Jak powstaje węgiel aktywny? Karbonizacja i aktywacja

Węgiel aktywny nie jest po prostu rozdrobnionym węglem. Jego charakterystyczne właściwości wynikają z odpowiedniego przygotowania surowca oraz procesu aktywacji, podczas którego rozwija się rozbudowana struktura porów.

To właśnie dzięki tej strukturze węgiel aktywny może posiadać bardzo dużą powierzchnię wewnętrzną i wykazywać właściwości adsorpcyjne. Jeśli chcesz najpierw poznać podstawy jego działania, zobacz również artykuł Węgiel aktywny – co to jest, jak działa i do czego służy?.

Z czego można produkować węgiel aktywny?

Węgiel aktywny może powstawać z różnych surowców zawierających dużą ilość węgla. Do najczęściej stosowanych należą między innymi:

• węgiel kamienny,
• węgiel brunatny,
• drewno,
• torf,
• łupiny orzechów kokosowych,
• inne materiały pochodzenia roślinnego.

Rodzaj surowca ma znaczenie, ponieważ wpływa na strukturę porów, twardość, gęstość oraz właściwości końcowego produktu. Dlatego węgle aktywne produkowane z różnych materiałów mogą lepiej sprawdzać się w różnych zastosowaniach.

Etap pierwszy – karbonizacja

Jednym z podstawowych etapów produkcji jest karbonizacja. Surowiec poddawany jest działaniu wysokiej temperatury w warunkach ograniczonego dostępu tlenu.

W czasie tego procesu z materiału usuwana jest znaczna część substancji lotnych, a pozostaje przede wszystkim materiał bogaty w węgiel.

Karbonizacja tworzy podstawową strukturę materiału, ale na tym etapie jego powierzchnia adsorpcyjna jest jeszcze znacznie mniejsza niż w gotowym węglu aktywnym.

Etap drugi – aktywacja

Kolejnym etapem jest aktywacja. Jej zadaniem jest rozwinięcie istniejącej struktury porowatej oraz utworzenie nowych porów dostępnych dla adsorbowanych substancji.

W praktyce stosuje się różne metody aktywacji. Jedną z najczęściej wykorzystywanych jest aktywacja fizyczna przy użyciu pary wodnej lub dwutlenku węgla.

Aktywacja parą wodną

Podczas aktywacji parą wodną wcześniej przygotowany materiał węglowy poddawany jest działaniu pary w wysokiej temperaturze.

Kontrolowane reakcje zachodzące w materiale powodują stopniowe otwieranie i rozwijanie struktury porów. W efekcie zwiększa się powierzchnia dostępna dla adsorpcji.

Proces musi być odpowiednio kontrolowany, ponieważ jego przebieg wpływa między innymi na:

• wielkość i rozkład porów,
• powierzchnię właściwą,
• gęstość produktu,
• wytrzymałość mechaniczną,
• właściwości adsorpcyjne.

Aktywacja dwutlenkiem węgla

Alternatywnym czynnikiem aktywującym może być dwutlenek węgla. Zasada procesu jest podobna – kontrolowana reakcja z materiałem węglowym powoduje rozwijanie porowatości.

Parametry procesu dobiera się w zależności od oczekiwanej struktury i przeznaczenia gotowego węgla.

Aktywacja chemiczna

Węgiel aktywny może być również otrzymywany metodami aktywacji chemicznej. W takim procesie surowiec poddaje się działaniu odpowiednio dobranych substancji aktywujących, a następnie obróbce cieplnej.

Metoda ta może być stosowana między innymi w przypadku wybranych surowców pochodzenia roślinnego. Sposób produkcji zależy od rodzaju materiału oraz parametrów, jakie ma osiągnąć gotowy produkt.

Jak powstają pory węgla aktywnego?

Podczas aktywacji część materiału węglowego jest stopniowo usuwana. Powoduje to powstawanie oraz powiększanie kanałów i porów znajdujących się wewnątrz ziaren.

