кишечнике. Она адсорбирует на своей поверхности и удаляет из организма вредные вещества, продукты распада и токсины. В тонком кишечнике, благодаря целлюлозе улучшается пристеночное пищеварение, более полно всасываются и усваиваются полезные вещества из овощей и фруктов, лекарственные препараты и витамины.
1.4. Сравнительные свойства чёрного и белого угля.
Согласно клиническим исследованиям, на стороне белого угля немало преимуществ:
1. Сорбционные свойства препарата значительно превосходят свойства активированного угля. Для сравнения: 2-3 таблетки заменяют 10-12 таблеток черного угля.
2. Белый уголь проявляет избирательность при поглощении в кишечнике токсичных веществ без потерь полезных микроэлементов.
Можно не бояться, что возникнет дефицит витаминов и других полезных веществ.
3. Не вызывает кишечных расстройств и запоров.
4. Быстрее достигается клиническое улучшение при пищевых отравлениях.
5. Сохраняются защитных свойства слизистых; оказывается позитивное влияние на функции желудочно-кишечного тракта.
6. Обладает нейтральным вкусом, не содержит ароматических добавок. Очень хорошо переносится детьми в любом возрасте.
Глава 2. Экспериментальное обоснование адсорбирующих свойств белого и чёрного активированного угля.
2.1. Экспериментальная часть работы
Для того чтобы выяснить адсорбционные свойства белого и черного активированного угля, мы провели ряд опытов.
Описание опыта: для сравнения адсорбционных свойств белого и черного активированного угля, мы взяли три химических пробирки. В каждую пробирку налили немного раствора фиолетового лакмуса. Первую пробирку оставили контрольной, во вторую добавили таблетку измельченного активированного угля, а в третью одну таблетку измельченного белого угля. Опыт проводился при температуре 37 градусов по шкале Цельсия.
Ход опыта: при добавлении черного угля реакция происходит бурно с выделением газа и быстрым выпадением осадка. Белый уголь практически не растворяется. Через некоторое время раствор, в который был добавлен черный активированный уголь, начинает обесцвечиваться, а раствор с белым углем мутнеет, но не обесцвечивается. Через час растворы отстоялись: раствор с черным активированным углем обесцветился, а с белым активированным углем, помутнел, но не обесцветился. Через день раствор с черным углем стал бесцветным и прозрачным, а с белым – сохранил фиолетовый оттенок
Вывод: таким образом, черный активированный уголь обладает лучшими адсорбционными свойствами, чем белый уголь.
Описание опыта: в химическом стакане растворили пищевой краситель для окраски яиц. В три пробирки прилили одинаковый объём окрашенного раствора. Первую пробирку оставили контрольной, во вторую добавили таблетку измельченного активированного угля, а в третью одну таблетку измельченного белого угля. Опыт проводился при температуре 37 градусов по шкале Цельсия.
Ход опыта: через 20 минут мы заметили, что раствор красителя, в который добавили таблетку черного активированного угля, обесцветился, а раствор, в который добавили таблетку белого угля, практически не изменил окраску. Мы оставили растворам отстояться. Замечено, что раствор, в котором был добавлен черный активированный уголь, приобрел светло-розовый оттенок. А раствор, в который был добавлен белый активированный уголь, сохранил исходную окраску. Стоит также отметить, что реакция с черным активированным углем проходила бурно, с быстрым выпадением осадка, в отличие от белого угля, который проявил себя менее активно. Также стоит отметить, что белый уголь при взаимодействии с красителем окрасился в цвет красителя.
Вывод: таким образом, мы можем сделать вывод, что черный активизированный уголь обладает лучшими адсорбционными свойствами и является более эффективным в использовании, в отличии белого угля.
Описание: для опыта мы получили спиртовую вытяжку из зеленых листьев фасоли. Разбавили ее водой и разлили в три химических стакана. Первую пробирку оставили контрольной, во вторую добавили таблетку измельченного активированного угля, а в третью одну таблетку измельченного белого угля. Опыт проводился при температуре 37 градусов по шкале Цельсия.
