СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ И ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ АКТИВАЦИИ УГЛЕРОДНЫХ АДСОРБЕНТОВ

АННОТАЦИЯ

В данной статье проводится комплексный сравнительный анализ двух основных методов активации углеродных адсорбентов — физического (термического) и химического. Рассматриваются особенности рабочего режима (температура, газовая среда, энергетические затраты) при физической активации, а также влияние различных химических реагентов (KOH, H₃PO₄, ZnCl₂ и др.) на формирование пористой структуры, развитие удельной поверхности и повышение адсорбционной ёмкости при химической активации. Обсуждаются преимущества и ограничения каждого метода, а также области их оптимального применения. Полученные результаты свидетельствуют: физическая активация характеризуется большей экологической безопасностью и технологической устойчивостью, тогда как химическая активация обеспечивает более высокие сорбционные характеристики. В контексте Узбекистана обозначены перспективы разработки недорогих и эффективных гибридных технологий активации на основе широко доступной биомассы (например, хлопкового стебля, скорлупы орехов, подсолнечника).

ABSTRACT

This paper presents a comprehensive comparative analysis of two main methods for activating carbon adsorbents — physical (thermal) and chemical activation. The study examines the specific conditions of the process, including temperature, gas environment, and energy consumption during physical activation, as well as the effects of various chemical reagents (KOH, H₃PO₄, ZnCl₂, etc.) on the formation of porous structures, the development of specific surface area, and the enhancement of adsorption capacity in chemical activation.

The advantages and limitations of each method are discussed, as well as their optimal areas of application. The results indicate that physical activation is characterized by greater environmental safety and technological stability, whereas chemical activation provides higher adsorption performance. In the context of Uzbekistan, the prospects for developing cost-effective and efficient hybrid activation technologies based on widely available biomass (such as cotton stalks, nutshells, and sunflower residues) are emphasized.

Ключевые слова: углеродные адсорбенты, активированный уголь, физическая активация, химическая активация, пористость, удельная поверхность, адсорбционная ёмкость, биомасса.

Keywords: carbon adsorbents, activated carbon, physical activation, chemical activation, porosity, specific surface area, adsorption capacity, biomass.

Введение

В последние десятилетия вопросы охраны окружающей среды приобретают всё большую актуальность на фоне стремительного развития промышленности и увеличения антропогенной нагрузки на природные экосистемы. Интенсивное использование ресурсов, рост промышленных выбросов в атмосферу, сброс загрязнённых сточных вод и накопление твёрдых отходов создают серьёзные экологические проблемы. Среди основных вызовов современности — очищение воды, воздуха и других сред от органических соединений, тяжёлых металлов, токсичных газов и микрочастиц. В этой связи особое внимание уделяется материалам, обладающим высокой адсорбционной способностью, химической и термической стабильностью, а также развитой пористой структурой.

Углеродные адсорбенты занимают ведущую роль среди подобных материалов. К ним относятся активированный уголь, углеродные нанотрубки, графит и его модификации. Эти материалы обладают большой удельной поверхностью, что позволяет эффективно взаимодействовать с молекулами загрязнителей. Развитая пористая структура — наличие микропор, мезопор и макропор — обеспечивает высокую сорбционную ёмкость и диффузионную способность, что особенно важно при очистке жидких и газовых сред. Дополнительно углеродные адсорбенты характеризуются химической инертностью, устойчивостью к воздействию различных растворителей и температур, что расширяет спектр их промышленного применения в адсорбционных, каталитических и фильтрационных процессах.

Ключевым этапом подготовки углеродных адсорбентов является процесс активации, целью которого является увеличение внутренней поверхности материала, формирование пористой структуры и введение функциональных групп на поверхность углеродного скелета. Существует два основных метода активации: физическая (термическая) активация и химическая активация, каждый из которых имеет свои особенности, преимущества и ограничения.

