Regeneracja węgla aktywnego używanego w procesach
farmaceutycznych.
Adsorpcja kwasu octowego na zregenerowanym złożu.
1
Wprowadzenie
(opracowała dr inż. Ewa Paluszkiewicz)
Węgiel aktywny jest adsorbentem, którego początki zastosowania wiążą się z
medycyną. Hipokrates i jego uczniowie zalecali zasypywanie węglem drzewnym ran w celu
usuwania ich przykrego zapachu. Początki przemysłowych zastosowań związane są z
rozwojem przemysłu cukrowniczego, gdzie na początku XX wieku znalazł zastosowanie do
odbarwiania syropów.
Tajemnica działania i bardzo dobre właściwości zawdzięcza on swej porowatej
budowie. W procesie produkcji w surowcu bazowym wytwarzane są rozgałęzione kanały-
pory. W zależności od ich wielkości mówimy o makro(>50 nm), mezo-(2-50 nm) lub
mikrosporach(<2 nm). Taka konstrukcja zapewnia silne rozwinięcie powierzchni właściwej
materiału  1 gram węgla może skrywać nawet 2000 m2 powierzchni.
W 1771 roku szwedzki badacz Scheele odkrył zjawisko adsorpcji. Jest to zjawisko
gromadzenia się substancji (gazu, pary, składnika roztworu) na powierzchni ciała stałego. W
praktyce zachodzi ono jednocześnie z absorpcją, która polega na pochłanianiu danej
substancji przez całą objętość ciała stałego. Oba zjawiska nazywa się sorpcją. Substancja
adsorbującą nosi nazwę adsorbentu, a adsorbowana- adsorbatu. Adsorbat nie pokrywa całej
powierzchni, lecz tylko pewne obszary, zwane centrami aktywnymi. W zależności od rodzaju
sił powodujących proces rozróżnia się adsorpcję fizyczną i chemisorpcję.
Adsorpcja fizyczna zachodzi wskutek niespecyficznych oddziaływań
międzycząsteczkowych, dyspersyjnych lub Van der Waalsa. Jeżeli siły wiążące adsorbat na
powierzchni absorbentu mają naturę wiązania chemicznego, oddziaływania elektrodonorowo-
elektroakceptorowe, wiązania wodorowe, adsorpcję nazywamy chemisorpcją. Jest to bardzo
trwały sposób  uwięzienia zanieczyszczenia, którego praktycznie nie można uwolnić.
Węgiel aktywny dzięki silnie rozwiniętej powierzchni jest znakomitym adsorbentem-
potrfi pochłonąć substancje w ilości blisko 20% własnej masy. Dzięki zjawisku adsorpcji
fizycznej, węgiel aktywny jest niezwykle skuteczny w usuwaniu rozpuszczonych substancji o
dużych cząsteczkach. Około 90% ogólnej ilości związków organicznych jest pochłaniana-
jedynie 10% można uznać za słabo adsorbowane na węglu aktywnym. Przykłady związków
dobrze i słabo usuwanych przez węgiel aktywny zamieszczono w tabeli 1.
2
Tabela 1. Przykłady organicznych substancji dobrze i z
le usuwanych przez węgiel aktywny
[Kowal&Świderska-Bróż 1996]
Substancje dobrze usuwane Substancje słabo usuwane
Rozpuszczalniki aromatyczne (benzen, Alkohole
toluen, nitrobenzeny itd.) Ketony, kwasy i aldehydy o małej masie
Chlorowne zwiąki aromatyczne (PCB, cząsteczkowej
chlorobenzeny, chloronaftalen) Cukry i skrobia
Fenol i chlorofenole Związki o bardzo dużej masie cząsteczkowej
Wielopierścieniowe węglowodory lub koloidy
aromatyczne(acenaften, benzopireny itd.) Związki alifatyczne o małej masie
Pestycydy i herbicydy (DDT, chloran itd..) cząsteczkowej
Chlorowane, niearomatyczne związki
organiczne (tetrachlorek węgla,
chloroalkilowe etery, heksachlorobutadien
itd.)