Ход опыта: через 1 минуту раствор в пробирке с активированным черным углем приобрел черно-зеленый цвет, вытяжка начала обесцвечиваться, реакция происходит бурно, с выделением газа. Раствор в пробирке с белым активированным углем сохранил свой цвет, реакция происходит медленно, уголь медленно растворяется, но не меняет цвет раствора. Через день мы заметили, что черный уголь практически полностью обесцветил раствор. Белый активированный уголь немного изменил цвет раствора, но практически не обесцветил его.
Вывод: таким образом, черный активированный уголь в этом опыте справился с адсорбцией гораздо лучше белого угля.
Ход опыта: через 25 минут в пробирке с активированным черным углем черно-красная окраска раствора начала обесцвечиваться. Раствор в стакане с белым активированным углем сохранил свой цвет, реакция происходит медленно, не меняет цвет раствора. Через день мы заметили, что черный уголь частично адсорбировал краситель, раствор стал более
прозрачным. Белый активированный уголь раствор практически не обесцветил.
Вывод: таким образом, черный активированный уголь способен адсорбировать химические красители с более крупными частицами, а белый уголь нет.
Описание: в трех химических стаканах приготовили эмульсию растительного масла в воде. Первую пробирку оставили контрольной, во вторую добавили таблетку измельченного активированного угля, а в третью одну таблетку измельченного белого угля. Опыт проводился при температуре 37 градусов по шкале Цельсия.
Ход опыта: при добавлении углей к эмульсии часть черного и белого угля осталась на поверхности масляной пленки. После перемешивания никаких изменений не происходило. Через сутки с растворами ничего не произошло.
Вывод: таким образом, черный активизированный уголь и белый уголь не смогли адсорбировать маслянистое вещество.
Ход опыта: в обоих пробирках началась бурная реакция с выделением газа. Через 5 минут выделение газов закончилось. Через час никаких изменений не происходит. Через сутки растворы отстоялись. В пробирке с черным активированным углем раствор стал более светлым и прозрачным. Раствор в пробирке с белым углем сохранил свой цвет, реакция происходит медленно, уголь медленно растворяется, но не меняет цвет раствора.
Вывод: таким образом, черный активированный уголь в опыте с газированным напитком частично адсорбировал вещества из раствора, но не все. Белый уголь визуально с адсорбцией не справился.
Описание: в три химических пробирки налили раствор черного кофе. Первую пробирку оставили контрольной, во вторую добавили таблетку измельченного активированного угля, а в третью одну таблетку измельченного белого угля. Перемешали растворы.
Ход опыта: в обоих пробирках после перемешивания визуально не заметили никаких изменений. Растворы оставили на сутки. Растворы отстоялись. В пробирке с черным активированным углем раствор стал чуть светлее и прозрачнее. Белый уголь осел на дно пробирки, а с раствором никаких изменений не произошло.
Вывод: таким образом, черный активированный уголь в опыте с кофе частично адсорбировал вещества из раствора, но не все. Белый уголь с адсорбцией не справился.
Описание: в три химических пробирки налили раствор йода. Первую оставили контрольной, во вторую добавили таблетку измельченного активированного угля, а в третью одну таблетку измельченного белого угля. Перемешали растворы.
Ход опыта: через 1 минуту раствор в стакане с активированным черным углем приобрел темно синий цвет, раствор начал обесцвечиваться, реакция происходит бурно, с выделением газа. Раствор в стакане с белым активированным углем сохранил свой цвет, реакция происходит медленно, уголь медленно растворяется изменяет свой цвет . Темно синюю окраску раствора можно объяснить только наличием крахмала в составе таблеток черного активированного угля.
Вывод: таким образом, черный активированный уголь в опыте с йодом частично адсорбировал вещества из раствора, но не все. Белый уголь с адсорбцией не справился.
Описание: в три химических пробирки налили раствор бриллиантового зеленого. Первую оставили контрольной, во вторую добавили таблетку измельченного активированного угля, а в третью одну таблетку измельченного белого угля. Перемешали растворы.
