Добыча угля — открый, закрытый и гидравлический способы
Добыча угля – это сложный технологический процесс, который требует очень много ресурсов и техники. Он используется в промышленности, для сельско-хозяйственных нужд, производства электроэнергии. В мире он имеет очень большую ценность, ископаемое называют черным золотом, твердой нефтью. Как выглядит добыча и переработка угля, и как развивалась эта промышленность в странах, от античности до наших дней?
История добычи черного золота в мире
Угольная промышленность начала развиваться еще в античности. Первыми странами, которые начали использовать его в виде топлива, являются Греция и Китай. Чаще всего он применялся для отопления помещений, а в дальнейшем и для выплавки металлов. 3000 лет назад в Китае поняли, что его сгорание намного эффективнее, чем получение тепла от дерева и другого сырья. В 315 году первым, кто изучал его свойства был ученый Теофраст, который дал ему говорящее название – антракс, что в переводе с грецкого означало «горящий камень».
Было множество теорий о происхождении этого топливного ископаемого. Некоторые считали, что он образовался в результате воздействия высокой температуры при извержении вулкана. Первые залежи нашли именно в их окрестностях – вблизи тектонических разломов, где месторождения были ближе всего к земле. Учитывая его горючие свойства, некоторые ученые высказывали предположение, что это затвердевшая нефть.
В дальнейшем ученые определили, что уголь имеет растительное происхождение, даже удалось установить, какие именно породы деревьев превалируют в том или ином пласте ископаемого.
Некоторые ученые склонны считать, что топливное ископаемое образовалось в результате потопа (прототипа библейскому), из-за которого множество растений были погребенные под слоями осадочных пород.
Нашли уголь случайно, во время выветривания и обрушения горных пород на поверхности оказывались куски странного материала, который имел черный окрас, и переливался на солнце. Добывался он вручную, с применением примитивной техники. Также куски собирали дети на побережьях, особенно после приливов и штормов. Шахтным способом его начали получать только в 1113 году, но и то производство было далеко от современности. Угольная деятельность считалась одной из самых опасных, работали на рудниках низшие слои населения, получая сущие гроши.
Самое обширное применение угля было в доменных печах: на кузницах, при обработке металла, на фабриках по производству кирпича. Ценился он из-за теплоемкости при горении, с его помощью можно было поддерживать высокую температуру долгое время.
С возникновением паровых двигателей, это топливо стало частью двигательных систем на пароходах, в автомобилях и другой технике, работающей по этому принципу. Сейчас же в добыче задействованы не только люди, но и огромное количество техники, а количество сырья, которое получают ежегодно составляет миллиарды тонн.
Первые данные о поисках месторождений угля для промышленного использования датируются 1491 годом, когда Великим князем Московским Иваном III были организованы экспедиции в горные массивы. Им был выбран Печорский край – один из крупнейших рудников по добыче угля в России сегодня.
Самые масштабные разработки угольных шахт были при Петре 1, он был инициатором создания шахт на Урале, Донбассе, в Кузнецке, на Дальнем Востоке и в окрестностях Москвы. Он не жалел денег на финансирование горнодобывающей промышленность, стремился внедрить новые технологии, которые облегчали людям работу и увеличивали выработку.
Во времена СССР добыче топливного ископаемого отводилась особая роль. Рабочих очень сильно ценили, даже был введен всесоюзный праздник – День Шахтера, чтобы отдать дань их нелегкому и опасному труду. Уголь получил название «хлеб промышленности», его уже использовали для получения энергии на теплоэнергостанциях.
Сейчас угледобывающая промышленность достигла больших высот, но многие страны, наряду с введением всевозможных инновационных разработок, стараются вывести этот ресурс из использования. Все дело в экологической опасности, которая возникает из-за его применения. При сжигании топлива образуется огромное количество углекислого газа, одного из виновников парникового эффекта.
Оказывается, название бурый и черный уголь получил не из-за цвета сырья. Раньше, для определения «жирности» породы, ею проводили по белой поверхности. Получалась черная или бурая полоса, что и дало ископаемому соответственное название.
Как происходит добыча угля на современных шахтах
Основные способы добычи угля
В более развитых странах эта проблема не столь выражена. Разработка месторождений ведется с помощью специализированной техники, в некоторых процессах человек даже не принимает участия.
Сейчас широкое применение получили 3 вида добычи угля:
- Карьерный или разрезной;
- Шахтный;
- Гидравлический.
Их использование зависит от глубины залегания пласта полезного ископаемого, твердости породы и доступности.
Сравнительная таблица способов добычи угля.
| Карьерный | Шахтный | Гидравлический | |
| Плюсы | Низкая себестоимость Безопасность Быстрая разработка месторождений | Сравнительно экологичный Высокое качество угля Большие выработки | Экологичный Не требует привлечения огромного количества человеческих ресурсов Сравнительно дешевый Не наносит вред фундаменту планеты |
| Недостатки | Качество добытого угля Неэкологичный | Не безопасный способ Трудоемкость Себестоимость очень высокая | Использование огромного количества воды |
Карьерный способ
Открытая добыча угля ведется там, где он залегает под землей на глубине не более 500 метров. Для разработки подобных месторождений применяются краны, которые снимают пласт пустой породы. Называются они драглайны. Состоят краны из кабины, стрелы и ковша. Они закреплены на рельсах, для передвижения по карьеру или стоят на гусеницах.