Węglowodory o dużej masie cząsteczkowej
(barwniki, aminy, związki humusowe,
benzyna)
Węgiel aktywny wykazuje również pewną skuteczność w usuwaniu zanieczyszczeń
nieorganicznych - np. metali. Istnieją dwa zasadnicze mechanizmy tego zjawiska. Jony metali
często tworzą związki z substancjami organicznymi w kompleksy. Zatem mechanizm
adsorpcji polega na sprzężonym usuwaniu zanieczyszczeń organicznych wraz ze związanymi
z nimi związkami nieorganicznymi. Również możliwe jest usuwanie bezpośrednio 
niekoniecznie za pośrednictwem dużych cząsteczek organicznych. Na powierzchni węgla
aktywnego rozmieszczone są tzw. grupy funkcyjne. Zdolność usuwania np. metali ciężkich
zależy właśnie od rodzaju i liczby tych grup, a to z kolei zależy od użytego materiału oraz
technologii zastosowanej do produkcji węgla. Oznacza to, że różne węgle aktywne
charakteryzują się różną skutecznością usuwania poszczególnych substancji chemicznych. W
tabeli 2 podano przykłady nieorganicznych substancji wraz z klasyfikacją pod względem
typowej sprawności ich usuwania.
Tabela 2. Podatność na usuwanie węglem aktywnym niektórych zanieczyszczeń
nieorganicznych
3
Rodzaj zanieczyszczenia Podatność na usuwanie
Antymon, arsen, bizmut, chrom, cyna wysoka
Srebro, rtęć, kobalt, cyrkon dobra
Ołów, nikiel, tytan, wanad, żelazo dość dobra
Miedz
, kadm, bar, selen, molibden. Mangan, niska
wolfram, rad
Chrom, brom, jod, fluorki wysoka
Azotany, fosforany, chlorki, bromki, jodki niska
W przemysłowej technologii wody węgiel aktywny znalazł jeszcze jedno zastosowanie  jest
znakomitym podłożem dla mikroorganizmów. Spełnia wszystkie cechy bardzo dobrego
wypełnienia filtrów biologicznych. Biologicznie aktywne węgle stosuje się od lat 80 XX
wieku. Podstawową cechą, ważną dla materiałów stosowanych jako wypełnienia filtrów
biologicznych, jest silnie rozwinięta powierzchnia  tak, aby w jednostce objętości zmieściło
się maksymalnie dużo pożytecznych mikrobów. Podłoże powinno być też dla nich
 przyjazne ,  czyli nie zawierać np. składników toksycznych. Te cech z powodzeniem
spełnia węgiel aktywny. Ma przecież bardzo dużą powierzchnię właściwą, znacznie
przewyższającą znane nam wypełnienia ceramiczne czy też z tworzyw sztucznych. Jest
nietoksycznym materiałem pochodzenia naturalnego. Co więcej  jest to podłoże zasobne w
węgiel i tlen oraz zapewnia dostatek pożywienia w postaci pochłoniętych zanieczyszczeń. Jest
jednym z najczęściej zasiedlanych przez bakterie materiałów filtracyjnych. Pełen rozwój ich
kolonii następuje wcześniej niż w przypadku innych stosowanych wkładów do filtrów.
Węgiel aktywny jest otrzymywany w procesie karbonizacji i aktywacji materiałów
głównie pochodzenia roślinnego. Używa się tu takich substratów jak: węgle kopalne, torf,
łupiny orzechów, pestki owoców, czasami także pochodzenia zwierzęcego np. kości. Około
60% wszystkich węgli na świecie, również w Polsce, wytwarza się z węgla kamiennego.