Ход опыта: при добавлении черного угля реакция происходит бурно с выделением газа и быстрым выпадением осадка. Белый уголь практически не растворяется. Через некоторое время раствор, в который был добавлен черный активированный уголь, начинает обесцвечиваться, а раствор с белым углем мутнеет, но не обесцвечивается. Через час растворы отстоялись: раствор с черным активированным углем обесцветился, а с белым активированным углем, стал немного светлее. Через день раствор с черным углем стал бесцветным и прозрачным, а с белым – сохранил зеленоватый оттенок.
Вывод: таким образом, черный активированный уголь в опыте с бриллиантовым зеленым адсорбировал вещества из раствора, а белый уголь с адсорбцией не справился.
Описание: в три химических пробирки налили раствор перманганата калия. Первую оставили контрольной, во вторую добавили таблетку измельченного активированного угля, а в третью одну таблетку измельченного белого угля. Перемешали растворы.
Ход опыта: при добавлении черного угля реакция происходит бурно с выделением газа и быстрым выпадением осадка. Белый уголь также активно вступает в реакцию. Через некоторое время раствор, в который был добавлен черный активированный уголь, практически полностью обесцветился, так же как и раствор с белым углем Через час оба раствора отстоялись и стали прозрачными. Черный уголь и белый уголь увеличились в своем объёме.
Вывод: таким образом, белый и черный активированный уголь в опыте с перманганатом калия адсорбировали вещества из раствора
По итогам эксперимента нам удалось выяснить, что черный активированный уголь обладает лучшими адсорбционными способностями, быстрее вступает в реакцию с выпадением осадка, в отличие от белого угля.
В ходе практических опытов, проведенных нами, было установлено, что белый уголь обладает более слабыми адсорбционными свойствами. Он практически не адсорбирует вещества, медленно вступает в реакцию.
Таким образом, мы можем сделать вывод о том, что белый уголь не показал своей заявленной эффективности адсорбента четвертого поколения.
В наших экспериментах победителем оказался обычный черный активированный уголь, который благополучно прошел все испытания и доказал свою эффективность. Белый уголь уступает по большинству критериев черному углю, то есть не является полноценной заменой активированному углю
Активированный уголь (Carbo activatus - лат.) - уголь с развитой внутренней поверхностью и высокой адсорбирующей способностью.
Активировные угли - пористые углеродные тела, зерненные (гранулированные) и порошкообразные. Полезные свойства углей были известны еще в Древнем Египте, где древесный уголь использовали в медицинских целях уже за 1,5 тыс. лет до н.э. Древние римляне также пользовались углем для очистки воды, пива и вина. В настоящее время активированные угли занимают ведущее место среди фильтрующих материалов. Область применения активированных углей сильно расширилась. Активированные угли играют важную роль в защите окружающей среды.
Вложенные файлы: 1 файл
aktivnye_ugli_svoistva_poluchenie_primenenie.doc
Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
Введение
Активированный уголь (Carbo activatus - лат.) - уголь с развитой внутренней поверхностью и высокой адсорбирующей способностью.
Активировные угли - пористые углеродные тела, зерненные (гранулированные) и порошкообразные. Полезные свойства углей были известны еще в Древнем Египте, где древесный уголь использовали в медицинских целях уже за 1,5 тыс. лет до н.э. Древние римляне также пользовались углем для очистки воды, пива и вина. В настоящее время активированные угли занимают ведущее место среди фильтрующих материалов. Область применения активированных углей сильно расширилась. Активированные угли играют важную роль в защите окружающей среды.
Активированный уголь обладает высокоразвитой поверхностью, благодаря этому поглощает (адсорбирует) многие вещества (особенно хорошо углеводороды и их производные, слабее - спирт, аммиак, воду и другие полярные вещества). Тонкопористый активированный уголь получают термическим разложением (обугливанием без доступа воздуха) некоторых полимеров.
