Aktivt kol

Från Wikipedia
Hoppa till: navigering, sök

Aktivt kol är finfördelat amorft kol med små porer och stor porvolym, detta ger en stor specifik yta där adsorption och kemiska reaktioner kan ske.[1] Den specifika ytan för aktivt kol är normalt mellan 500 och 1500 m2/gram.[2] Hur mycket som kan adsorberas till kolet är proportionellt med temperatur och tryck.[3]

Aktivt kol framställs av material med hög kolhalt som till exempel stenkolträkoltorv eller kokosnötskal.[1] Framställningen sker i två steg, där det första steget är en kontrollerad förkolning (pyrolys). I det andra steget aktiveras kolet antingen termiskt eller kemiskt. Det är under aktiveringsprocessen som kolet får sin adsorbtionsförmåga.[2]

Aktivt kol

Aktivt kol används bland annat för: vattenrening, medicin, gasförädling, gasmasker, destillering av alkoholhaltiga drycker.

Egenskaper[redigera | redigera wikitext]

Aktivt kols egenskaper och hur väl det fungerar som ett adsorptionsmedium styrs av dess sammansättning, men även till stor del av dess struktur. I detta avsnitt presenteras sammansättning, struktur, porositet och kemisk struktur.

Aktivt kol består av 85-95 % kol, övriga ämnen är spår av källmaterialet såsom väte (H), kväve (N), svavel (S) och syre (O). [4] Densiteten hos aktivt kol varierar beroende på dess sammansättning men ett typvärde är 2 g/cm3.[4]

Struktur[redigera | redigera wikitext]

Strukturen hos aktivt kol kan variera beroende på dess sammansättning. I allmänhet kan sägas att aktivt kol har en kristallin struktur liknande grafits lagrade struktur men med större oordning. Oordningen beror till stor del av det syre (O) och väte (H) som finns i kolet.[4] Strukturen ger aktivt kol en stor porositet och en specifik yta på 500-1500 m2/g kol. En stor del av den specifika ytan kommer från kolets aktivering. Detta genom att aktiveringen ”rensar” ursprungsprodukten från oönskade föreningar vilket ökar porositeten och därmed den specifika ytan.[5]

Porositet[redigera | redigera wikitext]

Aktivt kols struktur ger upphov till en stor porvolym (mellan 0,7 och 1,8 cm3/g. Den stora porositeten bidrar starkt till att öka den specifika ytan. Porositeten har även en starkt betydande funktion för det aktiva kolets adsorptionsförmåga. Porernas storlek varierar från <1 nm till 200 nm. Porerna kan klassas som mikroporer, mesoporer och makroporer. [4]

  • Mikroporer (<2nm) står för merparten (ca 95 %) av aktivt kols specifika yta. I mikroporer är adsorption av gaser och ångor den huvudsakliga inbindningen.[4]
  • Mesoporerna (2-50 nm) står för <5 % av den specifika ytan och binder till andra ämnen i huvudsak genom kapillär kondensation och adsorption. Den större radien leder till ett lägre reaktivt gastryck vilket ger en ökad förmåga att binda till sig vätskor.[4]
  • Makroporer (>50 nm) står för en mycket liten del av den totala specifika ytan hos aktivt kol och fyller inget betydande bidrag till det aktiva kolets totala adsorptionsförmåga.[4]

Kemisk struktur[redigera | redigera wikitext]

De kemiska krafter som styr det aktiva kolets adsorptionsförmåga utgörs av Van der Walls-krafter och Londonkrafter beroende i huvudsak på kolatomernas ordnade strukturer. Det aktiva kolet har även platser på sin struktur med oparade elektronpar till följd av sin oordnade struktur. Dessa oparade elektronpar ökar kolets förmåga att binda till sig polära föreningar.[4]

Det aktiva kolet har även aktiva grupper och ytkomplex på grund av de inbundna ämnena. Dessa har en stor påverkan på det aktiva kolets egenskaper att adsorbera föreningar. De viktigaste av dessa grupper är kol-syre-grupper som bland annat påverkar hur reaktiv ytan är, dess polaritet och surhet.[4]

Klassifikation[redigera | redigera wikitext]

Det finns flera klassificeringar av aktivt kol, oftast klassificerar man efter kornstorlek, användningsområde och tillverkningsprocess. PAC (pulvriserat aktivt kol) och GAC (granulerat aktivt kol) är två klassificeringar som används inom vattenrening.

