Węgiel aktywny nie jest po prostu rozdrobnionym węglem. Jego właściwości powstają podczas kontrolowanej obróbki surowca, której najważniejszym zadaniem jest rozwinięcie wewnętrznej struktury porów.
To właśnie w tych porach zachodzi adsorpcja. Im lepiej rozwinięta i odpowiednio dobrana struktura, tym większa powierzchnia materiału dostępna dla zatrzymywanych cząsteczek.
Jeżeli chcesz najpierw poznać podstawy działania tego materiału, zajrzyj do poradnika Węgiel aktywny – co to jest, jak działa i do czego służy?.
Od czego zaczyna się produkcja węgla aktywnego?
Pierwszym krokiem jest dobór surowca bogatego w węgiel. Może nim być między innymi węgiel kamienny, węgiel brunatny, drewno, torf czy łupiny orzechów kokosowych.
Wybór nie jest przypadkowy. Każdy z tych materiałów ma inną budowę i po obróbce może dawać węgiel o innej strukturze porów, twardości czy gęstości. Dlatego dwa produkty o podobnym wyglądzie nie muszą zachowywać się tak samo podczas filtracji.
Karbonizacja – pierwszy etap przemiany surowca
W klasycznym procesie produkcji surowiec poddawany jest karbonizacji, czyli ogrzewaniu w wysokiej temperaturze przy bardzo ograniczonym dostępie tlenu.
Podczas ogrzewania z materiału usuwana jest duża część składników lotnych, a pozostaje struktura bogata w węgiel. Powstaje w ten sposób materiał stanowiący bazę do dalszej obróbki.
Na tym etapie nie ma on jeszcze tak rozwiniętej powierzchni wewnętrznej jak gotowy węgiel aktywny. Kluczowy jest kolejny proces – aktywacja.
Na czym polega aktywacja?
Aktywacja rozwija istniejącą sieć porów i otwiera dostęp do wnętrza materiału. W przypadku aktywacji fizycznej wykorzystuje się najczęściej parę wodną lub dwutlenek węgla działające na materiał w wysokiej temperaturze.
Reakcja jest prowadzona w sposób kontrolowany. Niewielka część materiału węglowego zostaje usunięta, a istniejące kanały poszerzają się i łączą z kolejnymi porami. W ten sposób rośnie powierzchnia dostępna dla adsorpcji.
Stopień aktywacji ma bezpośredni wpływ na gotowy produkt. Zbyt słabo rozwinięta struktura ogranicza jego możliwości adsorpcyjne, natomiast zbyt intensywne prowadzenie procesu może zmniejszać gęstość i wytrzymałość materiału.
Para wodna i dwutlenek węgla
Oba czynniki stosuje się do rozwijania porowatości materiału węglowego. Dobór temperatury, czasu procesu i stopnia reakcji pozwala wpływać na charakter powstającej struktury.
Nie chodzi więc wyłącznie o uzyskanie „jak największej powierzchni”. Równie ważne jest to, jakie pory powstaną i do jakich cząsteczek będą miały dostęp.
A czym różni się aktywacja chemiczna?
Inną drogą produkcji jest aktywacja chemiczna. W tym przypadku surowiec łączy się z odpowiednio dobranym środkiem aktywującym, a następnie poddaje obróbce cieplnej.
Proces ten stosuje się szczególnie w przypadku niektórych materiałów pochodzenia roślinnego. Przebieg produkcji różni się od klasycznego schematu karbonizacji i późniejszej aktywacji fizycznej – poszczególne etapy mogą być ze sobą ściśle powiązane.
Co właściwie znajduje się wewnątrz ziarna?
Z zewnątrz ziarno węgla aktywnego może wyglądać jak zwykły czarny fragment materiału. Jego najważniejsza część znajduje się jednak wewnątrz.
Sieć porów ma różne rozmiary. Zgodnie z powszechnie stosowanym podziałem wyróżnia się:
- mikropory – poniżej 2 nm,
- mezopory – od 2 do 50 nm,
- makropory – powyżej 50 nm.
Najmniejsze pory odpowiadają za dużą część powierzchni adsorpcyjnej, natomiast większe pełnią między innymi rolę dróg transportowych prowadzących cząsteczki w głąb struktury.
Dlatego sama wartość powierzchni właściwej nie opisuje jeszcze całego węgla. Dla konkretnego zastosowania równie ważne jest to, jak wygląda rozkład wielkości porów.
Co dzieje się z węglem po aktywacji?
Gotowy materiał trzeba jeszcze przygotować do konkretnego sposobu użycia. Może być kruszony, przesiewany, odpylany lub mielony. W innych procesach otrzymuje się natomiast regularnie formowane granulki.
Właśnie na tym etapie uzyskuje się określoną granulację i postać handlową produktu.
Węgiel granulowany występuje jako nieregularne ziarna i jest często stosowany między innymi w filtracji wody oraz filtracji destylatów.
Węgiel pylisty ma postać bardzo drobnego proszku i może być dozowany bezpośrednio do oczyszczanego medium.
Węgiel formowany najczęściej występuje jako regularne cylindryczne wałeczki. Taka postać jest szczególnie przydatna w złożach przeznaczonych do oczyszczania powietrza i gazów.
Dlaczego dwa węgle aktywne mogą działać inaczej?
Na właściwości końcowego produktu wpływa cały proces: od wyboru surowca, przez sposób karbonizacji i aktywacji, aż po granulację i dalszą obróbkę.
W praktyce porównuje się więc nie tylko powierzchnię właściwą. Znaczenie mogą mieć także struktura porów, twardość, gęstość nasypowa, zawartość popiołu, wilgotność czy parametry adsorpcyjne określane dla konkretnych substancji.
Dobrym przykładem jest filtracja gazów. Oprócz właściwości adsorpcyjnych ważna może być tam wytrzymałość mechaniczna materiału oraz opór przepływu przez złoże. W filtracji cieczy istotne będą natomiast między innymi granulacja, czas kontaktu i możliwość swobodnego przepływu.
Od procesu produkcji do konkretnego zastosowania
Nie istnieje jeden uniwersalny węgiel aktywny najlepszy do wszystkiego. Produkt przeznaczony do oczyszczania powietrza może mieć inne cechy niż materiał przygotowany do filtracji wody czy procesów technologicznych.
Właśnie dlatego przy wyborze warto patrzeć nie tylko na postać węgla, lecz również na jego surowiec i parametry podane dla konkretnego produktu.
Więcej o różnicach między węglem granulowanym, ziarnistym, pylistym i formowanym przeczytasz w naszym poradniku poświęconym rodzajom węgla aktywnego.
Podsumowanie
Droga od surowca do węgla aktywnego opiera się przede wszystkim na kontrolowanym rozwijaniu jego wewnętrznej struktury. Karbonizacja tworzy materiał bogaty w węgiel, a aktywacja rozwija sieć porów odpowiedzialnych za właściwości adsorpcyjne.
O końcowym efekcie decyduje jednak znacznie więcej niż sam fakt przeprowadzenia aktywacji. Liczą się surowiec, warunki procesu, struktura porów oraz sposób przygotowania gotowego produktu.
Jeżeli chcesz poznać podstawy działania i najważniejsze zastosowania, zobacz również Węgiel aktywny – co to jest, jak działa i do czego służy?.
Zaloguj przez Facebooka
Zaloguj przez Google