Размеры пор колеблются от 1,6 нм (при этом удельная поверхность достигает 1000 м2/г) до 200 и более нм (удельная поверхность около 1 м2/г). Тонкопористый активированный уголь хорошо адсорбирует даже при малых концентрациях или небольших парциальных давлениях. Для крупнопористого активированного угля характерно явление капиллярной конденсации.
Структура и свойства активных углей
Первоначально активный уголь обычно принимали за аморфную разновидность углерода, и только рентгеноструктурный анализ Гофманна впервые показал, что эти частицы представляют собой кристаллиты размерами 1—3 нм. Поэтому в настоящее время активный уголь относят к группе микрокристаллических разновидностей углерода. Хотя графитовые кристаллиты состоят из плоскостей протяженностью 2—3 нм, образованных шести-членными кольцами, типичная для графита ориентация отдельных плоскостей решетки относительно друг друга нарушена. Это означает, что в активных углях слои беспорядочно сдвинуты относительно друг друга и не совпадают в направлении, перпендикулярном плоскости слоев (рис. 1).
Рисунок 1 - Структура графитовых слоев:
а — упорядоченная структура в графите; б — неупорядоченная структура в микрокристаллическом углероде (активном угле).
Расстояние между слоями больше, чем у графита (0,3354 нм) и составляет от 0,344 до 0,365 нм. Диаметр заключенного в одной плоскости строительного элемента составляет 2,0—2,5 нм, а иногда и больше. Высота пачки слоев равна 1,0—1,3 нм. Таким образом, графитовые кристаллиты в активном угле содержат 3— 4 параллельных углеродных слоя.
Химическим подтверждением графитной структуры активных углей является возможность образования соединений внедрения.
Вследствие присутствия упорядоченной графитной структуры активные угли обычно характеризуются заметной электрической проводимостью. Отчасти она зависит от температуры активирования и возрастает при высоких температурах, так как при этом удаляются действующие в качестве изоляторов поверхностные кислородные соединения и образуются более крупные элементарные кристаллиты.
Кроме графитовых кристаллитов активные угли содержат от одной до двух третей аморфного углерода; наряду с этим присутствуют гетероатомы, в частности, кислород. В углях, полученных из сырья, богатого кислородом, содержание последнего также очень высокое.
Неоднородная масса, состоящая из кристаллитов графита и аморфного углерода, обусловливает необычную структуру активных углей. Между отдельными частицами появляются щели и трещины (поры) шириной порядка 10-10—10-8 м. Через эту систему пор осуществляется массопередача во всех процессах, протекающих на внутренней поверхности углерод-содержащего материала. В активных углях преобладают V-образные и щелевидные поры наряду с порами неправильной формы. В большинстве промышленных активных углей одновременно присутствуют поры различной формы. Кроме того, во многих исследованиях доказывается существование так называемых бутылкообразных пор с узкими входами, которые образуются, в частности, в классическом процессе хлорцинкового активирования.
Распределение пор по радиусам в отдельных активных углях может быть весьма различным. В соответствии с этим различают крупнопористые активные угли, которые, однако, всегда содержат тонкие поры, и тонкопористые активные угли, которые кроме микропор могут включать и крупные поры.
Мезо- и макропористость чаще всего задается свойствами исходных материалов и условиями его обработки. Малая величина поверхности говорит о том, что макропоры не играют заметной роли в величине адсорбции, в этом случае, они являются только транспортными порами для молекул небольших размеров, по которым адсорбируемые вещества проникают вглубь зерна.
Благодаря наличию пор углеродные материалы имеют высокую удельную поверхность и способность поглощать (адсорбировать) различные вещества из жидкостей и газов. Способность углеродных материалов к адсорбции различных молекул определяется строением их поверхности, природой и концентрацией поверхностных реакционноспособных групп.
Таблица 1 - Типичное распределение пор в активных углях (объем пор
в мл/г)
Углеродное молекулярное сито
Активный кокс является специфическим продуктом, отличающимся особенно однородным распределением микропор. Углеродные молекулярные сита до сих пор не нашли широкого применения в адсорбционной технике, очевидно, из-за своей высокой стоимости.
