Puuhiili

Aktiivihiili , jota kutsutaan myös aktiivihiiltä tai aktiivihiili , on aine, joka koostuu oleellisesti materiaalista hiilipitoisen rakenteen huokoinen .

Aktiivihiili on mikä tahansa hiili, joka on läpikäynyt tietyn valmisteen ja jolla on siten suuri ominaisuus kiinnittää ja pitää kiinni tietyt sen kanssa kosketuksiin joutuneet molekyylit. Se on amorfinen rakenne, joka koostuu pääasiassa hiilestä ja hiili , yleensä saadaan, kun vaiheen karbonoimalla korkean lämpötilan esiaste.

Aktiivihiilellä on yleensä suuri ominaispinta-ala, mikä antaa sille voimakkaan adsorbointitehon . Adsorptio on pinta ilmiö, jossa molekyylit sitoutuvat pintaan adsorbentista heikkoja sidoksia: vahvuus van der Waalsin , sähköstaattiset vuorovaikutukset , vetysidokset .

Todisteet aktiivihiilen käytöstä ovat peräisin muinaisista ajoista , kun Hippokrates käytti lääkkeitä noin 400 eaa. JKr. Tai egyptiläisten vedenpuhdistukseen noin vuonna 1550 eKr. AD Vuonna XVIII th  -luvulla, eläin hiili , valmistettu luusta, käytettiin nesteiden puhdistukseen suodattamalla ja valkaisuun, mukaan lukien valkoisen sokerin tuotannon. Skotlantilainen John Stenhouse käytti sitä ensimmäisiin hengityssuojaimiin (1860, 1867).

Tämä on XX : nnen  luvulla, tuotantomenetelmät kehitettiin, jotta teollisen tuotannon aktiivihiiltä erilaisiin sovelluksiin: talteenotto epäpuhtaus kaasu- tai vesifaasiin, käsittelee kaasun erottaminen ,  jne. Fysikaaliset tai kemialliset käsittelyprosessit on kehitetty mahdollistamaan aktiivihiilen tuotanto entistä tehokkaammin: ruotsalainen kemisti von Ostreijko määrittelee fysikaalisten (vesihöyry, hiilidioksidi) ja kemiallisten (metallikloridit) perusteet kahdessa vuodessa 1900 ja 1901, ja kemiallinen aktivaatio hapoilla (Bayer, 1905).

Valmistus

Teollinen valmistus

Aktiivihiiltä voidaan tuottaa mistä tahansa orgaanisesta kasvimateriaalista, jossa on runsaasti hiiltä: kuorta, puumassaa, kookospähkinän kuoria, maapähkinän kuoria, oliivikuoppia tai muuten kivihiiltä , turpeesta , ruskohiilestä ja öljyjäännöksistä .

Tuotanto jaetaan kahteen vaiheeseen:

Hiilet voidaan aktivoida myös fyysisesti CO 2: llatai kemiallisesti Lewis-hapoilla (historiallisesti sinkkikloridia käytettiin laajalti) tai kaliumhydroksidilla. Kun hiilet aktivoidaan kemiallisesti, aktivointiaine huuhdellaan ja kierrätetään.

Jotkin prosessit mahdollistavat näiden kahden vaiheen yhdistämisen.

Huokoshalkaisija riippuu myös käytetyn raaka-aineen huokosista. Kookospähkinän kuoret ja erittäin tiheät metsät tuottavat mikrohuokosia (<2  nm ), keskipitkät tai valkoiset metsät antavat mesohuokosia (2-50  nm ) tai makroporeja (> 50  nm ).

Aktiivihiiltä tuotetaan melkein kaikissa maailman maissa, joissa on puumaisia ​​resursseja (puu, pähkinänkuoret, kuori, oksia, lehtiä  jne. ).

Kasvihiilen valmistus

Ranskassa puuhiiltä valmistettiin koivusta , tammesta , pyökistä , poppelista , mäntystä , pajusta tai kalkista . Parentis-en-Bornissa (Landes) on tehdas aktiivihiilen valmistamiseksi mäntypuusta .

Poppelihiili, joka tunnetaan myös nimellä "  Belloc-hiili  ", valmistetaan kolmen tai neljän vuoden ikäisten puiden versoista. Versot kalsinoidaan tyhjössä. Puuhiiltä keitetään suolahapossa laimennettuna arvoon 1/32 e . Sitten se pestään, kuivataan ja jauhetaan. Se varastoidaan poissa ilmasta estääkseen sitä imemästä ilmakehän kaasuja ja kosteutta.