Также для разрыхления породы используется взрывчатка, но из-за опасности сейчас от нее отказываются на большинстве производств. После опустошения месторождения пустая земля засыпается обратно, территория выравнивается и обогащается удобрениями. Сверху садятся деревья, чтобы восстановить или улучшить экосистему этой местности. Открытая добыча каменного угля все же приносит вред природе – нарушается экологическая ситуация, высыхают подземные воды.
Бурый уголь залегает сравнительно не глубоко, на глубине 300-400 метров, поэтому для его добычи тоже используется открытый метод. Места разработки месторождений принято называть разрезами, ведь они длинные и узкие, особенно это заметно из космоса. Пожалуй, это единственное их отличие от карьеров, ведь технология получения сырья такая же.
Далее в работу вступают машины поменьше, которые взрыхляют породу и грузят ее в вагоны, которые отправляются на производство. Уголь ссыпается на конвейерную установку, и отправляется на производство, обогатительные станции или ТЭЦ.
Шахтный способ
Подземная добыча угля – это более старый и технологический способ получения сырья. Большое количество ископаемого залегает на глубине более 500 метров, а снятие верхней породы будет нерентабельным, трудоемким и дорогостоящим процессом. Сооружение шахты производится таким образом – делается ствол, главная шахта, по которой в дальнейшем будет спускаться все оборудование и рабочие.
Когда она достигает максимально возможной глубины, в пласте делаются горизонтальные разрезы, прокладываются рельсы и запускается главное оборудование. Все стены укрепляются столбами или кольцами, чтобы предотвратить обрушение от вибрации.
Самая глубокая угольная шахта находится в Донецком каменноугольном бассейне на Украине. Сейчас она достигает 2043 метра.
Для безопасности рабочих очень важно обеспечивать постоянную вентиляцию шахты, чтобы снижать концентрацию метана и подогревать воздух, если климатические условия этого требуют.
Добыча угля в шахтах ведется с помощью техники, которая дробит пласты и отправляет их на поверхность. Мастодонт в этой сфере – проходческий комбайн. Он отбивает сырье от пласта и отправляет его на поверхность по конвейерной ленте. В местах залегания твердой породы используют несколько другое оборудование.
Врубовый комбайн оснащен аналогом сверла с огромными зубьями, которые дробят породу, продвигаясь все глубже по шахте. Дополнительно устанавливается и очистной комбайн, который снимает излишки стружки и дробит большие куски породы, чтобы они могли двигаться по конвейеру на верх.
Еще одна важная часть, которую нельзя не отметить в закрытом способе добычи угля – выкачка воды. В местах залегания могут проходить даже подземные реки, они очень сильно утруждают производство и опасны для рабочих. При нарушении норм, выходе из строя оборудования, которое откачивает воду, она может прорваться в ствол шахты, затопив ответвления. Это приведет к поломке техники и смерти рабочих или их заточения под землей.
Гидравлический способ
Гидравлический способ самый новый, сейчас он подвергается модернизации, чтобы минимизировать затраты воды на производство угля. Изобрели первое устройство еще в СССР в 30-х годах. Называется эта установка механогидравлический комбайн. Он используется для разрыхления породы, откалывания ее от основного слоя.
Вытекающая вода проходит по желобам, по которым транспортируется к низконапорному насосу. Там же происходит и обезвоживание добытого угля, подача его на конвейер и перемещение наружу. Вода очищается, чтобы не повредить гидравлическую технику оставшимися частицами. Этот способ. Несмотря на огромное количество преимуществ, гидравлический метод менее продуктивный.
Копанка или добыча угля в домашних условиях
Несмотря на то, что добыча угля ведется в промышленных масштабах, это сложный и трудоемкий процесс. Жители местности, где есть месторождения, самостоятельно их разрабатывают, используя его в собственных целях. Строится она очень просто, но, для реализации этого способа уголь должен залегать не глубоко.
Во многих странах этот метод используется только нелегально, для продажи угля на черном рынке. Там может быть задействовано тоже большое количество рабочих, но об использовании продвинутой промышленной техники и речи быть не может. Это самый опасный и тяжелый труд, к тому же, нормы никак не регулируются, ведь собственник копанки заботится только о собственной прибыли.
Самые эффективные способы
Сказать, какой вид получения ископаемого использовать выгоднее, невозможно, ведь на все это влияет много факторов. Можно вырыть карьер и на 1 км в земле, но это требует огромного количества техники, времени, а также может очень сильно испортить экосистему. Но делать шахту на месторождении угля, которое лежит на 300-400 метров, будет слишком дорого, да и такие места не всегда производят качественный уголь.
Гидравлическим способом сейчас добывается всего 8% сырья в мире, пока он больше экспериментальный.
Места и способы добычи угля не подбираются случайно. Изначально оценивается размер месторождения, качество сырья, особенности рельефа. Только после этого на территорию привозят технику и делают пробные заборы, чтобы убедиться в рентабельности производства.
Обогащение угля — особенности, технология, правила и схема
Каменный уголь, добыча которого осуществляется в шахтах под землей, нуждается в дополнительном процессе обработки. Обогащение угля необходимо потому, что сырье, добытое под землей, имеет множество ненужных примесей.