В настоящее время еще невозможно получить оптическое изображение системы микропор активных углей. Даже при чрезвычайно сильном увеличении электронно-микроскопические снимки позволяют различать только поры с диаметром около 10 нм.
В целом поверхность углеродных сорбентов неоднородна как в геометрическом, так и энергетическом отношении. Атомы углерода на поверхности сорбента находятся в ином электронном состоянии, чем атомы в объемной фазе, особенно в местах дефектов кристаллической решетки, на углах, гранях, ребрах кристаллитов. Наличие у таких атомов свободных валентностей облегчает химическое и сорбционное взаимодействие с различными веществами. Элементный анализ показывает, что в углеродном скелете активного угля может присутствовать определенное количество инородных атомов (водород, кислород, азот).
Кислородные комплексы микрокристаллического углерода, так называемые поверхностные оксиды, сильно влияют на полярные свойства углеродной поверхности и ее адсорбционную способность и поэтому привлекают постоянное внимание исследователей. Полярность поверхности активного угля, содержащей поверхностные кислородные соединения, обусловливает интенсивную адсорбцию паров воды из влажной газовой атмосферы, одновременно может замедляться поглощение других паров или газов. В жидкой фазе избирательная адсорбционная способность активных углей относительно различных полярных веществ зависит от этих поверхностных соединений. Следовательно, поверхностные кислородные соединения важны и с практической точки зрения.
Основными структурными характеристиками любых пористых тел являются эффективный диаметр (радиус) пор dп (rп), удельная поверхность Sуд и удельный объем пор Vп (на единицу массы). В одном образце поры могут различаться как по своим размерам, так и по форме.
Для одного и того же твердого тела с разной природой химической поверхности удельная поверхность Sуд может значительно отличаться, что связано со степенью и характером пористости. У большинства пористых тел внутренняя поверхность на несколько порядков больше, чем внешняя.
Удельная поверхность является усредненной характеристикой пористости (дисперсности) соответствующих пористых или тонкоизмельченных (диспергированных) твердых тел. Удельная поверхность состоит из суммы внешней (видимой) поверхности и внутренней (невидимой) геометрической поверхности пор на единицу массы пористого тела. Поскольку для тел с развитой пористостью основная величина поверхности приходится на поверхность пор, то удельная поверхность прямо пропорциональна их диаметру или размеру частиц, составляющих твердое тело определенной массы. Определив из адсорбционных измерений объем пор, и, зная их диаметр, можно приблизительно оценить удельную поверхность:
Sуд = 4000Vп / dп, (1.1)
где Vп – объем пор, см3/г, dп – средний диаметр пор, нм.
Полный анализ пористой структуры сорбента осуществляется путем использования комплекса физических и физико-химических методов: оптической или электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, адсорбционных методов, гидромеханического метода и метода ртутной порометрии.
Наиболее распространенные методы определения удельной поверхности – это измерение адсорбции газов, жидкостей или каких – либо соединений из газовой фазы или жидкой фазы и ртутная порометрия. Несмотря на большое число уравнений, предложенных для описания изотермы адсорбции, широко используется уравнение Брунауэра, Эммета и Тейлора (метод БЭТ). Линейная форма основного уравнения БЭТ имеет вид:
где Р – равновесное давление, - давление насыщенного пара при температуре измерения, - количество адсорбированного газа (пара) при равновесном давлении, моль/г, - емкость монослоя на поверхности (количество молей адсорбата, требующееся для покрытия поверхности плотным монослоем адсорбированных молекул, на 1 г адсорбента), С – константа, являющаяся функцией теплоты адсорбции и зависящая от природы поверхности.
При С ≥1 и небольших значениях Р уравнение БЭТ переходит в уравнение Ленгмюра.
Из известных данных можно рассчитать величину Vм, а удельную поверхность можно определить по уравнению:
SБЭТ = VмwмNА10-18 (1.3)
где SБЭТ – удельная поверхность по методу БЭТ, м2/г, wм – адсорбционная площадка, занимаемая молекулой на поверхности (авторы метода определили wм для азота при 77К равной 0,162 нм2), NА – число Авогадро (6,02*1023), моль-1 .