W strukturze węgla aktywnego wyróżnia się między innymi:

• mikropory – najmniejsze pory, mające bardzo duże znaczenie dla powierzchni adsorpcyjnej,
• mezopory – większe pory ułatwiające transport określonych cząsteczek,
• makropory – największe kanały umożliwiające dostęp do głębiej położonych części struktury.

Rozkład tych porów może różnić się w zależności od rodzaju surowca i sposobu prowadzenia aktywacji.

Dlaczego proces aktywacji jest tak ważny?

Sam materiał węglowy nie posiada jeszcze właściwości charakterystycznych dla dobrze przygotowanego węgla aktywnego. To właśnie odpowiednio prowadzona aktywacja powoduje rozwinięcie jego powierzchni wewnętrznej.

Im bardziej rozwinięta struktura porowata, tym większa może być powierzchnia dostępna dla adsorpcji. Nie oznacza to jednak, że węgiel o najwyższej powierzchni zawsze będzie najlepszy.

Równie ważny jest rozkład wielkości porów i jego dopasowanie do substancji, które mają zostać adsorbowane.

Co dzieje się po aktywacji?

Po zakończeniu procesu materiał może być dalej przygotowywany do konkretnego zastosowania. W zależności od produktu wykonuje się między innymi:

• kruszenie,
• mielenie,
• przesiewanie i klasyfikację granulacji,
• formowanie,
• odpylanie,
• pakowanie.

Dzięki temu ten sam podstawowy materiał może występować później jako węgiel granulowany, ziarnisty, pylisty lub formowany.

Granulowany, pylisty czy formowany – skąd biorą się różnice?

Postać produktu zależy zarówno od zastosowanego surowca, jak i dalszej obróbki po procesie aktywacji.

Węgiel granulowany

Ma postać nieregularnych ziaren o określonej granulacji. Jest często stosowany jako złoże w procesach filtracji wody oraz filtracji destylatów.

Węgiel formowany

Ma regularny kształt, najczęściej cylindrycznych granulek. Dzięki temu może zapewniać korzystne warunki przepływu gazu przez złoże i jest często wykorzystywany do oczyszczania powietrza i gazów.

Węgiel pylisty

Ma postać drobnego proszku. Stosuje się go w procesach, w których materiał może być dozowany bezpośrednio do oczyszczanego medium, a także w niektórych zastosowaniach technologicznych i kosmetycznych.

Czy każdy węgiel aktywny jest taki sam?

Nie. Nawet produkty wyglądające podobnie mogą różnić się między innymi:

• rodzajem surowca,
• powierzchnią właściwą,
• rozkładem wielkości porów,
• granulacją,
• gęstością nasypową,
• twardością,
• wilgotnością,
• zawartością popiołu.

Dlatego właściwy dobór produktu powinien wynikać z konkretnego zastosowania, a nie wyłącznie z jego wyglądu czy wielkości opakowania.

Jak produkcja wpływa na zastosowanie węgla aktywnego?

Surowiec i sposób aktywacji wpływają na późniejsze właściwości produktu. Z tego powodu inne parametry mogą być istotne przy oczyszczaniu wody, inne podczas filtracji powietrza, a jeszcze inne w procesach przemysłowych.

Przykładowo w instalacjach gazowych znaczenie może mieć nie tylko zdolność adsorpcyjna, lecz również twardość i opory przepływu przez złoże. W procesach filtracji cieczy istotne mogą być natomiast granulacja, czas kontaktu i struktura porów.

Podsumowanie

Produkcja węgla aktywnego jest procesem wieloetapowym. Najpierw odpowiednio dobrany surowiec poddawany jest karbonizacji, a następnie aktywacji prowadzącej do rozwinięcia struktury porowatej.

To sposób produkcji, rodzaj surowca i dalsza obróbka decydują o tym, jakie właściwości będzie miał gotowy produkt i do jakich zastosowań będzie najlepiej dopasowany.

Więcej informacji o rodzajach, działaniu i zastosowaniach znajdziesz w naszym głównym poradniku: Węgiel aktywny – co to jest, jak działa i do czego służy?.