Eläinpuuhiilen valmistus

Eläinhiili on valmistettu tuoreista eläinten luista. Kalaluut on suljettava pois. Rasva uutetaan keittämällä tai käyttämällä liuotinta. Luut murskataan ja hiiltyvät sitten. Hiiltymisen aikana öljyä ja kaasua vapautuu. Kaasu pestään ammoniakin poistamiseksi . Operaatio kestää keskimäärin kahdeksan tuntia.

Sitä voidaan kierrättää ja käyttää siten useita vuosia. Kun se on menettänyt adsorptiokykynsä, sitä käsitellään rikkihapolla superfosfaatin muodostamiseksi .

Ominaisuudet

Fyysiset ominaisuudet

Aktiivihiiltä on pääasiassa kolmessa muodossa (annetut mitat ovat tyypillisiä arvoja):

Erikoiskohteisiin (lääketiede, armeija) on saatavana myös aktiivihiilikankaita, jotka on valmistettu polymeerilangakankaista sekä huovista.

Aktiivihiilet ovat erittäin huokoisia (50-70 tilavuusprosenttia). Huokoisuus riippuu alkuperäisen materiaalin: kookospähkinän kuori tuottaa mikrohuokosia, kun taas puu tuottaa meso / makrohuokosia. Koko huokosien sisäpinnan kehittämä pinta johtaa valtaviin arvoihin: yhden gramman aktiivihiilen ominaispinta on välillä 400 - 2500  m 2 , tyypillisesti 1 000  m 2 . Erityiset pinnat mitataan käyttäen BET-isotermin ( Brunauer, Emmett ja Teller teoria ).

Aktiivihiili on hydrofobista  : se adsorboi vähän vesihöyryä alhaisessa suhteellisessa kosteudessa . Hyvin pienen huokossäteen vuoksi se voi siepata vesihöyryä Kelvin-kondensaatiolla ( Kelvin-yhtälön mukaan ), kun suhteellinen kosteus on yli noin 50%. Muut höyryt voivat myös kondensoitua. Hiilen huokoset täyttyvät sitten nestemäisessä ainesosassa, mikä selittää erittäin korkean adsorptiokapasiteetin. Esimerkiksi hiili voi kiinnittää korkeintaan 50 painoprosenttia tolueenia, joka on läsnä höyryn tilassa (0,5  kg tolueenia / kg hiiltä).

Adsorptio on kaasu tarvitsee yhden huokosen 2  nm , kun taas huokosia on 2-10  nm, on riittävä adsorptioon neste .

Kemialliset ominaisuudet

Aktiivihiilen kemialliset ominaisuudet riippuvat pinnan kunnosta, joka itsessään riippuu perusmateriaalin alkuperästä (kookospähkinä, mänty, kivihiili jne. ) Sekä  fysikaalisista ja kemiallisista käsittelyistä.

Kalsiumin rooli

Kalsiumioneilla, jotka vapautuvat aktiivihiilen pinnalta vedenkäsittelyprosessin aikana, on suuri rooli anionisten orgaanisten mikropäästöjen hyvässä kiinnittymisessä . Esimerkiksi on osoitettu, että mikromolaarinen kalsiumionipitoisuuksia suuresti lisätä adsorptio ja natriumdodekyylisulfaattia (SDS) on aktiivihiiltä, poistettiin suurin osa sen pinnan metalli-ionien huuhtelemalla happo. Kloorivetyhapolla . Tämän lisätyn kalsiumin avulla voidaan neutraloida hiilen pinnan funktionaalisten ryhmien negatiiviset varaukset, mutta myös jo adsorboituneesta SDS: stä johtuvat negatiiviset varaukset, mikä lisää SDS: n lisäkiinnitystä. Aktiivihiilellä ennen mikropäästöaineiden adsorptiota tehdyt hoidot voivat suuresti muuttaa hiilen adsorptiokapasiteettia. Se tosiasia, että kalsiumioneja lisätään suodatettavaan veteen, parantaa anionisten mikrosaasteiden adsorptiotuotosta aktiivihiilessä. Tällainen lisäys ei kuitenkaan ole taloudellisesti kannattava.

Sähköiset ominaisuudet

Johtavuus

Hiilestä koostuva aktiivihiili johtaa tietyssä määrin sähköä. Tätä ominaisuutta käytettiin aktiivihiilirakeiden lämmittämiseen Joule-vaikutuksella sen regeneroimiseksi (desorboivat kiinteät molekyylit). Kaksi metallielektrodia on järjestetty yleensä sylinterimäisen sängyn päihin ja käytetään jännitettä (sitä voidaan myös lämmittää sähkömagneettisella induktiolla). Puolijohde käyttäytyminen hiilen korostuu, koska lämpötila käyrä on negatiivinen, toisin sanoen, että ominaisvastus pienenee, kun lämpötila nousee toisin kuin johtimet, metallinen esimerkiksi. Vakiojännitettä käytettäessä sängyn lämpötila nousee, sen vastus pienenee ja vastaavasti intensiteetti kasvaa ja myös käytetty teho P = UI . Tämä johtaa pakenevaan järjestelmään. Siksi on tarpeen säätää jännitettä. Tässä sähkötermisessä desorptioprosessissa ei ole tapahtunut merkittävää teollista kehitystä, koska perinteiset prosessit, kuuma ilma ja ylikuumentunut vesihöyry ovat tehokkaita ja halpoja.