Общие сведения
Почему именно процесс обогащения является настолько важным? Все из-за того, что примеси, имеющиеся в этом материале, дадут низкую температуру горения, если начать их использовать. Таким образом, получится, что придется спалить большое количество угля, который даст низкую температуру горения. Обогащение же угля — это очистка сырья от всех ненужных веществ, мешающих его горению.
Во время проведения этой процедуры достигается несколько целей. Во-первых, удаляют минеральные вещества и примеси, а во-вторых, делят добытый уголь на фракции по размерам и сорту зерен. Только после прохождения этих процедур и проверки качества конечного продукта уголь поступает к потребителю.
Грохоты и мокрое обогащение
Процесс обогащение угля включает в себя несколько этапов. Первый из них — это грохочение, или разделение сырья на фракции по размерам и сортам. Для того чтобы осуществить первичную обработку, используется такое оборудование, как виброгрохот. Это огромного размера сито. Чаще всего на фабрике по обогащению их имеется несколько штук, а их основное отличие заключается в размере ячеек. Попадая на грохоты с разными ячейками, уголь разделяется на несколько групп. Если говорить о классификации каменного угля по размеру, то имеется общепринятая стандартная схема, включающая в себя несколько типов — семечко, орех и т. д.
Один из наиболее распространенных типов обогащения угля — это мокрый. Данная процедура основывается на принципе разделения плотности. Так как примеси имеют меньший показатель этого параметра, а уголь — больший, то в водной среде будет происходить их разделение. Машины, в которых осуществляется этот процесс, называют отсадочными. Это оборудование принадлежит к устройствам гравитационного обогащения.
Продукты
Сырье, которое используется для проведения этих работ, называют питанием. Во время переработки каменного сырья можно получить такие продукты обогащения угля, как:
- Концентрат. Так называют те продукты переработки, которые сохранили максимальное количество горючих веществ в своем составе, а содержание породных компонентов сократилось до минимального показателя.
- Промпродукт. Данное сырье является промежуточным продуктом. Содержание горючих веществ в нем не достигло своего максимального значения, но и количество породных компонентов не слишком увеличилось. Такие продукты переработки считаются неготовыми и нуждаются в дополнительной обработке.
- Микст, или отходы. С этим сырьем все становится понятно из его названия — содержание горючих компонентов минимально, а породных — максимально.
Технология обогащения угля
На обогатительных фабриках имеется несколько различных процессов, которые подразделяются на группы в зависимости от своего технологического предназначения.
Первая категория — это подготовительные процедуры. Основная задача на этом этапе заключается в том, чтобы раскрыть компоненты горной массы, разделить на машинные классы и т. д. В этот этап входят такие виды операций, как грохочение и дробление. Если говорить о процессе дробление, то он достаточно прост. Задача этого этапа — разбить имеющиеся куски горной породы до необходимых размеров. Для этого применяются внешние силы, то есть специальное оборудование. Грохочение, как говорилось ранее, — процедура разделения кусков породы на классы по размеру.
После завершения подготовительного этапа можно приступать к основному, задача которого и заключается в том, чтобы разделить имеющиеся куски угля на концентрат, промпродукт или микст.
В настоящее время фабрики по обогащению породы используют такие типы гравитационного обогащения, как отсадка, винтовая и противоточная сепарация, обогащение в тяжелых суспензиях.
Некоторые объекты используют установки для обогащения угля, которые выполняют процедуру флотации. Суть технологии обогащения таким способом заключается в том, что используется разница в физических и химических свойствах угля и примесей.
Вспомогательные процессы
Помимо основных процессов, на обогатительных фабриках используют и несколько вспомогательных. К таким относят операции по обезвоживанию или обеспыливанию.
Естественно, что процедура обезвоживания применима лишь к тем продуктам обогащения, которые проходили через гравитационную обработку. Для выполнения этой задачи используется несколько разных способов. Крупные куски, более 13 мм, обезвоживаются на грохотах, элеваторах или в дренажных бункерах. Мелки же классы породы проходят через процесс центрифугирования, а в зимнее время еще и термическую сушку материала.
Обеспыливание — это процедура отделения из угля частиц пыли, размер которых -меньше чем 0,5 мм. Чтобы выполнить эту задачу, используется два способа. Мокрый способ — применяются грохоты или гидроциклоны. Сухой способ задействует воздушные классификаторы с различной конструкцией.
Схемы обогащения угля
Здесь важно отметить, что единой схемы для обогащения нет. В каждом случае приходится делать выбор из нескольких имеющихся вариантов. Решающими факторами, которые влияют на исход, являются свойства самой руды, а также ее назначение.
К примеру, если говорить о глубине обогащения, то имеются несколько следующих технологических схем:
- Первый метод предполагает обогащение лишь самых крупных частей, размер которых превышает 25 (13) мм. Последующая отгрузка породы осуществляется либо совместно, то есть и концентрат и отходы отгружаются вместе, либо раздельно.
- Второй метод — это обогащение лишь среднего класса породы с размером более 6 (3) мм. Разделение полученных продуктов также может происходить совместно или раздельно.
Имеется также разделение на несколько схем, в зависимости от качества полученного концентрата при обогащении. Одна из наиболее распространенных технологических схем этого типа — выпуск одного товарного продукта. Она используется только при обогащении энергетического угля таких марок, их которых в процессе обработки не было выделено несколько классов по размерам. Ярким примером такой схемы стал уголь с маркировкой П.
