Aktív szén

A faszén és az aktív szén leírását, történetét Lengyel Béla 1940-ben írt és ma is teljesen helytálló ismertetője alapján foglaljuk össze.

"Az aktív szén elődje az apróra őrölt faszén. Évszázadok óta állítják elő tüzelőanyag céllal erdőségek mélyén a fának levegőtől elzárt térben történő hevítése révén. A szénégetőrakásokban a agyagos földdel letakart faanyag elszenesedik. A termelésnek ez a módja gazdaságtalan, és környezetkímélőnek sem mondható, mert tetemes légszennyezéssel jár: aki járt már szénégető vidéken, tudja, hogy egész völgyek válnak füstössé és koromfeketévé. Az ősi technológia lényege, hogy a kupacba rakott fát kívülről sárral, agyaggal körültapasztották, majd alkalmas csatornán begyújtva, arról gondoskodtak, hogy csak a tökéletlen égéshez szükséges, csekély mennyiségű levegő jusson a máglyába. A folyamat 7–8 napon át tartott és a szenesedés közben keletkező értékes gáz- és folyadékformájú melléktermékek mind elfüstöltek a levegőbe.

A modern termelés sokkal gazdaságosabb módon folyik. A fát zárt retortákban, külső tüzeléssel szenesítik, legújabban pedig úgy járnak el, hogy a zárt térbe helyezett fára vezetett forró, nem éghető gázzal végzik a szenesítést. Ez eljárások már gondoskodnak arról, hogy a melléktermékek ne menjenek veszendőbe: a szenesítéssel együtt metilalkoholt vagy faszeszt, az acetont, ecetsavat, illetve a fameszet gyártanak, és a végül visszamaradt fakátrányt is hasznosítják. Ezek a termékek a faszén termelése mellett egyáltalán nem elhanyagolható értéket képviselnek.

A faszén legősibb felhasználása a vaskohászatban történt. Ezt a szerepet mára elvesztette, mert a kohók a piacon újonnan megjelenő, addig ismeretlen koksz használatára tértek át. Az Urálban azonban még ma is évi 700 000 tonna nyersvasat állítanak elő faszén segítségével. Mint igen tiszta szén, a metallurgia egyéb területein is szerephez jut, de használják számos vegyipari termék előállítására, így a szénkéneg, a nátriumcianid, a ferroszilicium gyártásához.

Tüzelőanyagként a kisiparokban, kovácsműhelyekben, a háztartásokban grillezéshez és kémiai laboratóriumokban alkalmazzák a mai napig.

E felhasználások mellett jelentőségében egyre fokozódik és már hatalmas iparrá fejlődik az az alkalmazás, amely a faszén színtelenítő, szagtalanító, gázokban és folyadékokban oldott anyagok adszorpciója számtalan ipari és környezetvédelmi alkalmazást tett lehetővé.

A faszén adszorpciós képességét már a XV. században felismerték, első gyakorlati alkalmazásával azonban csak a XVIII. század vége felé találkozunk, amikor LOWITZ borkősav kristályok tisztítására, LIPMANN cukorgyári levek rafinálására használta fel, sôt SCHEELE már különböző gázok elnyelésére is alkalmazta.

Az adszorpció az adszorbens felületén következik be. A felület a vele érintkező gáz, folyadék, vagy oldott anyag molekuláit nagy affinitással magához kapcsolja és így rajta az adszorbeált anyag nagy mennyiségben felhalmozódik. Az adszorpció általában annál könnyebben megy végbe, minél nagyobb az adszorbeálandó anyag molekulatömege. Így elsőként a legnagyobb molekulákat, pl. vizes oldatok nagy molekulájú festékanyagait és egyéb szennyezőanyagait, valamint gázelegyekből is a nagy molekulájú, tehát könnyen cseppfolyósodó gázokat köti meg leggyorsabban, ez bizonyos szelektivitást jelent az adszorpcióban.

A faszén adszorbeáló képessége nem egyformán tulajdonsága az egész felületnek, hanem a felületen kisebb-nagyobb mértékben előforduló, úgynevezett aktív helyekhez van kötve. Az aktív helyek számának céltudatos növelésével módunkban van az adszorbeáló képességet fokozni. Az aktiválás tehát fokozott adszorbeáló képességű szenek előállítását jelenti.