Физическая активация проводится при высоких температурах (обычно 800–1000 °C) в присутствии газообразных окислителей — таких как углекислый газ (CO₂) или водяной пар. Этот метод позволяет удалить летучие компоненты органического сырья, увеличить пористость и создать активные центры на поверхности. Основными преимуществами физической активации являются экологическая чистота процесса, отсутствие химических реагентов и возможность масштабирования для промышленного производства. Однако процесс требует значительных энергетических затрат, а получаемая поверхность и пористость зачастую ниже, чем при химической активации.

Химическая активация заключается в предварительной обработке сырья химическими реагентами (например, KOH, H₃PO₄, ZnCl₂) с последующей термической обработкой при относительно низких температурах (450–700 °C). Химические вещества способствуют разрушению органической структуры, дегидратации и ароматизации, что ведёт к образованию высокоразвитой пористой структуры и увеличению удельной поверхности (до 1500–2500 м²/г). Дополнительно химическая активация позволяет внедрять функциональные группы на поверхность углерода, повышающие адсорбционные свойства. Основной недостаток метода — необходимость удаления остатков реагентов и управление экологической безопасностью, что увеличивает затраты и усложняет производственный процесс.

Помимо традиционных методов, в последнее время активно исследуются гибридные технологии, объединяющие элементы физической и химической активации. Они позволяют сочетать высокую пористость и сорбционную ёмкость с относительной экологичностью и экономичностью процесса. Особенно перспективно применение таких технологий в условиях Узбекистана, где доступно большое количество биомассы — остатки хлопка, скорлупа орехов, стебли подсолнечника, древесные отходы и сельскохозяйственные остатки. Использование местного сырья не только снижает стоимость производства, но и способствует решению экологических проблем, связанных с утилизацией отходов.

Цель данной работы — провести комплексное сравнение физической и химической активации углеродных адсорбентов, определить их технологические особенности, преимущества и ограничения, а также проанализировать перспективы внедрения гибридных методов в условиях локальной доступности сырья. В результате исследования предполагается выделить оптимальные стратегии производства активированных углеродных материалов для различных областей применения, включая очистку воды и воздуха, катализ, поглощение токсичных соединений и промышленную фильтрацию.

Материалы и методы

Методы активации углеродных адсорбентов

Физическая (термическая) активация

Физическая активация, иногда называемая термической активацией, выполняется в два основных этапа. Во-первых, производится карбонизация (или пиролиз) органического сырья — например, кокосовой скорлупы, скорлупы орехов, древесины, хлопкового стебля или сельскохозяйственных отходов. Этот этап проводится при температуре примерно 400–800 °C в инертной атмосфере (обычно азот или ток углекислого газа) с целью удаления летучих компонентов и формирования углеродного скелета.

 Во-вторых, полученный материал подвергается активации при температуре 800–1000 °C с использованием активирующего агента — такого как поток CO₂, водяного пара или смесь воздуха. В результате окисления атомов углерода образуются поры, увеличивается удельная поверхность и формируются активные центры на поверхности углерода.

Преимущества физической активации:

• отсутствие (или минимальное количество) химических реагентов, что делает процесс экологически более «чистым»;
• минимальное включение чужеродных ионов в конечный продукт;
• при наличии соответствующего оборудования и энергетических ресурсов метод годится для масштабного промышленного производства.

Недостатки:

• требуется высокая температура, что ведёт к значительным энергетическим затратам;
• развитие пористой структуры и величина удельной поверхности зачастую уступают результатам химической активации;
• длительность процесса может быть больше, чем у химической активации.

Например: при использовании кокосовой скорлупы, активированной физически, удельная поверхность находилась в пределах 700–900 м²/г, в то время как при активации паром при 900 °C — до 1100 м²/г.

Химическая активация

Химическая активация начинается с предварительной обработки исходного сырья реагентом (например, KOH, H₃PO₄, ZnCl₂, Na₂CO₃ или H₂SO₄). После пропитки реагентом производится карбонизация при умеренной температуре (450–700 °C). Реагенты способствуют разрушению органической матрицы, дегидратации, образованию ароматических колец и созданию развитой пористой структуры.

