Aktívne uhlie (AC) označuje vysoko uhlíkatý materiál s vysokou pórovitosťou a sorpčnou schopnosťou, ktorý sa vyrába z dreva, kokosových škrupín, uhlia, šišiek atď. AC je jedným z často používaných adsorbentov používaných v rôznych priemyselných odvetviach na odstraňovanie mnohých znečisťujúcich látok z vody a ovzdušia. Keďže sa AC syntetizuje z poľnohospodárskych a odpadových produktov, ukázalo sa ako skvelá alternatíva k tradične používaným neobnoviteľným a drahým zdrojom. Na prípravu AC sa používajú dva základné procesy, karbonizácia a aktivácia. V prvom procese sa prekurzory vystavujú vysokým teplotám medzi 400 a 850 °C, aby sa odstránili všetky prchavé zložky. Vysoká zvýšená teplota odstraňuje z prekurzora všetky neuhlíkové zložky, ako je vodík, kyslík a dusík, vo forme plynov a dechtov. Tento proces produkuje uhlie s vysokým obsahom uhlíka, ale s nízkou povrchovou plochou a pórovitosťou. Druhý krok však zahŕňa aktiváciu predtým syntetizovaného uhlia. Zväčšenie veľkosti pórov počas procesu aktivácie možno rozdeliť do troch kategórií: otvorenie predtým neprístupných pórov, vznik nových pórov selektívnou aktiváciou a rozšírenie existujúcich pórov.
Na aktiváciu sa zvyčajne používajú dva prístupy, fyzikálny a chemický, aby sa dosiahol požadovaný povrch a pórovitosť. Fyzikálna aktivácia zahŕňa aktiváciu karbonizovaného uhlia pomocou oxidačných plynov, ako je vzduch, oxid uhličitý a para, pri vysokých teplotách (medzi 650 a 900 °C). Oxid uhličitý sa zvyčajne uprednostňuje kvôli svojej čistej povahe, ľahkej manipulácii a kontrolovateľnému aktivačnému procesu okolo 800 °C. Vysokú rovnomernosť pórov možno dosiahnuť aktiváciou oxidom uhličitým v porovnaní s parou. Pri fyzikálnej aktivácii je však para oveľa výhodnejšia v porovnaní s oxidom uhličitým, pretože sa dá vytvoriť oxid uhličitý s relatívne veľkým povrchom. Vďaka menšej veľkosti molekúl vody prebieha jej difúzia v štruktúre uhlia efektívne. Zistilo sa, že aktivácia parou je približne dva až trikrát vyššia ako aktivácia oxidom uhličitým s rovnakým stupňom konverzie.
Chemický prístup však zahŕňa zmiešanie prekurzora s aktivačnými činidlami (NaOH, KOH a FeCl3 atď.). Tieto aktivačné činidlá pôsobia ako oxidačné aj dehydratačné činidlá. Pri tomto prístupe sa karbonizácia a aktivácia vykonávajú súčasne pri relatívne nižšej teplote 300 – 500 °C v porovnaní s fyzikálnym prístupom. Výsledkom je pyrolytický rozklad, čo vedie k expanzii so zlepšenou pórovitou štruktúrou a vysokým výťažkom uhlíka. Hlavnými výhodami chemického prístupu oproti fyzikálnemu sú nízke teplotné požiadavky, štruktúry s vysokou mikroporéznosťou, veľký povrch a minimalizovaný čas dokončenia reakcie.
Nadradenosť metódy chemickej aktivácie možno vysvetliť na základe modelu navrhnutého Kimom a jeho spolupracovníkmi [1], podľa ktorého sa v AC nachádzajú rôzne sférické mikrodomény zodpovedné za tvorbu mikroporéz. Na druhej strane, mezopóry sa vyvíjajú v intermikrodoménových oblastiach. Experimentálne vytvorili aktívne uhlie z fenolovej živice chemickou (pomocou KOH) a fyzikálnou (pomocou pary) aktiváciou (obrázok 1). Výsledky ukázali, že AC syntetizovaný aktiváciou KOH mal vysoký povrch 2878 m2/g v porovnaní s 2213 m2/g pri aktivácii parou. Okrem toho sa zistilo, že ďalšie faktory, ako je veľkosť pórov, povrch, objem mikroporéz a priemerná šírka pórov, boli lepšie v podmienkach aktivovaných KOH v porovnaní s aktivovaným parou.
Rozdiely medzi AC pripraveným aktiváciou parou (C6S9) a aktiváciou KOH (C6K9) sú vysvetlené pomocou modelu mikroštruktúry.
V závislosti od veľkosti častíc a spôsobu prípravy ho možno rozdeliť do troch typov: poháňaný AC, granulovaný AC a perlový AC. Poháňaný AC sa tvorí z jemných granúl s veľkosťou 1 mm s priemerným priemerom v rozmedzí 0,15 – 0,25 mm. Granulovaný AC má relatívne väčšiu veľkosť a menší vonkajší povrch. Granulovaný AC sa používa na rôzne aplikácie v kvapalnej a plynnej fáze v závislosti od ich pomeru rozmerov. Tretia trieda: perlový AC sa vo všeobecnosti syntetizuje z ropnej smoly s priemerom v rozmedzí od 0,35 do 0,8 mm. Je známy svojou vysokou mechanickou pevnosťou a nízkym obsahom prachu. Vďaka svojej guľovitej štruktúre sa hojne používa v aplikáciách s fluidným lôžkom, ako je filtrácia vody.
Čas uverejnenia: 18. júna 2022