Наиболее распространенным методом определения структурных характеристик пористых тел является метод низкотемпературной адсорбции.
По размеру и форме частиц активные угли подразделяются на:
- гранулированные;
- дробленные;
- порошкообразные.
Гранулированные угли изготовляются обычно в форме цилиндриков диаметром 2 - 5 мм, причем высота цилиндрика всегда больше диаметра. Гранулированные угли применяют главным образом на установках со стационарным слоем адсорбента при очистке и разделении технологических потоков в газовой фазе. Чтобы увеличить интенсивность масообмена, гранулированный уголь иногда дробят и после рассева получают узкие фракции. Дробленые углы применяют во всех вариантах адсорбционных процессов: при проведении процессов: как в газовой, так и в жидкой фазе, со стационарным, движущимся или псевдоожиженным слоем адсорбента.
При употреблении в пищу недоброкачественных продуктов, при отравлении ядовитыми веществами первая помощь – это применение активированного угля в качестве адсорбента.
Актуальность работы заключается в высокой значимости явления адсорбции в связи с решением не только экологических проблем и проблем получения особо чистых веществ, но и проблем здоровья человека.
Новизна выбранной темы заключается в незначительном исследовании причин адсорбции среди школьников.
Объект исследования: активированный уголь.
Предмет исследования: адсорбция активированного угля.
Цель: исследовать адсорбционную способность активированного угля.
Изучить литературу по данному вопросу.
Выяснить чем обусловлена высокая адсорбционная способность активированного угля.
Предложить ряд рекомендаций по использованию адсорбционной способности активированного угля в быту.
Определить экспериментальным путем адсорбционную способность активированного угля.
Методы исследования:
1. Изучение литературы.
5. Аналитическая деятельность.
Гипотеза: активированный уголь адсорбирует вещества вредные для здоровья.
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Общие сведения об активированном угле
Активированный уголь — пористое вещество, которое получают из различных углеродосодержащих материалов органического происхождения: древесного угля , каменноугольного кокса , нефтяного кокса, скорлупы кокосовых орехов и других материалов. Содержит огромное количество пор и поэтому имеет очень большую удельную поверхность на единицу массы, вследствие чего обладает высокой адсорбционной способностью. В зависимости от технологии изготовления, 1 грамм активированного угля может иметь поверхность от 500 до 1500 м². Применяют в медицине и промышленности для очистки, разделения и извлечения различных веществ. (1)
Для получения активированного угля необходимо использовать (активировать) скелет углерода - антрацит, древесный уголь и др.
Отдельные атомы углерода отщепляются от кристаллической решетки, то есть процесс активации скелета углерода в некоторой мере зависит от продолжительности пребывания атомов углерода в решетчатой связи. Теперь атом углерода находится на поверхности, и продолжительность его пребывания в связи меньше, чем в случае нахождения внутри объема. Для получения больших пор необходимо, однако, отщепить атомы, которые находятся под поверхностью и благодаря этому пребывают в связи более продолжительное время. Вероятность получения пор с определенным радиусом зависит от продолжительности пребывания последнего атома, который необходимо удалить из решетчатой связи для того, чтобы создать поры.
Существует зависимость параметра удельной поверхности 3-мм формовочного активированного угля от температуры активации. С повышением температуры формируется все большее количество микропор, а уже имеющиеся расширяются. Благодаря этому увеличивается удельная поверхность. Если выбрать слишком высокую температуру, то микропоры объединяются в большие поры, причем большие поры имеют меньшую поверхность, чем большое количество маленьких пор. Чем больше внутренняя поверхность активированного угля, тем больший потенциал адсорбции он имеет, так как группировка активированного угля основывается на изотерме азота. Очень большие поверхности лишь указывают на большую адсорбционную емкость сравнительно маленьких молекул. На основании этого нельзя сделать выводы об адсорбционной способности больших молекул. (4)
Химические свойства и модифицирование.