Правила
На самом деле, правил обогащения угля немного. Если быть точным, то оно всего одно, но довольно важное и заключается в том, что необходимо соблюдать все производственные процессы во время обработки горной породы. К таким обязательным процессам относят сортировку по фракциям и непосредственно обогащение продукта. Так как порода изначально не может быть одинакового размера, то ее условно разделяют на крупную, среднюю и мелкую, после чего отправляют на этап грохочения.
Как добывают бурый уголь — Как это сделано, как это работает, как это устроено — LiveJournal
Когда меня пригласили посмотреть, как добывают уголь в Амурской области, я не сразу сориентировался, куда лететь. Москву и Амурскую область, где находятся угольные разрезы компании «Амурский уголь» (входит в холдинг «Русский Уголь»), разделяют тысячи километров, шесть часов полета и шесть часов разницы во времени. В полете высплюсь, подумал я, собрал аппаратуру, затянул часовые пояса потуже и полетел.
Сегодня в kak_eto_sdelano мы узнаем, как добывают бурый уголь.
Когда я приехал на залежи угля и сказал «карьер», меня сразу поправили – не «карьер», а «разрез». Разрез, потому что способ добычи угля таков, что при выемке пустой породы получаются длинные углубления в земле, которые похожи на разрезы. Если посмотреть на Северо-Восточный разрез близ города Райчихинска из космоса, то видно такую картину — характерные для добычи угля полосы в земле.
Добыча на Северо-Восточном разрезе (площадь 500 км2) ведется с 1932 г. Ерковецкий разрез (площадь месторождения 1250 км2) начал давать стране угля в 1991 году. Мощность угольного пласта здесь 3,5 — 5 метров.
Бурый уголь залегает не очень глубоко под землей, потому добывается открытым способом, который считается более безопасным, экономичным и быстрым. С первого взгляда на кусок угля возникает вопрос «почему он бурый, если он черный?» Но специалисты «Амурского угля» объяснили мне, что раньше качество угля определяли по следу черты, оставляемой на фарфоровой пластинке. Амурский уголь, как вы поняли, оставляет бурый след.
Бурый уголь менее калорийный, чем каменный и антрацит. Смотрим в википедию и выясняем, что калорийность, то есть теплота сгорания — количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой или объёмной единицы вещества. Есть у угля и другие параметры качества – содержание влаги и серы, летучих веществ и зольность. Все это тщательно анализируют отделы технологического контроля качества угля и углехимические лаборатории.
Но вернемся к процессу добычи твердого топлива. Все здесь, на первый взгляд, довольно просто – гигантский шагающий экскаватор драглайн вскрывает уголь (вынимает пустую породу), а экскаватор поменьше грузит уголь в вагоны. Вот и все! Но если бы это было так просто, от желающих добывать уголь не было бы отбоя. В реальности для добычи угля нужны большие инвестиции, опыт и знания, команда настоящих профессионалов с редкими сейчас навыками и умениями, а также обширный парк дорогостоящей горнотранспортной техники, свои ремонтные мастерские или заводы, автобазы, учебные центры… Не буду нагружать вас информацией о том, как геологи ищут уголь, как получают лицензию на добычу ископаемых, а сразу перейдем к самому интересному и понятному.
Добыча угля у меня всегда ассоциировалась с большими, нет, с огромными экскаваторами. Собственно на угольных разрезах они сразу бросаются в глаза из-за своего внушительного вида и величественной осанки – гордо вздернутые вверх стрелы сразу дают понять, что где-то здесь ведется добыча «черного золота».
В названии каждого экскаватора стоят аббревиатуры. Например, ЭШ 15/90 значит — Экскаватор Шагающий, 15 кубометров – объем ковша, а 90 метров – длина стрелы. Всего на разрезах «Амурского угля» задействовано 24 таких мастодонта, отличающихся длиной стрелы и объемом ковша. В одни ковши спокойно поместится уазик «буханка», а в другие – внедорожник Лэнд Крузер.
Вскрыша (выемка песчаника и глины) происходит так: машинист экскаватора опускает ковш на грунт, затем при помощи рычагов управления подтягивает его на себя, заполняя.
Потом машинист поворотом базы и стрелы переносит ковш в сторону отвалов и высыпает его. За месяц экипаж экскаватора должен вскрыть около 300 тыс. кубометров породы.
Там, где поработал драглайн, остаются горы пустой породы — отвалы. Поэтому местность, где добывают уголь, местами напоминает лунные пейзажи. Но только до тех пор, пока ведется добыча угля. После отработки участка, на нем незамедлительно проводят рекультивацию – разравнивают отвалы, подсыпают плодородный слой земли, высаживают деревья. Через несколько лет большинство людей и не заметят, что раньше здесь велась добыча угля и работали шагающие гиганты!
А пока по ландшафту разреза можно изучать геологию.
Кстати, после того, как драглайн добрался до угля, а потом уголь выбрали (то есть выкопали полностью на какой-то площади), разрез обратно засыпается той же породой – настоящее безотходное производство!
Для меня было открытием, что шагающие экскаваторы (и многие другие экскаваторы тоже) работают на электрической энергии. Каждый горный участок разреза получает электроэнергию от подстанции напряжением 35/6 кВ.
