Regeneracja węgla aktywnego używanego w procesach farmaceutycznych.pdf

Regeneracja węgla aktywnego używanego w procesach

farmaceutycznych.

Adsorpcja kwasu octowego na zregenerowanym złożu.

Wprowadzenie

(opracowała dr inż. Ewa Paluszkiewicz)

ęgiel aktywny jest adsorbentem, którego początki zastosowania wiążą się z

medycyną. Hipokrates i jego uczniowie zalecali zasypywanie węglem drzewnym ran w celu

usuwania ich przykrego zapachu. Początki przemysłowych zastosowań związane są z

rozwojem przemysłu cukrowniczego, gdzie na początku XX wieku znalazł zastosowanie do

odbarwiania syropów.

Tajemnica działania i bardzo dobre właściwości zawdzięcza on swej porowatej

budowie. W procesie produkcji w surowcu bazowym wytwarzane są rozgałęzione kanały-

pory. W zależności od ich wielkości mówimy o makro(>50 nm), mezo-(2-50 nm) lub

mikrosporach(<2 nm). Taka konstrukcja zapewnia silne rozwinięcie powierzchni właściwej

materiału – 1 gram węgla może skrywać nawet 2000 m 2 powierzchni.

W 1771 roku szwedzki badacz Scheele odkrył zjawisko adsorpcji. Jest to zjawisko

gromadzenia się substancji (gazu, pary, składnika roztworu) na powierzchni ciała stałego. W

praktyce zachodzi ono jednocześnie z absorpcją, która polega na pochłanianiu danej

substancji przez całą objętość ciała stałego. Oba zjawiska nazywa się sorpcją. Substancja

adsorbującą nosi nazwę adsorbentu, a adsorbowana- adsorbatu. Adsorbat nie pokrywa całej

powierzchni, lecz tylko pewne obszary, zwane centrami aktywnymi. W zależności od rodzaju

sił powodujących proces rozróżnia się adsorpcję fizyczną i chemisorpcję.

Adsorpcja fizyczna zachodzi wskutek niespecyficznych oddziaływań

międzycząsteczkowych, dyspersyjnych lub Van der Waalsa. Jeżeli siły wiążące adsorbat na

powierzchni absorbentu mają naturę wiązania chemicznego, oddziaływania elektrodonorowo-

elektroakceptorowe, wiązania wodorowe, adsorpcję nazywamy chemisorpcją. Jest to bardzo

trwały sposób „uwięzienia” zanieczyszczenia, którego praktycznie nie można uwolnić.

ęgiel aktywny dzięki silnie rozwiniętej powierzchni jest znakomitym adsorbentem-

potrfi pochłonąć substancje w ilości blisko 20% własnej masy. Dzięki zjawisku adsorpcji

fizycznej, węgiel aktywny jest niezwykle skuteczny w usuwaniu rozpuszczonych substancji o

dużych cząsteczkach. Około 90% ogólnej ilości związków organicznych jest pochłaniana-

jedynie 10% można uznać za słabo adsorbowane na węglu aktywnym. Przykłady związków

dobrze i słabo usuwanych przez węgiel aktywny zamieszczono w tabeli 1.

Tabela 1. Przykłady organicznych substancji dobrze i źle usuwanych przez węgiel aktywny

[Kowal&Świderska-Bróż 1996]

Substancje dobrze usuwane

Substancje słabo usuwane

Rozpuszczalniki aromatyczne (benzen,

Alkohole

toluen, nitrobenzeny itd.)

Chlorowne zwiąki aromatyczne (PCB,

Ketony, kwasy i aldehydy o małej masie

cząsteczkowej

chlorobenzeny, chloronaftalen)

Cukry i skrobia

Fenol i chlorofenole

Związki o bardzo dużej masie cząsteczkowej

Wielopierścieniowe węglowodory

aromatyczne(acenaften, benzopireny itd.)

lub koloidy

Związki alifatyczne o małej masie

Pestycydy i herbicydy (DDT, chloran itd..)

cząsteczkowej

Chlorowane,

niearomatyczne

związki

organiczne

(tetrachlorek

węgla,

chloroalkilowe etery, heksachlorobutadien

itd.)

Węglowodory o dużej masie cząsteczkowej

(barwniki, aminy, związki humusowe,

benzyna)

Węgiel aktywny wykazuje również pewną skuteczność w usuwaniu zanieczyszczeń

nieorganicznych - np. metali. Istnieją dwa zasadnicze mechanizmy tego zjawiska. Jony metali

często tworzą związki z substancjami organicznymi w kompleksy. Zatem mechanizm

adsorpcji polega na sprzężonym usuwaniu zanieczyszczeń organicznych wraz ze związanymi

z nimi związkami nieorganicznymi. Również możliwe jest usuwanie bezpośrednio –

niekoniecznie za pośrednictwem dużych cząsteczek organicznych. Na powierzchni węgla

aktywnego rozmieszczone są tzw. grupy funkcyjne. Zdolność usuwania np. metali ciężkich

zależy właśnie od rodzaju i liczby tych grup, a to z kolei zależy od użytego materiału oraz

technologii zastosowanej do produkcji węgla. Oznacza to, że różne węgle aktywne

charakteryzują się różną skutecznością usuwania poszczególnych substancji chemicznych. W

tabeli 2 podano przykłady nieorganicznych substancji wraz z klasyfikacją pod względem

typowej sprawności ich usuwania.