Обычный активированный уголь является довольно реакционноспособным соединением, способным к окислению кислородом воздуха и кислородной плазмой, водяным паром, а также углекислым газом и озоном. Окисление в жидкой фазе проводят целым рядом реагентов (HNO3, H2O2, KMnO4). За счёт образования большого количества основных и кислотных групп на поверхности окисленного угля его сорбционные и другие свойства могут существенно отличаться от неокисленного. Модифицированный азотом уголь получают либо исходя из азотсодержащих природных веществ, либо полимеров, либо обработкой угля азотсодержащими реагентами . Также уголь способен взаимодействовать с хлором бромом и фтором. Важное значение имеет серосодержащий уголь, который синтезируют разными путями. В последнее время химические свойства угля принято объяснять наличием на его поверхности активной двойной связи. Химически модифицированный уголь находит применение в качестве катализаторов, носителей для катализаторов, селективных адсорбентов, в получении особо чистых веществ, в качестве электродов литиевых аккумуляторов. (1).
Адсорбционные свойства активированного угля
Адсорбция это процесс, происходящий на границе раздела фаз. Он затрагивает только поверхностные слои, взаимодействующих фаз, и не распространяется на глубинные слои этих фаз. (2)
Адсорбцией называют явление накопления одного вещества на поверхности другого. В общем случае, адсорбцией называют изменение концентрации вещества на границе раздела фаз. (2)
Адсорбция происходит на любых межфазовых поверхностях и адсорбироваться могут любые вещества. Адсорбция понижается с понижением температуры. Поглощаемое вещество, ещё находящееся в объёме фазы, называют адсорбтивом, поглощённое — адсорбатом. Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция – адсорбентом. Адсорбция представляет собой обратимый процесс. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией. Удаление адсорбированных веществ с адсорбентов при помощи растворителей называют элюцией. (2)
Механизмы действия.
Есть два основных механизма, которыми активизированный углерод удаляет загрязнители: адсорбция и каталитическое окисление. Органические соединения удаляются адсорбцией, а окислители, такие, как хлор и хлорамин, удаляются каталитическим окислением. (1)
Согласно стандарту ИЮПАК (Международный союз теоретической и прикладной химии) поры диаметром меньше 0,4 нм называют субмикропорами, поры размером от 0,4 до 2 нм микропорами, поры размером от 2 до 50 нм мезопорами и поры диаметром более 50 нм - макропорами (1 нм = 1/1000000 мм).
Активированные угли на основе скорлупы кокосов характеризуются большей долей микропор (пор диаметром до 2 нм), на основе каменного угля — большей долей мезопор (2—50 нм). Большая доля макропор (более 50 нм) характерна для активированных углей на основе древесины.
Рис.2 Структура пор активированного угля
Микропоры особенно хорошо подходят для адсорбции молекул небольшого размера, а мезопоры — для адсорбции более крупных органических молекул. (3)
Хороший активированный уголь характеризуется долей микропор в количестве как минимум 0,3 мл/г, мезопор - минимум 0,2 мл/г и долей макропор в количестве как минимум 0,35 мл/г.
Гранулометрический состав.
Чем меньше размер частицы активированного угля, тем лучше доступ к поверхности и быстрее происходит адсорбция. В системах фазы пара это нужно учитывать при снижении давления, которое затронет затраты энергии. Внимательное рассмотрение гранулометрического состава может обеспечить существенную операционную выгоду.(3)
Слайд 1
Слайд 2
С древности уголь известен своими очищающими свойствами. На Руси, очищая воду, активно прибегали к помощи угля березового, а в Древнем Египте уголь тоже изготавливался из произрастающих в этой местности деревьев, однако не каждое из них могло служить сырьем для его получения. Отбирались деревья сильные, но не молодые. Древние греки также отмечали адсорбирующие свойства угля при очищении вина. Пропущенное через слой угля вино становилось прозрачным и приобретало загадочное сияние, подтверждая свой статус напитка богов.