Вся техника на разрезах работает круглосуточно и без выходных: бригады трудятся посменно. Небольшие послабления в работе могут сделать лишь в случае аномально низкой температуры – когда гигантские ковши начинают намертво примерзать к земле.
Но подробнее о драглайнах я расскажу позже в отдельном посте. Следите за обновлениями.
Угольные пласты залегают близко к грунтовым водам, поэтому необходимо ее постоянно откачивать насосами. Здесь наглядно видно, какой слой породы был снят, чтобы добраться до залежей угля.
Ну, а дальше все просто — экскаватор ЭКГ-5А набирает уголь в ковш и грузит его сразу в вагоны, которые увезут его в рядовом виде потребителю или на участок сортировки угля.
В ковш экскаватора ЭКГ-5А помещается 5 кубометров угля, а для того чтобы заполнить стандартный вагон в него необходимо загрузить 13-14 ковшей угля.
На сортировку уголь привозят для того, чтобы разделить его на разные фракции. Местные Райчихинская ГРЭС и Благовещенская ТЭЦ потребляют уголь мелкой фракции, а более крупная идет на нужды ЖКХ, проще говоря, для отопления.
Так выглядит участок сортировки угля изнутри. Если не знаешь, что это и как работает, то следующее действо будет сюрпризом, как оно стало и для меня.
Это такая «карусель» для вагонов. Оператор со стороны проверяет, что вагон заехал на платформу вагоноопрокида, дает сигнал, и вагон, который стоит на платформе, поднимается вверх и опрокидывает содержимое в приемочный бункер.
Через несколько секунд этот громадный механизм (вагоноопрокидыватель боковой стационарный) ставит вагон в прежнее положение.
Впечатляющее зрелище!
После чего из приемника уголь по сложной системе конвейеров по специальной галерее отправляется на рассортировку, где с помощью грохотов и вибросит делится на разные фракции. Ну, а дальше в печь, чтобы давать электроэнергию и тепло.
На этом все! Спасибо, что дочитали.
Жми на кнопку, чтобы подписаться на «Как это сделано»!
Если у вас есть производство или сервис, о котором вы хотите рассказать нашим читателям, пишите Аслану ([email protected]) и мы сделаем самый лучший репортаж, который увидят не только читатели сообщества, но и сайта Как это сделано
Подписывайтесь также на наши группы в фейсбуке, вконтакте, одноклассниках, в ютюбе и инстаграме, где будут выкладываться самое интересное из сообщества, плюс видео о том, как это сделано, устроено и работает.
Жми на иконку и подписывайся!
— http://kak_eto_sdelano.livejournal.com/
— https://www.facebook.com/kaketosdelano/
— https://www.youtube.com/kaketosdelano
— https://vk.com/kaketosdelano
— https://ok.ru/kaketosdelano
— https://twitter.com/kaketosdelano
— https://www.instagram.com/kaketosdelano/
Официальный сайт — http://ikaketosdelano.ru/
Мой блог — http://aslan.livejournal.com
Инстаграм — https://www.instagram.com/aslanfoto/
Facebook — https://www.facebook.com/aslanfoto/
Вконтакте — https://vk.com/aslanfoto
Исследовательская работа на тему «Исследование свойств адсорбционной способности активированного угля»
Ленинградская область Выборгский район п. Первомайское
МБОУ «Первомайский центр образования»
Исследовательская работа
Исследование свойств адсорбционной способности активированного угля
Секция – химия
Выполнили ученицы 9 А класса
Антимоник Александра и Шаяхметова Алсу
Руководитель Жамалова Любовь Александровна
Учитель химии и биологии
2015Содержание
№
Раздел
Страница
1
Введение
3
2
Теоретическая часть
2.1 Адсорбция как явление
5
2.2 Историческая справка
6
2.3 Способы получения
7
2.4 Области применения активированных углей
8
3
Практическая часть
3.1 Исследования в школьной лаборатории
11
3.2 Исследования в домашних условиях
13
4
Вывод
14
5
Используемая литература
15
6
Приложение (презентация)
—
Введение
На уроке химии мы познакомились с таким свойством углерода, как адсорбция. Важное значение адсорбции, как в промышленности, так и в быту подтолкнуло нас на исследование явления адсорбция в школьной лаборатории и дома на примере активированного угля. Нам захотелось узнать, все ли вещества он может адсорбировать.
Актуальность работы:
значимость адсорбции в связи с решением экологических проблем и проблем получения особо чистых веществ.
привлечение школьников к изучению химии с практической стороны и применения полученных знаний в быту.
развитие интереса у школьников к получению теоретических и практических навыков по химии: работа в лаборатории, работа с Интернетом для поиска и передачи информации.
Новизна выбранной темы заключается в незначительном исследовании причин адсорбции среди школьников.
Целью данной работы является изучение адсорбционной способности активированного угля
Задачи, поставленные для достижения цели:
найти примеры практического применения адсорбционной способности активированного угля в профессиональной деятельности и в жизни человека.
изучить адсорбционную способность активированного угля;
понаблюдать и проанализировать явление адсорбции, на примере активированного угля.