Kapasiteetti

Kun kiinteä aine saatetaan kosketukseen suolaliuoksen kanssa, rajapinnalle kehittyy varauksen jakauma, jota kutsutaan sähkökemialliseksi kaksoiskerrokseksi . Tämä käyttäytyy kuin kondensaattori, jonka kapasitanssiarvot ovat pienet, suuruusluokkaa muutama mikrofaradi neliösenttimetriä kohti. Aktiivihiilen ominaiskapasiteettiarvot ovat erittäin korkeat, kun otetaan huomioon sen korkeat ominaispinnat. Esimerkiksi rajapinnan 10  uF / cm 2 , ja hiili 1000  m 2 / g , kapasiteetti on 100  F / g . Puhumme superkondensaattoreista . Tätä ominaisuutta käytetään erityisesti monissa sähkön varastointijärjestelmissä (ajoneuvo, kello jne.) Ja reaktiivisissa järjestelmissä suuritehoisiin käynnistyksiin.

Kaksinkertainen kerros vaikuttaa myös pinnan adsorptio-ominaisuuksiin. Rungon adsorptioisotermi voi siten riippua käytetystä sähköpotentiaalista. Tätä ilmiötä kutsutaan sähkösorptioksi.

Käyttää

Aktiivihiiltä käytetään monilla alueilla:

Suodatus

Kemia

Lähde.

Ala

Lääke

Voit ostaa tämän aktiivihiilen ( virallinen tai kaupallinen) tai Charbon de Belloc apteekeista ja luomuruokakaupoista. Myrkytyksen yhteydessä nopea lääketieteellinen neuvonta on edelleen välttämätöntä.

Aktiivihiilellä ei ole makua, hajua tai epämiellyttävää vaikutusta. Koska aktiivisen peptisen haavauman tai suolitukoksen , lääkehiiltä ole käytännössä mitään vasta, lukuun ottamatta liity mihinkään Ripulin tuotetta (katso kohta Digestive puhdistus ). Se on hyvin siedetty, jopa suurina annoksina. Koska sen adsorptio on nopeaa, se on tehokas nieltynä. On kuitenkin huomattava, että aktiivihiilen ottaminen ei ole yhteensopiva lääkehoidon (Esimerkiksi ehkäisypilleri) kanssa, jolloin aktiivihiili adsorboi näiden samojen lääkkeiden aktiivisia molekyylejä . Siksi on välttämätöntä viivästyttää aktiivihiilen saantia kahdella tai kolmella tunnilla muiden lääkkeiden saannin kanssa .

Aktiivihiilen myrkyllisyys ei kuitenkaan ole nolla: vaikka aktivointiprosessi vähentää merkittävästi PAH-yhdisteiden tasoa hapettamalla, se ei ole vapautettu siitä, samoin kuin raaka-aineessa olevien raskasmetallien määrä. Pitoisuus bentso [ ] pyreeni (yksi syöpää aiheuttavia PAH-yhdisteet) on enintään 50  ug / kg elintarvikkeiden aktiivihiili. Ruoansulatusjärjestelmä ei kuitenkaan absorboi aktiivihiiltä ja pitää nämä yhdisteet suljettuina, mikä vähentää merkittävästi niiden myrkyllisyyttä. Euroopan elintarviketurvallisuusviranomainen (EASA) katsoo, että niiden käyttö- tavattaville, hiili, joka sisältää vähemmän kuin 1,0  ug / kg syöpää aiheuttavien orgaanisten jäämien ei aiheuta vaaraa terveydelle.

Agribusiness

Elintarviketeollisuudessa laajalti käytetyllä aktiivihiilellä on kaksi käyttötarkoitusta: toisaalta sen valkaisuominaisuuksien ja toisaalta puhdistuskyvyn vuoksi. Aktiivihiiltä löytyy:

Uudelleenaktivointi ja regenerointi

Tietyn ajan ilman, kaasun tai nesteen käsittelyn jälkeen aktiivihiili kyllästyy tai menettää suuren osan tehokkuudestaan. Toisin kuin jauhettu aktiivihiili (poltettu tai kaatopaikalle sijoitettu), rakeistettua aktiivihiiltä voidaan tietyssä määrin kierrättää.