Преимущества химической активации:

• активация возможна при относительно более низких температурах (примерно 500–700 °C);
• образуется большое количество микропор и мезопор, удельная поверхность может достигать 1500–2500 м²/г и выше;
• на поверхности углерода формируются функциональные группы (карбонильные, карбоксильные, гидроксильные), что улучшает адсорбционную способность.

Недостатки:

• необходима последующая очистка и нейтрализация отработанных реагентов;
• некоторые активирующие агенты (например, ZnCl₂) представляют экологическую опасность;
• общие затраты на реагенты и утилизацию отходов выше, что усложняет применение в промышленном масштабе.

К примеру: при использовании хлопкового стебля, активированного H₃PO₄, достигается удельная поверхность около 1800 м²/г, а адсорбция аммиака была в 2–3 раза выше, чем у физически активированного аналога.

Сравнительный анализ двух методов

Ниже представлена обобщённая таблица сравнения ключевых показателей:

Таблица 1.

Обобщённая таблица сравнения ключевых показателей

Из таблицы видно: физический метод выгоден с точки зрения экологичности и простоты, особенно в условиях промышленного производства, однако уступает по развитию пористости и удельной поверхности. Химическая активация даёт более «технологически продвинутый» продукт с высокими адсорбционными характеристиками, но требует более строгого контроля реагентов и отходов.

Результаты и обсуждение

Области применения и перспективы

Для физически активированных адсорбентов типичны задачи очистки газовых эмиссий, воздушных потоков и создания фильтрующих элементов. Высокая стабильность и простота производства делают их привлекательными для больших объёмов при относительно невысокой стоимости.
Для химически активированных продуктов — очистка сточных вод, удаление органических загрязнителей, применение в качестве носителей катализаторов, адсорбция специфических газов и паров. Здесь важна высокая эффектив­ность и развитая пористая структура.

Перспективы в Узбекистане

В условиях Узбекистана доступно большое количество растительной биомассы: хлопковый стебель, скорлупа орехов, подсолнечный лузга и другие сельскохозяйственные отходы. Использование этих материалов как исходного сырья для углеродных адсорбентов имеет значительный потенциал. При этом особенно перспективна разработка гибридных технологий активации, объединяющих элементы физической и химической обработки — с целью сочетания экологичности, низкой стоимости и высокой адсорбционной эффективности.

Например, можно предусмотреть первоначальную термическую карбонизацию биомассы в инертной атмосфере, затем лёгкую обработку реагентом с минимальным его количеством и завершить активацию плавным термическим шагом. Такой подход позволит сократить энергозатраты и потребление реагентов, а также упростить утилизацию отходов. Важно также адаптировать технологии к локальным условиям: доступности сырья, наличию инфраструктуры теплообработки и возможность дальнейшего масштабирования.

В перспективе это может стать значимым вкладом в решение экологических проблем региона — очистку промышленных выбросов и сточных вод с помощью локально произведённых активированных углеродов, что открывает пути к развитию «зелёной» промышленности, созданию рабочих мест и снижению зависимости от импортных очистительных материалов.

Заключение и перспективы исследований

Выбор оптимального метода активации углеродных адсорбентов является ключевым фактором, определяющим их эксплуатационные характеристики и область применения. Как показали сравнительные исследования, физическая активация характеризуется экологической безопасностью, стабильностью процесса и возможностью масштабирования, что делает её предпочтительной для газофазных процессов и крупносерийного промышленного производства. При этом физическая активация обеспечивает формирование устойчивой пористой структуры, однако её сорбционная способность и удельная поверхность обычно ниже, чем у адсорбентов, полученных химическим методом.