Pulvriserad Aktivt Kol (PAC)[redigera | redigera wikitext]

PAC är en typ av aktivt kol som kommer i pulvriserad form och har en medelvärdes kornstorlek på 20-50 μm. PAC tillverkas oftast från sågspån och används både inom dricks-och avloppsvattenrening.[1][2][6] PAC används huvudsakligen inom vattenrening för att ta bort organiskt material som ger vattnet en dålig smak och lukt, men är även effektiv för att ta bort pesticider och herbicider vid låga koncentrationer. Det kan tillsättas direkt till vattnet och brukar användas vid säsonger med höga halter av organiskt material. Dock är PAC svårt att återaktivera.[1][6]

Granulerat Aktivt Kol (GAC)[redigera | redigera wikitext]

GAC är krossat aktivt kol med en större kornstorlek än PAC, det har ett medelvärde av kornstorleken på 0.5-3 mm.[2][6] GAC används mycket inom reningsprocesser av dricks-, grund- och avloppsvatten som ett filtermaterial, huvudsakligen för att filtrera bort giftiga organiska ämnen och organiskt material som påverkar vattnets lukt och smak.[6] Ofta används GAC i snabbsandfiltersteget, där sanden kan bytas ut helt mot GAC eller så kan filterbädden ha ett lager sand och ett lager med GAC. GAC förekommer också som ett helt separat filtersteg. GAC är relativt lätt att återaktivera.[1][2]

Produktion[redigera | redigera wikitext]

Som kolkälla i produktion av aktivt kol kan en rad olika produkter användas såsom brunkol, träkol, restprodukter från petroleumproduktion, kokosnötsskal och torv. I det första steget genomgår kolkällan en kontrollerad förkolning (pyrolys) där kolkällan upphettas utan närvaro av syre. Kolet genomgår sedan ett andra steg, aktivering.[5] Aktiveringen är nödvändig för att öka porositeten ytterligare och förbättra de kemiska egenskaperna hos produkten för att maximera adsorptionen.

Aktiveringen kan ske både termiskt och kemiskt:

  • Termisk aktivering: Ytterligare upphettning av materialet till ca 800-1000 °C tillsammans med koldioxid och vattenånga var för sig eller tillsammans. Denna process ökar porositeten i materialet genom att förbränna oönskade föreningar samtidigt som den ökar mängden kol-syre och kol-väte komplex på det aktiva kolets yta.[7] 
  • Kemisk aktivering: Innan förkolningen är fullkomlig genom termisk behandling så tillsätts kemikalier (ca 450-600 °C). Kemikalier som vanligen används är zinkklorid, fosforsyra, kaliumhydroxid och kaliumkarbonat. Kemisk aktivering kan ses som en kombination av termisk och kemisk aktivering.[7]

När det aktiva kolet adsorptionsförmåga minskat så pass mycket att det inte längre fungerar effektivt, så kan det återaktiveras. Återaktiveringen görs på samma sätt som vid aktivering.

Användning[redigera | redigera wikitext]

Aktivt kol används för att avlägsna eller separera ämnen från en vätska eller gas. Aktivt kol används bland annat inom vattenrening, medicin, förädling av gaser, gasmasker, destillering av alkoholhaltiga drycker.

Dricksvattenrening[redigera | redigera wikitext]

Aktivt kol kan användas inom dricksvattenrening för att rena vatten från lösta organiska föreningar samt vissa oorganiska föreningar.[2] Det aktiva kolets renande förmåga är välkänd och har använts för dricksvattenrening i tusentals år.[8] När aktivt kol började nyttjas för dricksvattenrening i större skala, under första halvan av 1900-talet, användes det vanligen för att rena vatten från klorföreningar eller för att åtgärda lukt- och smakproblem.[2] Merparten använde sig då av GAC i reningsprocessen, men senare kom PAC att bli allt mer vanligt förekommande. 1970 uppskattades att över 10 000 dricksvattenreningsverk världen över använde sig av aktivt kol i reningsprocessen.[2]