Aktív szenet legáltalánosabban faszénből, illetve fából állítanak elő. A legegyszerűbb eljárás abból áll, hogy megfelelő módon előállított faszénbrikettet 7–800 Celsius fokon túlhevített vízgőz hatásának teszik ki. A vízgőz a faszén felületével vízgáz-reakcióban reagál. A különben is zegzugos és porózus szerkezetű felület még fokozottabban felmaródik és ezzel páthuzamosan az aktív helyek száma is nő.

Egy másik eljárás szerint a fát vagy egyéb cellulóz tartalmú anyagot kémiai úton, cinkklorid vagy foszforsav segítségével szenesítenek el. Kiindulási anyagul fa helyett csonthéjas gyümölcsök héját, tőzeget, állati eredetű szerves anyagokat, valamint csontot is lehet használni. Az utóbbinak csak 6–10%-a szén, többi része főként kalciumfoszfátból áll.

Az aktív szén a modern technikában számtalan alkalmazásra talál. Elsősorban színtelenítő és derítő tulajdonságán alapuló alkalmazását kell említeni. Vagy úgy járnak el, hogy az anyagot az aktív szén porával, szuszpenziójával, esetleg kolloid oldatával keverik, vagy pedig szűrőbetéteket sajtolnak belőle és az anyagot ily betéteket tartalmazó szűrőkön vezetik át. Sikeresen használható fel az aktív szén szag- és ízanyagok eltávolítására is például az élelmiszeriparban. Fontos szerepe jut a víztisztítási eljárásokban. Az ivóvízből az egészségre veszedelmes baktériumok és egyéb élő szervezetek eltávolítása legcélszerűbben klórozással történik. A klór azonban maga is méreg, amellett mind maga, mind szerves vízszennyező anyagokkal alkotott vegyületei rossz ízűek és mérgezőek is lehetnek, a vízből tehát ezeknek még a nyomát is el kell távolítani. E tekintetben bizonyos esetekben az aktív szén igen jó szolgálatokat tesz."

A modern aktív szenek az alábbi csoportokba sorolhatóak:

• Porított aktív szenek (PAC)
• Granulált aktív szenek (GAC)
• Extrudált aktív szenek (EAC)
• Hordozó aktív szenek (BAC)
• Impregnált aktív szenek
• Műanyagbevonatos aktív szenek.

Az aktív szén vegyipari alkalmazásai

Az aktív szén nagy fajlagos felülete miatt katalizátorként alkalmazható, vegyi reakciók felgyorsítására vagy katalizátorok megkötésére, hordozóként. A foszgént például 250 °C-on, aktív szén katalizátor jelenlétében szén-monoxidból és klórgázból gyártják (ahogy Davy először előállította). A hidrogénezési reakciókban is gyakran alkalmaznak aktív szént katalizátorokat.

Kémiai inertsége és könnyű előállíthatósága hamar közkedveltté tette az aktív szenet mind a tudományban, mind az iparban. Régóta alkalmazott anyag a katalízisben is: nagy fajlagos felülete miatt előszeretettel alkalmazzák hordozóként. Ugyanakkor a hagyományos aktív szenet a zeolitok, az új mezopórusos anyagok és legújabban a szén nanocsövek kezdik kiszorítani a legfontosabb katalitikus alkalmazási területeiről.

Palládium, nikkel és réz tartalmú aktív szén hordozós katalizátorokat alkalmaznak hidrodeklórozási reakcióban. Aktív szén hordozós palládiumot és platinát hidrogénezésre, pl. nitrobenzol hidrogénezésére alkalmazzák.

Fémek extrakciójához és az arany tisztításához is használják.

Az adszorpciós hűtőgépek aktív szenet használnak a hűtőgáz adszorbenseként.

Az élelmiszeriparban a kávé koffeinmentesítésére, szeszesitalok derítésére, kellemetlen íz- és szaganyagok eltávolítására alkalmazzák.

Az aktív szenet az analitikában is alkalmazzák állófázisként, például szénhidrátok folyadékkromatográfiás elválasztásához.

Az utóbbi időkben az aktív szenek pórusméretét igyekeznek szűk határok között beállítani méret szerinti szelektivitást igénylő alkalmazásokra. A mezopórusos szenek szintézisénél kolloid szilika oldat (Ludox®) bepárlásával és a szilárd maradék szárításával szilika gömböket kapunk. A gömbök közötti tér szerves anyaggal való kitöltésével, majd karbonizálásával, végül pedig a szilika templát hidrogén-fluoriddal történő eltávolításával mezopórusos szenet kapunk, melynek fajlagos felülete, pórusmérete- és térfogata függ az alkalmazott szilika templát minőségétől. Ezek a jellemzők tehát könnyen szabályozhatóvá válnak a templát megfelelő megválasztásával.