Yleisimmin käytetty menetelmä on "  terminen uudelleenaktivointi  ": aktiivihiili pannaan uuniin välillä 700  ° C ja 900  ° C: n läsnä ollessa vesihöyryn . Adsorboituneet molekyylit hajotetaan. Jos ne ovat orgaanisia, ne pyrolisoidaan . Adsorptiohuokosissa oleva jäännös kaasutetaan uunin ilmakehässä olevan vesihöyryn avulla. Aktiivihiili palauttaa alkuperäisen rakenteensa ilman epäpuhtauksia.

Se voidaan myös regeneroida happo- tai emäksisillä pesuliuoksilla. Tässä tapauksessa se palauttaa vain osan kapasiteetistaan, koska kaikkia adsorboituneita molekyylejä ei ole mahdollista eliminoida. Sitten puhumme työkyvystä.

Eri

Aktiivihiili on ollut Maailman terveysjärjestön tärkeimpien lääkkeiden luettelossa vuodesta 1977.

Aktiivihiiltä käytetään myös kosmeettisissa tuotteissa, kuten mustapäiden poistoaineissa tai valkaisevissa hammastahnoissa, mutta sen tehokkuudesta ei ole riittävästi tieteellistä näyttöä. Päinvastoin, ei ole suositeltavaa käyttää hiilihammastahnaa brittiläisten asiantuntijoiden mukaan, joiden analyysi on julkaistu British Dental Journal -lehdessä .

Bibliografia

Viitteet

  1. Paul-Victor Fournier , Ranskan lääke- ja myrkyllisten kasvien sanakirja , Pariisi, Omnibus,2010, 1047  Sivumäärä ( ISBN  978-2-258-08434-6 ) , s.  507, 752, 934
  2. (in) Edward Thorpe , Dictionary of Applied Chemistry , Voi.  2, Lontoo, Longmans, Green and co,1921, s.  482.
  3. Michel Mazet , Abdelrani Yaacoubi ja Pierre Lafrance , "  Aktivoidun hiilen vapauttamien metalli-ionien vaikutus orgaanisten mikropäästöjen adsorptioon. Kalsiumionien rooli  ”, Water Research , voi.  22, n °  10,1. st lokakuu 1988, s.  1321-1329 ( ISSN  0043-1354 , DOI  10,1016 / 0043-1354 (88) 90121-2 , lukea verkossa , käyttää 1 st helmikuu 2020 )
  4. Georges Grévillot, "  Haihtuvien orgaanisten yhdisteiden täyttämän ilman käsittely  " , julkaisussa Culture Science. Korkeampi normaalikoulu ,2004(käytetty 2. helmikuuta 2020 )
  5. sovellukset aktiivihiili .
  6. ADEME, haihtuvat orgaaniset yhdisteet , Pariisi, Dunod,2013, 263  Sivumäärä ( lue verkossa ) , s.  133
  7. Olivier Maurer, Tutkimus rikkilajien jakautumisesta ja rikkivetyjen muodostumisesta maakaasuvarastoissa pohjavesikerroksissa (väitöskirja) , Pariisi, École Nationale des Ponts et Chaussées,1992( lue verkossa )
  8. "  International Homepage  " , Atlas Copcossa (luettu 30. elokuuta 2020 ) .
  9. (in) Tieteellinen lausunto kasvihiilen uudelleenarvioinnista elintarvikelisäaineena , elintarvikelisäaineiden ja ravinnelähteiden paneeli EASA: lle
  10. asetus (EY) N o  889/2008 on ecocert.fr
  11. Les Nouvelles de la Boulangerie-Pâtisserie Française , joka toinen kuukausi ilmestyvä ammattilehti.
  12. Ranskan leipomo-leivonnaisten kansallinen valaliitto "  CIRCULAR N ° 67  " , https://www.boulangerie.org ,28. joulukuuta 2017
  13. "  eEML - Electronic Essential Medicines List  " , osoitteessa list.essentialmeds.org (käytetty 21. helmikuuta 2021 )
  14. (in) WHO: n asiantuntijaryhmän pääsihteerien, "  valinta tärkeitä lääkkeitä  " [PDF] on list.essentialmeds.org , Geneve,1977
  15. "  Charcoal-hammastahnat: muoti välttää terveyttäsi, sanovat asiantuntijat  " , julkaisussa Sciences et Avenir ( käyty 15. toukokuuta 2019 )

Katso myös

Aiheeseen liittyvät artikkelit

Bibliografia