Для исследования мы ознакомились с такими научными источниками, как техническая литература, интернет ресурсы, энциклопедия и выявили, что явление адсорбции широко представлено и хорошо изученное явление. Адсорбция лежит в основе очистки, осушки, разделения газов и других процессов. На основе адсорбции производят очистку и осветление воды, которую в дальнейшем используют для питья и технических нужд. В теоретической части мы использовали материалы технической и исторической литературы, а для эксперимента мы воспользовались учебником для студентов Аналитическая химия. Лабораторный практикум.
Методы исследования, которые использовались в работе:
— изучение и подбор материала;
— наблюдение и анализ явлений адсорбции;
— эксперимент.
Планируемые результаты:
— понаблюдать, и проанализировать явление адсорбции, на примере активированного угля;
— изучить адсорбционную способность активированного угля;
— найти примеры практического применения адсорбционной способности активированного угля в профессиональной деятельности и в жизни.
Теоретическая часть
Адсорбция как явление.
Одежда маляра пахнет скипидаром и краской, кондитера – орехом мускатным, шофера – бензином. Причина этого вызвана адсорбцией молекул газов на одежде, ткань которой является дисперсной системой. Адсорбция лежит в основе очистки, осушки, разделения газов и других процессов. Очистка растительных масел от красящих веществ, так называемый процесс отбеливания масел, осуществляется с помощью глинистых пород, выполняющих роль адсорбента.
На основе адсорбции производят очистку и осветление воды, которую в дальнейшем используют для питья и технических нужд. Адсорбция обеспечивает закрепление молекул красителя на тканях. Восприятие человеком запаха и вкуса зависит от адсорбции молекул соответствующих веществ в носовой полости и на языке.
При помощи различных твердых адсорбентов производится улавливанье ценных паров и газов, осветление растворов в производстве сахара, глюкозы, многих фармацевтических препаратов, нефтепродуктов.
Адсорбция (от лат. ad — на, при и sorbeo — поглощаю), поглощение какого-либо вещества из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твёрдого тела. 1
Одним из адсорбентов является активированный уголь (активный, карболен) (от лат. carbo activatus) — вещество с развитой пористой структурой, которое получают из различных углеродсодержащих материалов органического происхождения. Наиболее качественными, из доступных сорбентов являются уголь из кокосовой скорлупы и березовый (БАУ-А) уголь.
С точки зрения химии активированный уголь – это одна из форм углерода с несовершенной структурой, практически не содержащая примесей. Активированный уголь на 87-97 % по массе состоит из углерода, также может содержать водород, кислород, азот, серу и другие вещества.
Историческая справка
Примечательная способность древесного угля поглощать (адсорбировать) разнообразные пары, газы, пахучие и красящие вещества из растворов впервые была обнаружена в конце 18 века. В 1773 году известный химик Карл Шееле наблюдал адсорбцию газов на древесном угле.2 С точностью до дня (5 июня 1785 г.) датируется обнаружение Тобиасом Ловицем адсорбции (поглощения) из растворов веществ древесным углем. Ловиц применял древесный уголь для очистки самых различных продуктов (лекарств, питьевой воды, хлебной водки, мёда и других сахаристых веществ, селитры и т.п.)3. А в 1794 г. активный уголь был использован для осветления сиропов на сахарно-рафинадном заводе в Англии.
В 19 столетие исследования адсорбционных свойств угля было продолжено, но только в начале 20 века были заложены основы промышленного производства активных углей. В первую мировую войну Н.Д. Зелинский разработал противогазы на основе древесного активного угля.4 Это изобретение спасло тысячи жизней и послужило толчком к дальнейшему исследованию способности углей поглощать различные пары и газообразные вещества, что привело к расширению областей применения активных углей.
Способы получения
Для получения активных углей может использоваться разнообразное органическое сырьё (торф, бурый и каменный уголь, антрацит, древесный материал). Угли, отличающиеся высокой механической прочность и адсорбционной способностью, получают из скорлупы кокосовых орехов. Упрощённо процесс производства активного угля можно свести к двум стадиям: карбонизация и активация. На первой стадии производства активного угля исходный материал подвергается термической обработке без доступа кислорода, в результате которой из него удаляются летучие (влага и частично смолы), он уплотняется, приобретает прочность. Структура полученного материала крупнопористая, обладающая незначительной внутренней поверхностью, вследствие чего он не может быть использован как промышленный адсорбент. Задача получения развитой микропористой структуры решается на стадии активации. Активация проводится двумя способами: окисление газом или паром и обработка химическими реагентами. Для активирования газами используются кислород (воздух), водяной пар и диоксид углерода.
Области применения активированных углей
На сегодняшний день активные угли выпускаются в большом количестве и ассортименте и нашли применение в следующих областях: очистка питьевой и сточных вод; очистка оборотных вод на предприятиях; осветление сахарных сиропов; очистка газов и рекуперация паров; получение медикаментов; очистка спиртоводных растворов и вин; использование в качестве катализаторов и носителей катализаторов; в золотодобывающей промышленности для извлечения золота из рабочих растворов.
