Йодное число как параметр оценки эксплуатационных свойств гранулированного (или зернистого) активированного угля.
В большинстве случаев активированный уголь используется для адсорбции молекул с высоким содержанием ковалентных связей, таких как углерод-углеродные или углерод-водородные связи в органических соединениях. Активированный уголь также используется в качестве реагента или катализатора, например, при дехлорировании воды – одном из наиболее распространённых способов применения активированного угля в Мексике. Процесс дехлорирования (удаления свободного хлора с целью его преобразования в хлорид-ионы) происходит следующим образом:
HOCl(l) + C(s) ➜ CO* + H+(l) + Cl–(l),
где HOCl(l) — хлорноватистая кислота, C(s) — активированный уголь, а CO* представляет собой диоксид углерода, который может быть связан с поверхностью активированного угля или может растворяться в растворе в виде угольной кислоты.
Вышеописанная реакция — не единственная, происходящая при пропускании воды через активированный уголь. Существуют и другие случаи, когда углерод выступает в качестве реагента или катализатора.
«Рабочая ёмкость» активированного угля — это количество жидкости (газа или жидкости), которое он может переработать для достижения определённого качества. Это качество может быть измерено по химическому потреблению кислорода (ХПК), цветности, запаху, содержанию свободного хлора или какого-либо определённого соединения или семейства соединений. «Точка разрушения» наступает, когда качество сточных вод от оборудования, содержащего активированный уголь, становится неприемлемым. В этом случае уголь необходимо заменить, поскольку его срок службы истёк. Использованный уголь должен быть утилизирован или реактивирован.
Единственный способ точно оценить эксплуатационные характеристики гранулированного активированного угля — это провести полевые испытания.
Производители и потребители гранулированного активированного угля ищут легко измеряемые физические и химические параметры, отражающие его эксплуатационные свойства. К таким параметрам относятся адсорбционная способность по отношению к йоду, фенолу, метиленовому синему, мелассе, четыреххлористому углероду, бутану и другим веществам.
Наиболее приемлемой с коммерческой точки зрения переменной является йодное число (йодный индекс), представляющее собой количество миллиграммов йода, которое будет поглощено одним граммом углерода (в сухом виде), когда концентрация оставшегося в растворе йода составит 0,02 нМ.
Почему цена на уголь с высоким содержанием йода выше?
Йодное число получило настолько широкое признание, что цена большинства стандартных активированных углей на рынке в значительной степени основана на нём. Существует две причины принятия йодного числа в качестве параметра оценки углерода: (a) Было показано, что для некоторых типов активированного угля при определённых условиях йодное число относительно пропорционально площади поверхности угля (площади, определяемой адсорбцией азота); (b) Материалы и реагенты, используемые для измерения йодного числа, недороги, а время, необходимое для анализа, относительно невелико.
К сожалению, йодное число слишком мало, чтобы отразить площадь поверхности и эксплуатационные свойства активированного угля. Настолько, что в науке йодное число не используется в качестве параметра для оценки угля.
Влияет ли йодное число на адсорбционную способность активированного угля?
1. Йодное число пропорционально только площади поверхности активированного угля.
Для определения йодного числа адсорбированная на угле молекула представляет собой трийодид-ион: I⁻⁶⁶. Поскольку это анион, поверхностные оксиды активированного угля отталкивают его. Следовательно, чем больше поверхностных оксидов содержит активированный уголь, тем ниже будет его йодное число, даже если площадь поверхности останется неизменной.
2. Хотя йодное число пропорционально площади поверхности каждого активированного угля, адсорбционная способность йода не пропорциональна адсорбционной способности других молекул.
Это происходит по двум причинам:
2.1 Адсорбционная способность активированного угля зависит от соотношения между размером удерживаемой молекулярной формы и распределением размеров пор угля.
Частицы, диаметр которых превышает диаметр пор, не проникают. Частицы, диаметр которых значительно меньше диаметра пор, адсорбируются слабее и, следовательно, менее эффективны.
2.2 Адсорбционная способность активированного угля зависит от химического состава удерживаемой молекулы и химии поверхности угля.
По этой причине более высокий йодный индекс не обязательно соответствует более высокой абсорбционной способности молекулы (или семейства молекул), которую мы хотим поглотить. В литературе часто встречаются графики, подобные следующему:
3. В большинстве случаев применения гранулированного активированного угля его эксплуатационная эффективность зависит не только от его адсорбционной емкости (точнее, его «равновесной адсорбционной емкости» или «равновесной адсорбционной емкости»), но и от его кинетики (скорости).
Кинетика гранулированного активированного угля зависит от следующего:
3.1 Распределение пор по размерам и преобладающий диаметр пор. Чем больше диаметр пор , тем выше подвижность активированного угля.
3.2 Распределение размеров частиц гранулированного активированного угля. Чем меньше размер частиц, тем выше подвижность гранулированного активированного угля.
Один из способов проиллюстрировать это – воспользоваться следующей диаграммой. Две колонки с гранулированным активированным углем подают один и тот же раствор, обеспечивают одинаковую мгновенную скорость потока и используют один и тот же тип и количество активированного угля. Единственное отличие между колонками заключается в том, что средний размер частиц угля в правой колонке меньше. Если измерить глубину слоя угля, где происходит адсорбция (глубину, называемую «зоной массопереноса» или ЗМТ), то окажется, что чем меньше размер частиц, тем меньше высота ЗМТ. Поскольку ЗМТ ниже для угля с меньшим размером частиц, точка разрушения наступает позже, и такой уголь будет иметь более высокую рабочую емкость.
результат:
Из вышеизложенного следует, что йодный индекс не является переменной , позволяющей напрямую измерить способность угля адсорбировать молекулы, отличные от трийодид-ионов. Значение ниже этого индекса не может быть использовано для прогнозирования эксплуатационной емкости гранулированного активированного угля.
Для прогнозирования остаточной работоспособности используемого активированного угля можно использовать измерение йодного числа на момент выхода из строя и использование этих данных для прогнозирования приблизительного времени до отказа для будущих рабочих циклов, при условии, что используется тот же коммерческий гранулированный активированный уголь, а состав раствора, обрабатываемого активированным углем, существенно не изменяется.