Terminem węgiel aktywny oznacza się materiał węglowy o silnie rozwiniętej powierzchni właściwej i porowatości. Dzięki takiej budowie materiał ten posiada duże zdolności do adsorpcji związków chemicznych z gazów i cieczy. Węgle aktywne należą zatem do kategorii porowatych materiałów węglowych, która stanowi grupę materiałów o różnorodnym i ciągle rosnącym znaczeniu praktycznym. Dzisiaj wyjaśniamy, jak powstaje węgiel aktywny.

Jako produkt handlowy węgiel aktywny pojawił się na początku XX wieku. W tym czasie zbudowano w Holandii pierwszą fabrykę firmy „Norit”, która do dziś jest potentatem wśród producentów węgli aktywnych. W tym czasie powstały też wciąż czynne polskie zakłady produkcyjne w Hajnówce i Raciborzu. Duży wpływ na rozwój technologii produkcji miało duże zapotrzebowanie na efektywne filtry do masek przeciwgazowych podczas I Wojny Światowej. Okres powojenny przyniósł z kolei szybki wzrost przemysłowego zastosowania węgli aktywnych, głównie w zakresie adsorpcji z fazy gazowej. Szacuje się, że światowa produkcja różnego typu węgli aktywnych wynosi obecnie około 1 miliona ton na rok i wzrasta w tempie 7% rocznie.

Produkcja węgla aktywnego

Produkcja węgli aktywnych opiera się na naturalnych surowcach organicznych o budowie polimerycznej. Najczęściej wykorzystuje się do tego celu drewno, które stanowi 35% udziału w ogólnym zużyciu surowców. Równie często wykorzystywany jest również węgiel kamienny, węgiel brunatny, torf a lokalnie także produkty odpadowe, skorupy orzechów czy nawet pestki owoców. Wyjątkowo dobrym, jednak znacznie droższym surowcem są syntetyczne polimery, np. odpadowe żywice fenolowo-formaldehydowe, alkohol polifurfurylowy lub polichlorek winylidenu. Produkty karbonizacji tego typu surowców odznaczają się rozwiniętą w różnym stopniu mikroporowatością, której charakter zależy od natury materiału organicznego oraz mechanizmu karbonizacji. Obecność mikroporów jest rezultatem małych wymiarów i przypadkowej wzajemnej orientacji pakietów warstw grafenowych, czyli krystalitów. Jednak dla większości zastosowań węgla ta naturalna porowatość jest niewystarczająca. Aktywacja jest więc procesem rozwijania porowatości w mało porowatym materiale wyjściowym w wyniku zastosowania specjalnej obróbki fizykochemicznej. Przez poszerzenia istniejących już porów i udostępnienia porowatości zamkniętej można osiągnąć znaczne zwiększenie zawartości mikroporów.

Aktywacja fizyczna

Węgle aktywne wytwarza się z odpowiednich materiałów wyjściowych na drodze procesów termochemicznych. Do najpowszechniejszych sposobów otrzymywania węgli aktywnych na świecie należy tzw. aktywacja fizyczna. Obejmuje ona dwa etapy, czyli karbonizację surowca organicznego i następującą po niej właściwą aktywacje poprzez częściowe zgazowanie materiału węglowego czynnikiem gazowym, którym może być para wodna lub ditlenek węgla. W stosowanej na mniejszą skalę aktywacji chemicznej surowiec stanowi najczęściej materiał lignino-celulozowy, który miesza się z odpowiednim reagentem chemicznym, czyli chlorkiem cynku lub kwasem fosforowym i poddaje jednoetapowej obróbce cieplnej.