Подготовка питьевой воды
Уникальность свойств активированных углей и определило разнообразие областей применения данного продукта. Проблема наличия чистых источников питьевой воды, а также длительного хранения её запасов всегда остро стояло перед человеком. С увеличением народонаселения нашей планеты, а также с бурным развитием промышленности, масштабы загрязнения пресных водоёмов значительно возросли, что заставило искать эффективные методы очистки вод. Универсального метода очистки вод от нежелательных примесей не существует, но использование некоторых из них одновременно позволяет достигнуть необходимую степень очистки. Основной задачей при очистке вод является улучшение их вкусовых качеств (дезодорация воды). Наиболее эффективным методом удаления из воды ряда органических и неорганических примесей признан сорбционный метод очистки на активном угле. Этот способ применяется на станциях водоподготовки с первой половины XX века.
Самым радикальным способом очистки воды является ее дистилляция, когда в результате перегонки удаляются все примеси и растворенные соли. Но, как считают ученые-гигиенисты, постоянное употребление такой воды нежелательно, т.к. может привести к нарушению солевого баланса.
Задача улучшения качества питьевой воды может быть решена, если правильно использовать разнообразные фильтры для доочистки воды.
Большое распространение в быту получили фильтры-кувшины, в которых вода проходит через сменный картридж в нижний сосуд. Фильтрующий элемент картриджа содержит активированный уголь и гранулы ионообменной смолы.
Активированные угли являются универсальными сорбентами, применяемыми для удаления примесей различной химической природы. Традиционно лучшими для очистки воды считаются угли, полученные из скорлупы кокосового ореха. Количество пор на единицу площади в таком угле, например, в 4 раза больше, чем в березовом.
Применение активных углей в золотодобывающей промышленности.
При прокачивании раствора цианида золота через тонкопористый активный уголь происходит восстановление золота и адсорбция его на угле.
Помимо золота активные угли широко используются для извлечения других металлов. Ряд селективности имеет следующий вид:
Au > Ag > Fe > Cu > Ni > Co > Zn
То есть, из раствора лучше будет адсорбироваться золото, по сравнению с металлами, стоящими правее в ряду селективности.
Очистка воздуха и газов
Активные угли широко используются для очистки воздушных сред. Примером является рекуперация паров растворителей посредством адсорбции на активном угле. Типичные растворители, которые можно рекуперировать на активном угле – диэтиловый эфир, ацетон, спирты, бензин, толуол, гексан, бензол, фторсодержащие углеводороды, трихлорэтан, а также сероводород и др.
Активированный уголь в медицине
Уже около 1550 г. до н.э., в старом египетском папирусе упоминалось о применении древесного угля в медицине.
Активированный уголь адсорбирует много токсичных веществ. Считается, что его следует применять на протяжении двух часов с момента отравления. За это время уголь в состоянии связать большую часть токсинов в желудочно-кишечном тракте.
Главным образом, активированный уголь используется при разных отравлениях и диарее. Тем не менее, несмотря на то, что уголь адсорбирует много разных токсинов, действует он не на все токсины.
Уголь также адсорбирует токсины, вырабатываемые бактериями. О его использовании во время лечения антибиотиками нужно проконсультироваться с врачом, потому что кроме токсинов уголь может адсорбировать и лекарства.
Уголь не следует применять в случае отравления сильными кислотами, непищевыми спиртами, растворителями и тяжелыми металлами. Уголь также не адсорбирует некоторые пестициды.
Активированный уголь адсорбирует все вещества и не имеет селективности. Кроме часто заявляемых производителем токсинов и вредных веществ, уголь также адсорбирует полезные и нужные организму вещества. Поэтому уголь нужно разносить по времени с применением других веществ минимум на 2 часа, иначе все лекарства и полезные добавки будут адсорбированы углём. Применять уголь разумно только когда это действительно необходимо, т.е. в случае отравления5.
Практическая часть
Исследование
Адсорбционная способность активированного угля.
Цель работы: изучить адсорбционную способность активированного угля.
Задачи:
— проверить адсорбционную способность активированного угля в лаборатории и дома;
— выявить влияние природы растворителя на адсорбцию;
— качественно проследить адсорбционную способность для слабоокрашенных растворов.
Исследования в школьной лаборатории.
Исследование №1. Адсорбция активированным углем различных веществ из растворов.
Цель работы: изучили адсорбцию активированным углем различных веществ из растворов.
Ход работы. В химический стакан, мерным цилиндром отмерили по 5 мл 0,01% -х растворов – фуксина, малахитового зеленого, сульфата меди, йода, дихромата калия. В каждый стакан внесли по 0,25г растертого активированного угля. После взбалтывания через 5-10 минут смеси фильтруют через обычные фильтры (9.00 hm).
Наблюдение: фуксин – обесцветился;
малахитовый зеленый – обесцветился;
йод – желтый, прозрачный;
сульфат меди – голубой;
дихромат калия – ярко желтый, прозрачный.
Вывод: чем прозрачнее и светлее жидкость, тем лучше произошла адсорбция, т.е. фуксин и малахитовый зеленый адсорбируют лучше всего.
Исследование №2. Адсорбция ионов свинца активированным углем.
Цель работы: изучили адсорбцию активированным углем ионов свинца.
Ход работы. В два химических стакана, мерным цилиндром отмерили по 5 мл. 0,05%-го раствора азотнокислого свинца. В одну пробирку добавили 2 капли раствора йодистого калия для доказательства наличия ионов Pb2+ в растворе.
В другую пробирку добавили 0,2 г древесного угля и взбалтывали в течение 5 мин. Отфильтровали раствор и проверили присутствие ионов Pb2+ реакцией с йодистым калием.