Produktem procesu karbonizacji wyjściowego materiału, przeprowadzonej bez dostępu
powietrza i bez udziału czynników chemicznych, jest praktycznie nieaktywny adsorpcyjnie
materiał, o powierzchni właściwej rzędu kilku m2/g. Prawdziwy węgiel aktywny, o dużej
porowatości oraz silnie rozwiniętej powierzchni, jest otrzymywany z karbonizatu w procesie
aktywacji. Najczęściej jest to aktywacja fizyczne, przeprowadzana w wysokiej temperaturze z
wykorzystaniem pary wodnej, dwutlenku węgla, powietrza lub ich mieszaniny. Natomiast
aktywacja chemiczna polega na wykorzystaniu w tym celu różnych związków chemicznych.
4
W zależności od zastosowanego aktywatora otrzymujemy węgle o różnych cechach. Do około
1970 roku jednym z najpopularniejszych aktywatorów był chlorek cynku(II). Przede
wszystkim ze względu na dużą szkodliwość dla środowiska metalu, jakim jest cynk, obecnie
znacznie częściej używa się kwasy fosforowego.
Otrzymany węgiel aktywny należy jeszcze odpowiednio uformować. Istnieją trzy zasadnicze
postaci: pylista, ziarnista i granulowana. Pyliste węgle aktywne (PWA) stosowane są
powszechnie w stacjach uzdatniania wody. Ziarniste węgle aktywne (ZWA) mają postać
nieregularnych ziaren wielkości kilku milimetrów. Granulowane węgle aktywne (GWA) mają
postać regularnych ziaren i często otrzymywane są w procesie formowania PWA z
zastosowaniem specjalnych lepiszczy (np. niektóre smoły). Są one przeznaczone głównie do
oczyszczania gazów.
Zużyty węgiel aktywny można poddać regeneracji. W tym celu, bardzo często stosuje się
wysoką temperaturę rzędu 800�C. Innym sposobem regeneracji jest wymywanie
rozpuszczalnikami (w zależności od zaadsorbowanych związków stosuje się zarówno
rozpuszczalniki polarne jak i niepolarne) lub w wyniku gwałtownego skoku pH.
Część doświadczalna
(opracowała dr inż. Ewa Wagner-Wysiecka)
Adsorpcja w układzie ciecz- ciało stałe, obok procesu przebiegajacego w układzie ciało stałe
gaz, ma ogromne znaczenie praktyczne.
Proces adsorpcji zależy w głownej mierze od charakteru oddziaływan pomiędzy cząsteczkami
substancji adsorbowanej (adsorbatu) i fazy adsorbującej (adsorbenta). Do opisu procesu
adsorpcji w układzie ciało stałe-gaz stosowane są, z pewnymi założeniami, m.in.
izoterma Langmuira, dobrze opisujaca procesy chemisorpcji
izoterma BET będąca lepszym układem modelowym dla adsorpcji fizycznej (w porównaniu z
izotermą Langmuira).
Równowaga, w bardziej złożonym układzie, w układzie ciało stałe  ciecz może zostać
opisana empirycznym równaniem określanym jako izoterma Freundlicha:
a= kcn
gdzie:
a  liczba moli substancji zaadsorbowanej przez 1 g adsorbenta
c  stężenie molowe roztworu w stanie równowagi adsorpcyjnej
k, n  stałe (n < 1).
5
Równanie Freundlicha jest obecnie stosowane rzadko, częściej korzysta się z określonych
modeli bazujących na gruncie termodymnamiki.
Szybkość ustalania się równowagi adsorpcyjnej zależy od właściwości fizykochemicznych
układu. Głównym czynnikiem decydującym o szybkości procesu jest transport dyfuzyjny
adsorbatu do wnętrza kapilar adsorbenta.
W przemyśle proces adsorpcji jest prowadzony najczęściej w sposób okresowy, jednakże
można go zrealizować także tak, aby posiadał cechy procesu ciągłego.
Istotnym elementem procesów adsorpcyjnych jest regeneracja adsorbenta, mająca na celu
przywrócenie mu jego właściwości adsorpcyjnych. Proces regeneracji adsorbenta może być
także wykorzystany do odzyskania adsorbatu, jeśli stanowi on istotny składnik układu.
