Интересные факты об активированном угле

Бытовая химия

Всем привет!

Не так давно я рассказывала про простые опыты с активированным углем, которые можно самостоятельно сделать дома, а сегодня хочу рассказать несколько интересных фактов об активированном угле. Учитывая то, что сегодня это средство довольно популярно и у многих на слуху (например, угольное мороженое, всякие способы очистки организма и т.д.), думаю, будет интересно.

горящие угли

Немного истории

Возможно, люди давно заметили сорбционные свойства древесного угля (от латинского sorbens – поглощаю), но первое задокументированное подтверждение этому явлению было сделано только в конце 18 века. В 1773 году шведский химик Карл Шееле (да, автор лимонада) изучал адсорбцию газов на древесном угле. А в 1785 году русский химик Товий Егорович Ловиц обнаружил, что уголь может обесцвечивать некоторые жидкости. Это открытие привело к первому промышленному применению древесного угля – его стали использовать на заводе по производству сахара (для очистки сахарного сиропа) в Англии в 1794 году.

19-й век прошел в энергичном изучении самых разных углей – от древесного до костяного – их получения, свойств, применения. Основными областями применения было производство сахара и виноделие. И, наконец, в 1900 году были запатентованы два способа получения активированных углей:

  1. нагревание растительных материалов с хлоридами металлов;
  2. активирование с помощью диоксида углерода и водяного пара при нагревании.

Именно второй метод и является в настоящее время основным способом получения активированных углей.

Как получают

Основное сырье – природные материалы: древесный уголь, древесные опилки, торф, уголь из скорлупы грецкого ореха, каменный уголь, кокс, бурый уголь и т.п.

Так, например, около 36% углеродных сорбентов получают из древесины, на втором месте по распространенности – каменный уголь (28%). Из бурых углей производят 14% пористых углеродных материалов или ПУМ (так часто называют активированные угли), из торфа – около 10%.

Когда я собирала материал для статьи, мне было интересно узнать, что приблизительно 10% производится из скорлупы кокосовых орехов. Вот уж никогда бы не подумала о таком сырье. Настолько оно нетипично и непривычно для наших реалий, а вот для кого-то это в порядке вещей :-)

В обычном угле поры закрыты, он не может поглощать в себя другие вещества, нужна его активация. Именно для этого и существуют различные технологии активации, то есть раскрытия пор, увеличения их количества и размеров.

Основной принцип – исходный материал помещают в печи и обрабатывают смесью воздуха, водяного пара и углекислого газа при температуре 800-1000 градусов Цельсия. При этом происходит изменение структуры материала и образование в нем большого количества пор (именно отсюда и произошло название ПУМ – пористые углеродные материалы), которые и определяют свойства и применение активированных углей.

Как правило, площадь активной поверхности 1 грамма такого угля составляет 1-4 квадратных метра.

Строение

Думаю, многие из вас слышали фразу «уголь очищает» или «уголь – это молекулярное сито». А как именно он очищает и что это за сито такое?

Дело в том, что активированные угли – это мельчайшие кристаллы, состоящие из соединенных между собой плоских шестигранников, образованных атомами углерода. Эти шестигранники образуют слои, беспорядочно сдвинутые относительно друг друга. Таким образом, образуются микропоры, которые и обеспечивают задерживание в угле самых разных молекул других веществ. Именно поэтому такой материал называют, помимо всех уже прозвучавших названий, углеродными молекулярными ситами (кстати, есть еще очень интересные неорганические молекулярные сита, цеолиты). Также вы, наверное, часто слышали слово «сорбент» — это тоже про уголь, как раз за счет большого количества пор он является отличным сорбентом.

Кстати, активированный уголь – это не только химический элемент углерод, здесь есть и другие элементы, попадающие в него в процессе получения:

  • 93-94% углерода;
  • 0,7-1% водорода;
  • 4,7-5,3% кислорода;
  • 0,3-0,6% азота
  • и некоторые другие в микроколичествах, например, хлор или сера.

Применение

Производство пористых угольных материалов во всем мире составляет около миллиона тонн в год. Для чего же все это нужно? Зачем человечеству такое количество активированного угля? Что, все дружно отравились? Конечно же нет. Применение в медицине стоит на последних местах по количеству затрачиваемого угля (дальше я не всегда буду использовать слово «активированный», чтобы не перегружать текст).

Основные области применения:

  • очистка воздуха и газов в промышленности;
  • очистка растворов в промышленности;
  • адсорбция паров бензина, выделяемых машинами;
  • очистка воздуха в помещениях, где находится много людей (например, аэропорты);
  • противогазовая защита людей от вредных веществ (противогазы);
  • производство защитных тканей (они содержат мелкодисперсный активированный уголь и защищают человека от токсичных газов);
  • использование в качестве катализатора в некоторых технологических процессах;
  • обогащение металлов (например, золота);
  • использование в качестве фильтра в некоторых сигаретах;
  • конечно же – применение в медицине (об этом я расскажу отдельно).

Что касается растворов, хочу чуть подробнее сказать, что сюда входит:

  • очистка сахарного сиропа при производстве сахара;
  • очистка пищевых жиров и масел;
  • очистка лекарственных препаратов (например, желатина, кофеина, инсулина, хинина и т.д.);
  • очистка спирта, пива, вина, фруктовых соков;
  • очистка питьевой воды;
  • очистка бытовых и промышленных сточных вод.

Если совсем в общих чертах, то есть вот такие цифры потребления угольных материалов:

применение угля

Конечно же, для всех этих целей используются разные ПУМ. Они отличаются между собой многими параметрами, например, размерами пор (что влияет на их сорбционные свойства), способностью смачиваться водой (гидрофильностью), чистотой, то есть количеством примесей, прочностью, составом и т.д. Даже цена материала имеет большое значение при крупномасштабном использовании, например, при очистке газовых выбросов заводов.

И один момент, над которым мало кто задумывается – а что происходит с углями, чьи поры полностью заполнены «загрязнителями»? Идеальный вариант, конечно, реактивирование, то есть регенерация – удаление адсорбированных веществ и повторное использование угля.

Но здесь много минусов – уголь весьма неохотно отдает то, что уже забрал. Необходимо специальное оборудование для регенерации, создание специальных условий (например, повышенная температура), использование дополнительных химических веществ, энергозатраты. Именно поэтому реактивирование далеко не всегда используется.

Использование в медицине

О медицинском применении древесного угля известно еще с 1550 года до н.э. из старого египетского папируса. Кроме того, в 400 году до н.э Гиппократ рассказывал о лечении отравлений с помощью угля.

В настоящее время активированный уголь используется как энтеросорбент – так называют препараты, обладающие высокой сорбционной емкостью, при этом не разрушающиеся в ЖКТ и способные связывать различные попавшие в организм вещества. Основные способы связывания:

  • адсорбция,
  • ионный обмен,
  • комплексообразование.

Активированный уголь продается в аптеках в виде таблеток и порошка. Как раз недавно я искала информацию по углю в справочнике Комаровского «Лекарства» и поразилась, сколько же, оказывается, препаратов есть у обычного активированного угля! Белосорб, карбактин, карболонг, карбомикс, карбосорб и еще много других «карбо» (от латинского названия элемента углерода). Здесь и порошки, и гранулы, и капсулы.

Только вот поиск по интернет-магазинам наших казахстанских аптек показал унылую картину – только классический активированный уголь в таблетках по 0,25 г.

цена на уголь

А также его «бужуйсткие» аналоги из Нидерландов и Австрии. Посмеемся вместе над ценами за тот же самый уголь по 0,25 г (в эукарбоне – 0,18 г).

цена на адсорбикс

цена на эукарбон

В общем, ситуация аналогична физраствору, про который я когда-то рассказывала.

Ладно, возвращаемся к углю и за неимением порошков говорим о таблетках. Их готовят из активированного медицинского угля с добавлением связующего вещества, которое теряет свои свойства в желудке, например, крахмала, желатина. Иногда для таких препаратов используют медицинское название – карболен.

Основная область применения карболена в медицине – лечение инфекционных заболеваний желудочно-кишечного тракта. Уголь адсорбирует токсины, выделяемые бактериями, а также вредные вещества, образующиеся в результате воспаления ЖКТ.

Также успешно применяется при пищевых интоксикациях, отравлениях алкалоидами и солями тяжелых металлов, при повышенной кислотности желудочного сока.

Преимущество этого сорбента в том, что он соответствует требованиям, предъявляемым к энтеросорбентам:

  • он нетоксичен;
  • хорошо выводится из организма;
  • не повреждает желудочно-кишечный тракт;
  • обладает высокой сорбционной емкостью;
  • имеет удобную форму;
  • его легко дозировать;
  • обладает хорошими органолептическими свойствами.

Наверное, многие слышали о модных сейчас «чистках» организма, в том числе и активированным углем. Не буду сейчас говорить о медицинском смысле этих процедур, отошлю вас к лекциям (мои любимые эта и эта) дипломированных и опытных врачей, скажу только как химик, что большинство сорбентов, в том числе и так любимый всеми «чистильщиками» активированный действуют не избирательно. Проще говоря, они сорбируют все подряд.

Вы думаете, уголь у вас в желудке или кишечнике подходит к веществу, смотрит вывеску на нем «Витамин» и говорит: «Нет, я не буду тебя впитывать, а лучше займусь парочкой молекул мышьяка, который тебе, наверное, жена в суп подсыпала»? Нет такого. Сорбируется все подряд – и ненужное, и нужное – витамины, аминокислоты, гормоны, ферменты и т.д.

Конечно, я сейчас говорю очень примитивно и упрощенно. Химик-профессионал может со мной поспорить насчет размеров пор сорбента, размеров молекул и т.д., но это все в большинстве сорбентов, а особенно в том же активированном угле, про очищение которым с таким благоговейным придыханием говорят в интернетах, практически не играет существенной роли. Сорбироваться будет все.

Именно поэтому не рекомендуется длительное применение энтеросорбентов. Это приведет к гиповитаминозу и запорам, так как молекулярные сита активно сорбируют и воду, и витамины, и микроэлементы. И, соответственно, выводят их из организма, лишая его полезных веществ. Гораздо лучше в этом плане ситуация обстоит с кремниевыми сорбентами, о которых я напишу в одной из следующих статьях.

Также из-за отсутствия избирательной сорбции нельзя принимать сорбенты одновременно с лекарствами, а разносить их по времени приема на 2-3 часа.

По этой же причине карболен и прочие подобные вещества назначают принимать натощак за 1-2 часа до еды. За это время препарат вступит в реакцию с содержимым желудка и успеет частично переместиться в кишечник, где продолжит свою полезную работу по избавлению вас от токсинов.

Еще одна интересная область применения в медицине – гемосорбенты. Углеродные гемосорбенты используются для очистки крови больных. Гемосорбция, основана на способности сорбентов удалять из крови различные вредные вещества при определенных заболеваниях (инфекционных, онкологических, аллергических, аутоиммунных и т. д.).

Сейчас это направление считается перспективным методом сорбционной детоксикации организма. Во многих лабораториях мира идет разработка и синтез новых углеродных композиционных материалов, обладающих уникальными свойствами, например, совместимостью с кровью и другими биологическими жидкостями организма, инертностью к тканям внутренних органов, избирательной сорбцией токсических веществ и т.д.

Вот, пожалуй, и все на сегодня. Хотела еще написать про угольное мороженое, но уже слишком длинная статья получается, так что, напишу чуть позже. Все никак не соберусь его попробовать — плюс пять и ледяной ветер двадцать пятого мая как-то не очень располагают к наслаждению мороженым. Только если дома, обнявшись с обогревателем и закутавшись в три пледа. Интересно, у нас в этом году будет лето? Или на смену белой придет зеленая зима? Например, как пять дней назад:

19 мая
19 мая 2018 г. в Усть-Каменогорске

Судя, по выламывающему окна и грозящему оторвать балкон ураганному ветру, лето будет очень интересным :-)

Всем хороших выходных!

Наталья Брянцева

KidsChemistry теперь есть и в социальных сетях. Присоединяйтесь прямо сейчас! Google+, В контакте, Одноклассники , Facebook, Twitter

Буду искренне благодарна, если поделитесь этой статьёй в социальных сетях
Подписывайтесь на новости блога!

К статье оставлено: 2 комментария

  1. Мария

    М-да, а я в молодости на даче пробовала жевать березовые угли от желудка и удивлялась, что не действует.

    Ответить
    1. Наталья

      Неее, я так не рискую :-)

      Ответить
Поделитесь своим мнением (Правила комментирования)

O=);-):|:x:twisted::smile::shock::sad::razz::oops::o:mrgreen::love::lol::grin::evil::cry::cool::???:

Нажимая на кнопку "Отправить сообщение", я даю согласие на рассылку, обработку персональных данных и принимаю политику конфиденциальности.