СТРУКТУРА И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АКТИВНЫХ УГЛЕЙ

В первые десятилетия прошлого века активный уголь обычно принимали за аморфную разновидность углерода. 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. В активных углях слои беспорядочно сдви­нуты относительно друг друга и не совпадают в направлении, перпендикулярном плоскости слоев (рис.1). Химическим подтверждением графитной структуры актив­ных углей является возможность образования соединений вне­дрения: соединения щелочного металла с графитом, фториро­ванный графит.

Рис. 1. Структура графитовых слоев:

а — упорядоченная структура в графите; б—неупорядоченная структура в микрокри­сталлическом углероде (активном угле).

Кроме графитовых кристаллитов активные угли содержат, по данным рентгеновского анализа Райли, от одной до двух третей аморфного углерода; наряду с этим присутствуют гетероатомы, в частности, кислород. Неоднородная масса, состоящая из кристаллитов графита и аморфного углерода, обусловливает необычную структуру ак­тивных углей. Между отдельными частицами появляются щели и трещины (поры). В соответ­ствие с нормами Международного союза чистой и прикладной химии введена следующая классификация: поры с диаметрами до 0,4 нм называют­ся субмикропорами, поры с диаметрами в интервале 0,4—2,0 нм — микропорами – порами, размеры которых соизмеримы с размерами адсорбируемых молекул. Для пор с диаметрами от 2 до 50 нм предлагается название мезопоры – поры, для которых характерно послойное заполнение поверхности адсорбируемыми молекулами, завершающееся их объемным заполнением по механизму капиллярной конденсации. Более крупные поры с диа­метрами выше 50 нм называются макропорами. Макропоры в процессе адсорбции не заполняются, но выполняют роль транспортных каналов для доставки адсорбата к поверхности адсорбирующих пор.

Пользуясь представлениями о диаметрах или радиусах пор, которые следует рассматривать как эффективные параметры, можно допустить, что поры имеют только цилиндрическую форму. Однако в активных углях преобладают У-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. Определяющее влияние на структуру пор активированных углей оказывают исходные материалы для их получения.

На рисунках:

1. 2. 3.

1. Активированный каменный уголь.

2. Карбонизированная древесина.

3. Активированная скорлупа кокосов.