§2. Строение активных углей

Активные угли принадлежат к группе графитовых тел и представляют собой, так же как и сажи, разновидность микрокристаллического углерода. Угли имеют так называемое турбостратное строение, которое выражается в отсутствии трехмерной упорядоченности графитовых слоев. Однако уже на начальных стадиях активации между структурой графита и углей имеются существенные различия. Размеры графитоподобных кристаллов угля зависят от условий активации и могут составлять 9 (высота) * 23 (диаметр) Å или (9-60) * (7-100) Å. В углях плоские двухмерные гексагональные сетки могут быть расположены параллельно и на одинаковых, хотя и отличных от графита расстояниях друг от друга, но по-разному повернуты относительно нормали к осям.

В зависимости от способа получения углеродных материалов, обусловливающих степень регулярности, характер дефектности структуры, состояние поверхности, их разнообразные свойства – механические, тепло- и электрофизические, сорбционные и ионообменные – могут меняться в широких пределах. Однако хорошо проактивированные угли, несмотря на различия, связанные со способом получения или специально обусловленные ими, имеют и достаточно определенные общие свойства.

И в объеме, и на поверхности основным структурным элементом активных углей является составная часть кристаллической решетки графита – система конденсированных ароматических колец, в которой три валентных электрона углерода связаны с соседними, прочными, полностью насыщенными σ-связями, а четвертый 𝛑-электрон практически делокализован и может свободно перемещаться по системе сопряженных связей.

В закономерно ориентированных графитовых структурах (рис.3) атомы углерода находятся главным образом в - гибридном

Рис. 3. Строение кристаллической решетки графита.

состоянии, межслоевое расстояние составляет 3,35 Å. В турбостратном состоянии же, характерном для активных углей, нет строгой периодичности элементных слоев, расстояния между ними неодинаковы и колеблются вокруг среднего значения 3,44 Å. Атомы углерода в сетках турбостратной структуры не занимают идеальных положений, а смещены относительно плоскости сетки в пределах 0,14 – 0,17 Å. Это объясняется тем, что атом углерода в турбостратной структуре находятся ином валентном состоянии, в отличие от графитовых структур. Часть атомов углерода, особенно периферийных, находится в – гибридном состоянии.

Важной характеристикой активных углей является их гранулометрический состав. Различают порошковые, зернистые и формованные угли. Зернистые угли получают дроблением крупных кусков до одного или нескольких миллиметров. Лучшим способом является получение гранул или брикетов размером 1 – 4 мм из дробленого угля со связующим или без него по обычной технологии в зависимости от спекаемости углей. При их плохой спекаемости необходимо связующее вещество.

Как следует из схемы адсорбции веществ на поверхности твердых тел (см. рис. 1), способность к поглощению должна зависеть от величины этой поверхности. Поглощающая поверхность активных углей очень велика. Зачастую для хорошо проактивированных углей величина поверхности не очень сильно зависит от измельчения, так как она обеспечивается главным образом за счет внутренней поверхности пор. То есть можно сделать вывод о том, что важнейшей характеристикой активных углей является их пористая структура - объем и размеры пор, поскольку именно в них происходит поглощение веществ.

В соответствии с нормами Международного союза чистой и прикладной химии ИЮПАК, поры с диаметром меньше 0,4 нм называются субмикропорами, поры с диаметром от 0,4 до 2,0 нм – микропоры, поры с диаметром от 1 до 50 нм – мезопоры и более 50 нм – макропоры. Важное значение для активности угля имеют микропоры, диаметр которых соизмерим с размерами адсорбируемых молекул.

Углеродные адсорбенты характеризуются полидисперсным распределением пор, включающих микро-, мезо- и макропоры. Мезо- и макропоры выполняют в основном транспортную роль. Большой объем крупных пор приводит к уменьшению плотности адсорбента и его емкости.