De senaste decennierna har man mer och mer återgått till använda GAC.[1] Till skillnad från PAC, vilket blandas till en slurry som sedan kan doseras på en eller flera platser i reningsverket, används normalt GAC som stationärt filtermaterial i t.ex. snabbfilter.[2] Då större partiklar lätt täpper till porerna i kolet förläggs filtret vanligen efter ett kemiskt flockningssteg, ett sandfilter, eller någon liknande process där större partiklar avskiljs.[1]

Det granulerade aktiva kolets adsorberingsförmåga blir med tiden sämre då de aktiva ytorna successivt binder till sig ämnen. Efter 1-3 år måste kolet antingen bytas ut eller reaktiveras för att återfå ursprunglig reningseffekt.[1] För att öka livslängden på kolet och samtidigt uppnå en effektiv rening av framför allt lukt och smak, används ofta biologiskt aktivt kol.[2] Organiska ämnen bryts då ned av en tunn aktiv biofilm som omger de granulerade kolpartiklarna. Biologiskt aktivt kol föregås ofta av en ozonbehandling i reningsprocessen då kolet har visats rena biprodukter från ozonbehandlingen.[2]

Aktivt kol har även visats vara effektivt för att rena dricksvatten från läkemedelsrester.[9]

Avloppsvattenrening[redigera | redigera wikitext]

På senare tid har läkemedelsrester blivit ett växande problem vilket har resulterat i ett antal pilotprojekt där man nyttjar aktivt kol. Henriksdals avloppsreningsverk i Stockholm har genomfört pilottest där man använde sig av GAC. Resultatet visade på att aktivt kol var mycket bra på att filtrera bort läkemedelsrester. Totalt testades 37 läkemedelssubstanser med en bred spridning på vattenlöslighet och funktionell grupp, 17 av vilka inte återfanns i kvantifierbara mängder efter filtrering.[10]

Vatten som behandlas med aktivt kol får inte innehålla för höga halter organiskt material och lösta partiklar. Organiskt material adsorberas lätt till aktivt kol vilket medför att aktiviteten i kolet förbrukas snabbare, adsorptionsförmågan minskas. Filtration av vatten innehållande organiskt material resulterar i att kolet behöver bytas ut oftare eller återaktiveras. Lösta partiklar sätter igen filtret vilket medför att fler backspolningar av filtret blir nödvändigt.[11] Detta medför stora kostnadsökningar. Pilotprojektet på Henriksdals avloppsreningsverk pekar på ett pris om 1 kr/m3 vatten i ett större reningsverk.[10]

Användning av PAC vid rening av läkemedelsrester har även testats där det visat sig inte vara lika effektivt som GAC. En fördel med PAC är dock att inga extra steg i reningsprocessen är nödvändiga. PAC tar med sig läkemedelsresterna och sedimenteras i de befintliga sedimenteringsprocesserna för att sedan rötas. Detta medför dock att det inte längre blir möjligt att återföra slam till jordbruksmarker på grund av att det innehåller oönskade föreningar. Slammet förbränns då vid 900 °C.[10]

Referenser[redigera | redigera wikitext]

Noter[redigera | redigera wikitext]

  1. ^ [a b c d e f g h] Svenskt Vatten (2010). Dricksvattenteknik 3-Ytvatten 
  2. ^ [a b c d e f g h i j k] Cecen, Özgür (2012). Activated Carbon for Water and Wastewater Treatment 
  3. ^ Schaschke (2014). A Dictionary of Chemical Engineering 
  4. ^ [a b c d e f g h i] Bansal et al (2005). Activated Carbon Adsorption 
  5. ^ [a b] ”Aktivt kol”. http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/aktivt-kol. Läst 7 oktober 2015. 
  6. ^ [a b c d] Trussell et al., Rhodes R. MWH's Water Treatment Principles and Design (3rd Edition). John Wiley & Sons, 2012 
  7. ^ [a b] Marsh et al, Harry (2006). Activated Carbon 
  8. ^ Chowdhury et al (2013). Activated Carbon: Solutions for Improving Water Quality 
  9. ^ Ternes et al (2002). Removal of Pharmaceuticals during Drinking Water Treatment. 
  10. ^ [a b c] Svenska Miljöinstitutet, IVL (2013). Aktivt kol för avlägsnande av läkemedelsrester ur behandlat avloppsvatten 
  11. ^ Naturvårdsverket (2008). Avloppsreningsverkens förmåga att ta hand om läkemedelsrester och andra farliga ämnen