Наблюдение: в первой пробирке образовался осадок, а во второй нет.
Вывод: ионы свинца адсорбируются активированным углем.
Исследование №3. Влияние природы вещества на адсорбцию.
Цель работы: изучили влияние природы растворителя на адсорбцию активированным углем.
Ход работы. В один химический стакан налили 5 мл.0,01% водного раствора фуксина, в другой стакан такое же кол-во, спиртового раствора фуксина. В оба стакана внесли по 0,2 г. угольного порошка и взбалтывали 5 мин. Отфильтровали растворы.
Наблюдение: спиртовой раствор фуксина остался без изменений, а водный раствор фуксина обесцветился.
Вывод: Фуксин плохо растворим в воде и хорошо — в спирте. Соответственно, из воды он будет как бы выталкиваться на границу раздела, как плохо сольватированное вещество. Адсорбция на угле будет высокая. А из спирта он адсорбироваться будет плохо, потому что хорошо им сольватирован, и ему не слишком выгодно уходить на границу раздела. Кроме того, если сравнивать с водой, то сам спирт можно считать ПАВ. Поэтому он до некоторой степени будет вытеснять фуксин с поверхности угля и сам занимать эту поверхность.
Исследования в домашних условиях.
Исследование № 4. Адсорбция кувшином «Аквафор» холодной воды из крана.
Цель работы: изучили адсорбционные способности фильтра-кувшина АКВАФОР
Ход работы. Для опыта мы взяли:
Глубокую миску белого цвета, воду из крана, фильтр-кувшин с картриджем «Аквафор»
В белую чистую миску, налили холодную воду из крана. Вода прозрачная но с примесью ржавчины. Перелили часть воды в кувшин с картриджем, а часть оставили как контрольный образец. После того как, вода была отфильтрована кувшином «Аквафор», перелили воду в чистую белую миску и сравнили полученный образец из фильтра с начальным образцом из крана.
Наблюдение: образец из фильтра прозрачный, без видимых загрязнений.
Вывод: активированный уголь, находящийся в фильтре справился со своей задачей по очистке воды от видимых загрязнений, т.е. ржавчины.
Исследование № 5. Адсорбция активированным углем брусничного сиропа.
Цель работы: изучили поглотительную способность активированного угля частиц красящего органического вещества из сиропа.
Ход работы. Для опыта мы взяли:
Два прозрачных стакана; 5 таблеток активированного угля в таблетках; брусничный сироп.
В один стакан с сиропом добавили толченный активированный уголь. Оставили наш исследуемый раствор на некоторое время. Во второй, контрольный, стакан также налили брусничный сироп, но активированного угля не добавили.
Наблюдение: контрольный стакан по-прежнему содержит брусничный раствор, а в исследуемом стакане с активированным углем раствор поменял окраску на светло-коричневую, и стал прозрачным.
Вывод: активированный уголь адсорбировал или поглотил частички органического красителя из его раствора.
Вывод:
Активированный уголь продемонстрировал нам свои адсорбционные способности, т.е. поглощающие свойства.
Почему же, эта маленькая черненькая таблеточка способна так эффективно поглощать различные вещества?
Все дело в особой углеродной структуре, которая представляет собой слои атомов углерода, расположенных хаотично относительно друг друга, из-за чего между слоями образуется пространство – поры. Эти поры как раз и придают активированному углю его свойства – поры способны поглощать и удерживать в себе другие вещества. И пор этих невероятное количество. Так, площадь пор всего 1 грамма активированного угля может доходить до 2000м2!
Мы сделали вывод своими исследованиями, что не все вещества полностью адсорбируются активированным углем.
Одной из причин того, что эти вещества остались в растворе, и окраска не изменилась, может быть то, что размеры молекул этих веществ больше чем размеры пор адсорбента. А так же, между молекулами вещества и поверхность пор активированного вещества не возникли силы притяжения
Список использованной литературы
Интернет-ресурсы:
Ownlab/ru (Своя лаборатория)
images.yandex.ru›
http://www.nehudlit.ru/articles/descr363913.html
http://allencyclopedia.ru/1091
http://www.peoples.ru/science/chemistry/zelinskiy/http://rus-gmo.at.ua/load/uchis_uchitsja/kak_napisat_issledovatelskuju_rabotu/17-1-0-98
http://ekodominfo.ru/distantsionnoe-obuchenie/i-snova-eksperiment — статья «Химические опыты дома».
wikipedia.org
Литература
Аликберова Л.Ю. Полезная химия: задачи и истории/Л.Ю. Аликберова, Н.С. Рукк. – 3-е изд., стереотип. – М. : Дрофа, 2008. – 187 с.
Астафуров В. И. Основы химического анализа. М.: Просвещение, 1982.
Васильев В.П. Аналитическая химия Физико-химические методы анализа / В.П.Васильев. — 6-е изд., стереотип. М.: Дрофа, 2007. – 383 с.
Васильев В.П. Аналитическая химия Лабораторный практикум / В.П.Васильев, Р.П. Морозова; под ред. В.П. Васильева – 3-е изд., стереотип. М.: Дрофа, 2006. – 414 с.
Мир химии. СПб, М.: М-Экспресс, 1995г
1 http://allencyclopedia.ru/1091