Regeneracja adsorbenta może być uzyskana przez poddanie go działaniu podwyższonej
temperatury pod zmniejszonym ciśnieniem, można także go zregenerować poprzez
wymywanie za pomocą gazu obojętnego lub pary (ewentualnie ciekłych rozpuszczalników).
W szczególnych przypadkach stosuje się także wymianę adsorpcyjną. W żadnej z wyżej
wymienionych metod regeneracji adsorbent nie uzyskuje w pełni swoich pierwotnych
właściwości.
Wykonanie ćwiczenia
1. Regeneracja złoża adsorpcyjnego (węgla) wykorzystywanego w procesie farmaceutycznym
za pomocą wymywania rozpuszczalnikami.
Aparatura i odczynniki:
Lampa UV
Waga analityczna
Komora chromatograficzna
Kolbki ssawkowe
Kolbki okrągłodenne
Lejki Buchnera
Sączki
Rozpuszczalniki: chloroform, metanol
Węgiel przeznaczony do regeneracji
Z węgla przeznaczonego do regeneracji pobrać niewielką próbkę. Zawiesić ją w mieszaninie
chloroform: metanol (10:1, v/v). Wykonać chromatogram cienkowarstwowy, stosując jako
fazę ruchoma mieszaninę rozpuszczalników chloroform: metanol (10:1, v/v). Skład fazy
zaadsorbowanej określić chromatograficznie poprzez porównanie z chromatogramem
6
odpowiednich substancji wzorcowych. Na podstawie uzyskanych chromatogramów dobrać
układ rozpuszczalników do regeneracji złoża. Całość węgla przeznaczonego do regeneracji
umieścić na lejku Buchnera i przemywać kolejno dobranym układem rozpuszczalników.
Postęp regeneracji kontrolować chromatograficznie. Odparować odpowiednie przesącze i
porównać chromatograficznie z substancjami wzorcowymi. Węgiel pozostawić do
 podsuszenia na sączku i przeznaczyć do wyprażania.
Omówić uzyskane rezultaty oraz wyjaśnić czy proces regeneracji złoża poprzez wymywanie
rozpuszczalnikami może być zastosowany w warunkach technologicznych. Odpowiedz

uzasadnić.
2. Adsorpcja kwasu octowego na złożu regenerowanym
Aparatura i odczynniki:
Biurety 50 ml
12 kolbek elrenmajerek 100 ml
6 kolbek erlenamjerek 250 ml
6 lekjów
6 pipet (10 ml)
saczki
kwas octowy
wodorotlenek sodu
fenoloftaleina
Wykonanie ćwiczenia
Do 6 kolbek o poj. 100 ml nawazyc po 1 g węgla.W każdej z nich umieścic po 50 ml kwasu
octowego o dokładnie ustalonym stężeniu (0,1-0,6 mol/dm3). Wymieszać, pozostawić na ok.
45 minut. Po upływie tego czasu odsączyć węgiel na sączkach karbowanych. Ustalić stężenia
kwasu octowego w poszczególnych próbkach po adsorpcji, poprzez miareczkowanie próbek
(10 ml) roztworem NaOH wobec fenoloftaleiny. Miareczkowanie próbek należy
przeprowadzić ze szczególną starannością.
W oparciu o uzyskane wyniki obliczyć ilość substancji zaadsorbowanej a (w molach) przez
1kg węgla.
a = (c1  c2)" V/mc
gdzie: mc = masa węgla aktywnego (w kg) odważonego do erlenmajerek
V = objętość roztworu (w dm3) użyta do adsorpcji
7
c1 i c2 = stężenie kwasu octowego odpowiednio przed i po adsorpcji (w mol/dm3)
wyniki umieścić w tabeli.
Lp c1 c2 a
Korzystając z uzyskanych danych wykreślić zależność liczby moli substancji
zaadsorbowanej w zależności od stężenia molowego roztworu w stanie równowagi
adsorpcyjnej. Wyznaczyć parametry k i n izotermy Freundlicha. Przeprowadzić dyskusję
uzyskanych wyników.
8