Слайд 3
Активированный уголь (активный, карболен) (от лат. carbo activatus) — это адсорбент — 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. Активированный уголь содержит огромное количество пор и поэтому обладает очень большой удельной поверхностью на единицу массы. Один грамм активированного угля, в зависимости от технологии изготовления, имеет удельную поверхность от 500 до 1500 м?. Активированный уголь не всасывается организмом и выделяется из него без изменений. Благодаря своему строению, обладает высокой адсорбцией (не путать с абсорбцией — поглощением). Молекулы активированного угля присоединяют к себе молекулы разных веществ, которые связываются и позже выводятся из организма вместе с углем. Активированный уголь может также нейтрализовать токсины, которые попали в кровь. Благодаря углю, токсины из крови вытягиваются в кишечник и адсорбируются.
Слайд 4
Историческая справка Адсорбционную способность древесных углей впервые заметили в конце 18 века. Так, в 1773 г. химик из Штральзунда, Карл Шееле сообщал об адсорбции газов на древесном угле. Через несколько лет, в 1785 г., Ловиц установил, что древесный уголь может обесцвечивать определенные жидкости. Это открытие привело к первому промышленному применению древесного угля на английском сахаро-рафинадном заводе в 1794 г. После установления блокады на континенте в 1808 г. один из французских заводов также использовал древесный уголь для осветления сахарных сиропов. В 1811 году, во время опытов с приготовлением черного сапожного крема, Фитье заметил обесцвечивающую способность костяного угля. Благодаря опубликованию этого открытия, костяной уголь нашел впоследствии широкое применение в сахарной промышленности. Поскольку костяной уголь можно реактивировать прокаливанием, производство на основе древесного угля не получило дальнейшего развития. Тем не менее, в 1850 г. была предпринята попытка приготовить обесцвечивающие угли обработкой древесных опилок карбонатом магния и торфа водяным паром, однако эти продукты не выдерживали конкуренции с костяным углем. Кровяной уголь сильного осветляющего действия, открытый де Бюсси в 1828 г., также не изменил этого положения.
Слайд 5
Слайд 6
Получение. Процесс производства и активации угля состоит из трех этапов: карбонизация, т. е. обжиг в специальной печи без воздуха, в результате которой его структура получает максимальную пористость; дробление на мельчайшие частицы; химическая или парогазовая очистка от примесей. Активированный уголь, в зависимости от марок, изготавливается из различного сырья: из древесного угля из каменного угля из торфа из древесных отходов
Слайд 7
Важное значение для активности угля имеют микропоры; диаметры этих пор (до 2 нм) соизмеримы с размерами адсорбирующихся молекул. Микропоры обеспечивают развитие основной части внутренней поверхности активного угля. Кроме них в угле присутствуют переходные (мезо-) поры с диаметрами 2—50 нм и более крупные макропоры с диаметром более 50 нм. Важное значение для активности угля имеют микропоры; диаметры этих пор (до 2 нм) соизмеримы с размерами адсорбирующихся молекул. Микропоры обеспечивают развитие основной части внутренней поверхности активного угля. Кроме них в угле присутствуют переходные (мезо-) поры с диаметрами 2—50 нм и более крупные макропоры с диаметром более 50 нм. Микро- и мезопоры составляют наибольшую часть поверхности активированных углей, соответственно, именно они вносят наибольший вклад в их адсорбционные свойства. Микропоры особенно хорошо подходят для адсорбции молекул небольшого размера, а мезопоры - для адсорбции более крупных органических молекул. Определяющее влияние на структуру пор активированных углей оказывает исходное сырье, из которого их получают. Активные угли на основе скорлупы кокоса характеризуются большей долей микропор, а активированные угли на основе каменного угля - большей долей мезопор. Большая доля макропор характерна для активированных углей на основе древесины. В активированном угле, как правило, существуют все разновидности пор.
Слайд 8
Действие и применение Активированный уголь адсорбирует много токсичных веществ. 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.
Слайд 10
Читайте также: