Исследовательская работа «Удивительные свойства активированного угля»

Частное учреждение образовательная организация

«Средняя общеобразовательная еврейская школа для одаренных детей «Мир интеллекта»

Исследовательская работа

«Удивительные свойства активированного угля»

Выполнил: ученик 6 класса

Рзаев Давид

Руководитель: учитель химии

С евчук Н.П.

Москва 2017

Содержание

Введение………………………………………………………………………...3

Основная часть………………………………………………………………….4

Историческая справка…………………………………………...4

Сырье и химический состав…………………………………….5

Структура………………………………………………………...6

Производство…………………………………………………….7

Классификация…………………………………………………..8

Применение………………………………………………….....10

Заключение…………………………………………………………………….13

Список использованных источников……………………………………...…14

Введение

Цель моего исследования - изучение свойства и применения активированного угля.

Задачи исследования:

1)изучить состав и структуру активированного угля;

2)изучить способность активированного угля поглощать цвета и запахи;

3)найти примеры практического применения данного процесса в жизни человека.

Для достижения цели и решения задач я буду использовать следующие методы исследования:

- изучение и подбор материала;

- наблюдение и анализ явления адсорбции;

- эксперимент.

Гипотеза: Действительно ли активированный уголь обладает удивительными свойствами?

Основная часть

Адсорбция – этопроцесс поглощения газов, паров, веществ из раствора или газовой смеси поверхностным слоем жидкости или твердого тела — адсорбентом (активированным углем и др.), используемый в химической технике для разделения и очистки веществ.Причиной адсорбции являются неспецифические (то есть не зависящие от природы вещества) Ван-дер-Ваальсовы силы.  Поглощение по всему объёму может проходить и под воздействием физических сил - этот случай называется абсорбцией.

1. Историческая справка

Примечательная способность древесного угля поглощать (адсорбировать) разнообразные пары, газы, пахучие и красящие вещества из растворов впервые была обнаружена в конце 18 века. В 1773 году известный химик Карл Шееле наблюдал адсорбцию газов на древесном угле. 5 июня 1785 года Тобиас Ловиц обнаружил адсорбцию веществ из растворов древесным углем. А в 1794 году активный уголь был использован для осветления сиропов на сахарно-рафинадном заводе в Англии.

2. Сырье и химический состав

Активированный (или активный) уголь — это адсорбент - вещество с высоко развитой пористой структурой, которое получают из различных углеродсодержащих материалов органического происхождения, таких как древесный уголь, каменноугольный кокс, нефтяной кокс, скорлупа кокоса, грецкого ореха, косточки абрикоса, маслины и других плодовых культур. Наилучшим по качеству очистки и сроку службы считается активированный уголь (карболен), изготовленный из скорлупы кокоса, а благодаря высокой прочности его можно многократно регенерировать.

Если смотреть на активированный уголь как на химический продукт – это форма углерода (одна из нескольких) с несовершенной структурой, которая почти не содержит примесей.  Активированный уголь по составу очень напоминает графит. Химический состав активированного угля состоит из углерода, кислорода, водорода, азота, серы и других веществ. Помимо алмаза и графита активированный уголь – это тоже одна из форм углерода, практически не содержащая примесей.

По структурным характеристикам активированный уголь относится к микрокристаллическим разновидностям углерода. Типичная для графита решетка нарушена в активированном угле – слои хаотично сдвинуты и имеют разное направление. Активированные угли содержат гетероатомы и аморфный углерод. Этот состав определяет пористую структуру активированного угля, и его адсорбционные свойства.

Опыт № 1.

Сравним адсорбционные свойства древесного и активированного угля.

Берем два стакана с водой, в каждый добавляем по чайной ложке йода. В первый стакан насыпаем древесный уголь, а во второй – активированный.

Результат: по прошествии пары часов видим, что стакан, в который добавили древесный уголь, по-прежнему содержит бурый раствор йода. А вода в стакане с активированным углем очистилась и стала прозрачной.

Вывод: активированный уголь адсорбировал и поглотил частички органического красителя из его раствора.

3. Структура

Почему же эта небольшая черненькая таблеточка способна так эффективно поглощать различные вещества? И почему аналогичными свойствами не обладает схожий по структуре древесный уголь?

Все дело в особой углеродной структуре. Активный уголь имеет огромное количество пор и поэтому обладает очень большой поверхностью, вследствие чего обладает высокой адсорбцией. Именно высокий уровень пористости делает активированный уголь «активированным». Эти поры как раз и придают активированному углю его свойства – поры способны поглощать и удерживать в себе другие вещества. И пор этих невероятное количество. Так, площадь пор всего одного грамма активированного угля может доходить до 2000 квадратных метров, что соответствует размерам футбольного поля.

В активированных углях различают макро-, мезо- и микро- поры. В зависимости от размеров молекул, которые нужно удержать на поверхности угля, должен изготавливаться уголь с разными соотношениями размеров пор.

Микроскопическое исследование.

При изучении исследуемого материала в микроскоп я наблюдал различную структуру. Древесный уголь имеет волокнистую плотную структуру, а активированный уголь – пористую и более рыхлую.

Вывод: в результате пористости увеличивается поверхность, следовательно, и увеличивается поглотительная способность активированного угля.

4. Производство

В качестве сырья в производстве активированного угля используются материалы органического происхождения: древесина, каменный уголь, битумный уголь, скорлупа кокосовых орехов и др. Указанное сырьё сначала обугливают, затем подвергают активации.

Сущность активации состоит во вскрытии пор, находящихся в углеродном материале в закрытом состоянии. Это делается либо термохимически (предварительно материал пропитывают раствором хлорида цинка, карбоната калия или некоторыми другими соединениями и нагревают без доступа воздуха), либо путём обработки перегретым паром или углекислым газом или их смесью при температуре 800—850 градусов.

5. Классификация

Активированный уголь классифицируется по типу сырья, из которого он изготовлен (каменный уголь, древесина, кокос и т. д.), по способу активации (термохимическая и паровая), по назначению (газовые, рекуперационные, осветляющие и угли-носители катализаторов-химосорбентов), а также по форме выпуска. В настоящее время активированный уголь, в основном выпускается в следующих формах:

порошковый активный уголь,

гранулированный (дробленый, частицы неправильной формы) активный уголь,

формованный активный уголь,

экструдированный (цилиндрические гранулы) активный уголь,

ткань, пропитанная активным углем.

Порошковый активированный уголь имеет частицы размером менее 0,1 мм (более чем 90 % общего состава). Порошковый уголь используется для промышленной очистки жидкостей, включая очистку хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод.

Гранулированный активированный уголь частицы размером от 0,1 до 5 мм (более чем 90 % состава). Гранулированный активный уголь используется для очистки жидкостей, в основном для очистки воды. При очистке жидкостей активный уголь помещается в фильтры или адсорберы. Активные угли с более крупными частицами (2-5 мм) используются для очистки воздуха и других газов.

Формованный активированный уголь – это активированный уголь в форме различных геометрических фигур, в зависимости от области применения (цилиндры, таблетки, брикеты и т. д.). Формованный уголь используется для очистки различных газов и воздуха. При очистке газов активный уголь также помещается в фильтры или адсорберы.

Экструдированный уголь выпускается с частицами в форме цилиндров диаметром от 0,8 до 5 мм, как правило, пропитывается специальными химическими веществами и применяется в катализе.

Ткани, пропитанные углем, выпускается различных форм и размеров, наиболее часто применяются для очистки газов и воздуха, например в автомобильных воздушных фильтрах.

Опыт № 2.

Сравним адсорбционные свойства разных форм активированного угля – гранулы и таблетки.

Берем три стакана с водой. В каждый добавляем по чайной ложке йода. В первый стакан высыпаем растолченные таблетки, во второй – гранулы, в третий - целые таблетки активированного угля.

Результат: по прошествии пары часов видим, что все три стакана содержат чистую прозрачную воду, только в стакане номер один, куда добавили растолченные таблетки с активированным углем, поглощение окрашенных частиц йода произошло намного быстрее по сравнению с другими.

Вывод: адсорбционные свойства активированного угля увеличиваются при его измельчении. Таким образом, наиболее эффективным является порошковый активированный уголь, имеющий частицы размером менее 0,1 мм.

6. Применение

1) Подготовка питьевой воды.

Активированныеугли являются универсальными сорбентами, применяемыми для удаления примесей различной химической природы. Традиционно лучшими для очистки воды считаются угли, полученные из скорлупы кокосового ореха. Количество пор на единицу площади в таком угле, например, в 4 раза больше, чем в березовом.

Основной задачей при очистке вод является улучшение их вкусовых качеств . Наиболее эффективным методом удаления из воды ряда органических и неорганических примесей признан сорбционный метод очистки на активном угле. Этот способ применяется на станциях водоподготовки с первой половины XX века. Задача улучшения качества питьевой воды может быть решена, если правильно использовать разнообразные фильтры для доочистки воды.

Опыт №3.

Адсорбция загрязнений в воде самодельным фильтром из активированного угля.

Делаем фильтр из нескольких слоев фильтровальной бумаги, между которыми закладываем гранулы активированного угля. Через фильтр пропускаем воду с примесями земли и песка.

Результат: вода очистилась.

Вывод: вода очистилась, крупные частицы земли и песка остались на поверхности фильтра, а мелкие адсорбировались внутри фильтра активированным углем.

2) Активированный уголь в медицине. Уже около 1550 г. до н.э., в старом египетском папирусе упоминалось о применении древесного угля в медицине. Активированный уголь используют в медицине для очистки организмов животных и людей от токсинов, бактерий, при очистке крови.

3) В производстве средств индивидуальной защиты (противогазы, респираторы и т. д.);

4) Для очистки воды в плавательных бассейнах и аквариумах.

5) Применение активных углей в золотодобывающей промышленности. При прокачивании раствора цианида золота через тонкопористый активный уголь происходит восстановление золота и адсорбция его на угле.

Также активированный уголь применяется в пищевой промышленности, в химической, нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленностях, в фармацевтической и в топливно-энергетической промышленности.

Заключение

На основании моих исследований можно сделать следующие выводы:

активированный уголь адсорбировал и поглотил частички органического красителя из его раствора.

адсорбционные свойства активированного угля увеличиваются при его измельчении. Таким образом, наиболее эффективным является порошковый активированный уголь, имеющий частицы размером менее 0,1 мм.

вода очистилась, крупные частицы земли и песка остались на поверхности фильтра, а мелкие адсорбировались внутри фильтра активированным углем.

активированный уголь эффективно поглощает запахи, абсолютно безопасен и экологически чист, а также доступен, удобен в использовании и широко применяется человеком.

Активированный уголь продемонстрировал нам свои адсорбционные способности, то есть поглощающие свойства. Он широко используется человеком и имеет важное значение, так как участвует в природоохранной экологической деятельности. В настоящее время активированные угли являются одним из лучших фильтрующих материалов.

Список использованных источников

1.Кинле X, Бадер X. 1984. Активные угли и их применение. Л.: Химия. 210 с.
2.Колышкин Д.А., Михайлова К.К. 1972. Активные угли. Справочник. Л.:«Химия».5-7.
3.Мухин В.М., Тарасов А.В., Клушин В.Н. 2000. Активные угли России. М.: Металлургия.
4.http://www.gastroscan.ru/handbook/144/6352
5.https://ru.wikipedia.org/wiki/Активированный_уголь

6. http://allencyclopedia.ru/1091

7. http://www.nehudlit.ru/articles/descr363913.html

8. http://allencyclopedia.ru/1091

9. http://www.peoples.ru/science/chemistry/zelinskiy/

10. wikipedia.org

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/439519-issledovatelskaja-rabota-udivitelnye-svojstva