Химическая активация, напротив, позволяет получать материалы с высокой удельной поверхностью и развитой микропористой структурой, что существенно увеличивает сорбционную ёмкость и эффективность адсорбции органических и неорганических соединений. Этот метод особенно актуален для задач, где требуется высокая функциональность поверхности, наличие кислородсодержащих функциональных групп и возможность целенаправленной модификации адсорбента. Однако использование химических реагентов требует последующей нейтрализации и очистки отходов, что повышает производственные затраты и усложняет экологический контроль.

Следует подчеркнуть, что физическая и химическая активации не являются взаимоисключающими. Напротив, разработка гибридных технологий, комбинирующих преимущества обоих методов, открывает новые возможности для получения высокоэффективных, экологически чистых и экономически оправданных углеродных адсорбентов. Особенно перспективным это направление является для условий Узбекистана, где имеется широкий доступ к различным видам биомассы — таким как шелуха орехов, стебли подсолнечника — и где рациональное использование местных ресурсов является важным стратегическим приоритетом.

Дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на создании оптимизированных гибридных технологий активации, которые обеспечивают:

1. Минимальное использование химических реагентов и снижение негативного воздействия на окружающую среду;
2. Контроль пористой структуры и удельной поверхности углеродных материалов с целью повышения сорбционной способности;
3. Адаптацию технологических режимов к различным видам доступного растительного сырья;
4. Возможность промышленного масштабирования и снижения себестоимости конечного продукта.

Реализация таких подходов позволит создавать недорогие и высокоэффективные углеродные адсорбенты, конкурентоспособные как на внутренних, так и на внешних рынках. Кроме того, внедрение гибридных технологий будет способствовать устойчивому развитию промышленности, минимизации отходов и соблюдению современных экологических стандартов.

Таким образом, дальнейшая оптимизация методов активации и разработка инновационных гибридных технологий представляют собой стратегически важное направление научных исследований и практического применения углеродных адсорбентов. Это позволит не только повысить эффективность очистки газовых и жидких потоков, но и существенно расширить области их применения, включая экологически значимые процессы, промышленное и сельскохозяйственное производство, а также подготовку высокоэффективных сорбентов для новых материалов и катализаторов.

Список литературы:

1. Marsh H., Rodríguez-Reinoso F. Activated Carbon.Elsevier, 2006.
2. Lua A. C., Yang T. «Effects of activation temperature on the textural and chemical properties of potassium hydroxide activated carbon prepared from pistachio-nut shell.» Journal of Colloid and Interface Science, 290(2), 505–513, 2005.
3. Материалы Института химии Академии наук Узбекистана, 2023.
4. Chen Y. идр. «Comparison of physical and chemical activation for preparing activated carbons from agricultural wastes.» Carbon Letters, 31, 425–437, 2021.
5. Патент РФ № 2111923 «Способ получения активного угля из косточек плодов и скорлупы …» / В.П.Голубев и др., заявлено 24.06.1997; опубликовано 27.05.1998 (бюл. № 15).
6. Иброҳимов, Ш., & Рахимов, Ф. (2020). Разработка технологий получения активированного угля из хлопковой соломы. Вестник Узбекского химического общества, 3(45), 12–19.
7. Каримов, Д., & Сидиков, А. (2019). Исследование пористости и адсорбционной способности активированного угля из ореховой скорлупы. Химическая технология в Узбекистане, 2(34), 25–31.
8. Hasdi, N. D., Ahmad, N., Ahya, M. K., & Puasa, S. W. (2023). An Overview of Activated Carbon Preparation from Various Precursors. Scientific Research Journal, 20(1), 51–87. DOI:10.24191/srj.v20i1.20963.
9. Wang, B., Lan, J., Bo, C., Gong, B., & Ou, J. (2023). Adsorption of heavy metal onto biomass‑derived activated carbon: review. RSC Advances, 13, 4275–4302. DOI:10.1039/D2RA07911A.
10. Hayashi, J., & Hasegawa, I. (2022). Preparing an activated carbon from biomass by chemical activation. TANSO, 2022 Issue 301, 30‑34. DOI:10.7209/tanso.2022.30.