Az adszorpcióra használt aktív szén regenerálható. legismertebb eljárás a termikus deszorpció, amikoris az szorbeált anyagot magas hőfokon deszorbeáltatják az aktív szén felületéről. A szorbeált anyag kondenzálás után visszanyerhető. A másik regeneráló eljárás az oldószeres extrakció, mely általában kevésbé hatékony, mint a termikus deszorpció, de egyes anyagok leoldására alkalmas. Használhatunk még ultrahangos és elektrokémiai regenerálást. A biodegradálható adszorbeált anyagok eltávolítására mikroorganizmusokat, a kémiaia úton oxidálhatóakat pedig nedves oxidációval bonthatjuk el az aktív szén károsodása nélkül.

Ha olyan anyagot kötött meg az aktív szén mely sem nem olható sem nem deszorbeálható, viszont leköti az aktív szén adszorpciós kapacitását, akkor legegyszerűbb megsemmisítési mód a szén és az adszorbeált anyag együttes elégetése. 

Aktív szén környezetvédelmi alkalmazásai

• Levegőtisztítás: légszűrőkben, gázálarcokban
• Füstgázok tisztítására, kiemelendő a hulladékégetők és széntüzelésű erőművek füstgázából történő higany eltávolítására kifejlesztett impregnált aktív szén
• Víztisztítás: adszorbensként a vízhez keverve vagy szürők tölteteként
• Szennyvízkezelési technológiákban: szűrőként (utótisztítás) vagy a biológiai szennyvíztisztításban a szennyvíztisztító baktériumok megkötésére, tartózkodási idejük meghosszabbítására
• Szennyezett talaj- és talajvízkezelés: a kiszivattyúzott talajvíz kezelésére, in situ talajvízkezelésre (aktív szénnel töltött résfal), talajhoz keverve megváltoztataja a szennyezőanyagok fázisok közötti megoszlását, ezzel védi a  talajlakó élőlényeket, mert  csökkenti a biológiailag elérhető és felvehető toxikus anyag hányadot a talajban.

Aktív szén a háztartásokban

• Konyhai elszívók tölteteként
• Ivóvíz kezelése háztartási mennyiségben
• Akváriumok vizének tisztítása

Aktív szén orvosi alkalmazása

Vírusos, vagy baktérium okozta hasmenésre, ételmérgezés kezelésére régóta alkalmazzák az úgynevezett carbo activatus-t, magyarul aktív szenet, más néven orvosi vagy aktiv szenet. Egy i.e. 1550-ből való papirusztekercs is említi már, hogy az aktív szén igen hatékony ételmérgezések esetén.

1831-ben a francia Tourey akadémikus professzor kollégái szeme láttára halálos mennyiségű sztrichnint vett be,majd annak hatását aktív szén segítségével semlegesítette, így túlélte az esetet. Ez azt bizonyította, hogy az aktív szén (carbo activatus) rendkívül hatásosan képes különböző gyomor- és bélrendszeri mérgezések megszüntetésére.

Az aktív szenet növényi anyagokból elszenesítési eljárással készítik, úgy, hogy nagy adszorpciós képességű anyag keletkezzék. Az aktív szén fajlagos felülete igen nagy: ezen a felületen kötik magukhoz a baktériumokat, vírusokat, ezzel megakadályozva azok felszívódását a szervezetbe.A baktériumok és gombák által termelt toxinokat és más szerves vegyi anyagokat is képes megkötni.

Egy gramm szén felülete körülbelül 2 teniszpálya méretének felel meg, azaz 500 négyzetméter körüli érték.

• baktérium, vírus, ételmérgezés okozta hasmenéseket igen hatékonyan kezel
• jól tolerálható: minimális mellékhatás és ellenjavallat
• teljes mértékben természetes: növényi eredetű
• helyreállítja a természetes perisztaltikát
• a hasmenés okára hat
• biztonságosan használható szinte bármely korosztálynál: adható terhesség és szoptatás idején, valamint kisgyermekeknek is
• nincs rossz íze, gyakorlatilag íztelen.

A természetgyógyászok tisztítókúrákhoz is ajánlják. Érdemes elővigyázatosnak lenni, mert hosszú időn keresztül történő használata (szájon át) eredményeképpen a tápanyag felszívódását csökkentheti a bélben és ezzel hiánybetegségek kialakulásához vezethet.