Tabela 2. Podatność na usuwanie węglem aktywnym niektórych zanieczyszczeń

nieorganicznych

Rodzaj zanieczyszczenia

Podatność na usuwanie

Antymon, arsen, bizmut, chrom, cyna

wysoka

Srebro, rtęć, kobalt, cyrkon

dobra

Ołów, nikiel, tytan, wanad, żelazo

dość dobra

Miedź, kadm, bar, selen, molibden. Mangan,

niska

wolfram, rad

Chrom, brom, jod, fluorki

wysoka

Azotany, fosforany, chlorki, bromki, jodki

niska

W przemysłowej technologii wody węgiel aktywny znalazł jeszcze jedno zastosowanie – jest

znakomitym podłożem dla mikroorganizmów. Spełnia wszystkie cechy bardzo dobrego

wypełnienia filtrów biologicznych. Biologicznie aktywne węgle stosuje się od lat 80 XX

wieku. Podstawową cechą, ważną dla materiałów stosowanych jako wypełnienia filtrów

biologicznych, jest silnie rozwinięta powierzchnia – tak, aby w jednostce objętości zmieściło

się maksymalnie dużo pożytecznych mikrobów. Podłoże powinno być też dla nich

„przyjazne”, – czyli nie zawierać np. składników toksycznych. Te cech z powodzeniem

spełnia węgiel aktywny. Ma przecież bardzo dużą powierzchnię właściwą, znacznie

przewyższającą znane nam wypełnienia ceramiczne czy też z tworzyw sztucznych. Jest

nietoksycznym materiałem pochodzenia naturalnego. Co więcej – jest to podłoże zasobne w

węgiel i tlen oraz zapewnia dostatek pożywienia w postaci pochłoniętych zanieczyszczeń. Jest

jednym z najczęściej zasiedlanych przez bakterie materiałów filtracyjnych. Pełen rozwój ich

kolonii następuje wcześniej niż w przypadku innych stosowanych wkładów do filtrów.

ęgiel aktywny jest otrzymywany w procesie karbonizacji i aktywacji materiałów

głównie pochodzenia roślinnego. Używa się tu takich substratów jak: węgle kopalne, torf,

łupiny orzechów, pestki owoców, czasami także pochodzenia zwierzęcego np. kości. Około

60% wszystkich węgli na świecie, również w Polsce, wytwarza się z węgla kamiennego.

Produktem procesu karbonizacji wyjściowego materiału, przeprowadzonej bez dostępu

powietrza i bez udziału czynników chemicznych, jest praktycznie nieaktywny adsorpcyjnie

materiał, o powierzchni właściwej rzędu kilku m 2 /g. Prawdziwy węgiel aktywny, o dużej

porowatości oraz silnie rozwiniętej powierzchni, jest otrzymywany z karbonizatu w procesie

aktywacji. Najczęściej jest to aktywacja fizyczne, przeprowadzana w wysokiej temperaturze z

wykorzystaniem pary wodnej, dwutlenku węgla, powietrza lub ich mieszaniny. Natomiast

aktywacja chemiczna polega na wykorzystaniu w tym celu różnych związków chemicznych.

W zależności od zastosowanego aktywatora otrzymujemy węgle o różnych cechach. Do około

1970 roku jednym z najpopularniejszych aktywatorów był chlorek cynku(II). Przede

wszystkim ze względu na dużą szkodliwość dla środowiska metalu, jakim jest cynk, obecnie

znacznie częściej używa się kwasy fosforowego.

Otrzymany węgiel aktywny należy jeszcze odpowiednio uformować. Istnieją trzy zasadnicze

postaci: pylista, ziarnista i granulowana. Pyliste węgle aktywne (PWA) stosowane są

powszechnie w stacjach uzdatniania wody. Ziarniste węgle aktywne (ZWA) mają postać

nieregularnych ziaren wielkości kilku milimetrów. Granulowane węgle aktywne (GWA) mają

postać regularnych ziaren i często otrzymywane są w procesie formowania PWA z

zastosowaniem specjalnych lepiszczy (np. niektóre smoły). Są one przeznaczone głównie do

oczyszczania gazów.

Zużyty węgiel aktywny można poddać regeneracji. W tym celu, bardzo często stosuje się

wysoką temperaturę rzędu 800˚C. Innym sposobem regeneracji jest wymywanie

rozpuszczalnikami (w zależności od zaadsorbowanych związków stosuje się zarówno

rozpuszczalniki polarne jak i niepolarne) lub w wyniku gwałtownego skoku pH.

Część doświadczalna

(opracowała dr inż. Ewa Wagner-Wysiecka)

Adsorpcja w układzie ciecz- ciało stałe, obok procesu przebiegajacego w układzie ciało stałe

gaz, ma ogromne znaczenie praktyczne.

Proces adsorpcji zależy w głownej mierze od charakteru oddziaływan pomiędzy cząsteczkami

substancji adsorbowanej (adsorbatu) i fazy adsorbującej (adsorbenta). Do opisu procesu

adsorpcji w układzie ciało stałe-gaz stosowane są, z pewnymi założeniami, m.in.

izoterma Langmuira, dobrze opisujaca procesy chemisorpcji

izoterma BET będąca lepszym układem modelowym dla adsorpcji fizycznej (w porównaniu z

izotermą Langmuira).

Równowaga, w bardziej złożonym układzie, w układzie ciało stałe –ciecz może zostać

opisana empirycznym równaniem określanym jako izoterma Freundlicha:

a= kc n

gdzie:

a – liczba moli substancji zaadsorbowanej przez 1 g adsorbenta

c – stężenie molowe roztworu w stanie równowagi adsorpcyjnej

k, n – stałe (n < 1).

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: