Aktiivsüsi, kellele ja milleks?

Puusöe puhastavasse toimesse usuti ilmselt juba antiikajal. Umbes 200. aastast eKr on pärit sanskritikeelne juhis, kus soovitatakse vett hoida päikese käes (UV desinfitseeriv mõju) vasknõus (vase bakteritsiidne toime) ja filtrida läbi söe. Kolumbuse aegadest alates võtsid meresõitjad veevarud laevadele kaasa seest söestatud puitanumates.

Ajaloost

Teadlikult on puusöe adsorptsioonivõimet – omadust neelata gaase ja vedelikke – uuritud 18. sajandist alates. Aastal 1773 teatas tuntud Rootsi apteeker ja teadlane Scheele gaaside adsorptsioonist puusöes ja 1785. aastal tegi Lowitz kindlaks puusöe võime kõrvaldada vedelikest värvust. Viimast avastust rakendati esimest korda 1794. aastal Inglismaal suhkru rafineerimisel. Aastal 1811 märkas Figuer musta kingaviksi väljatöötamisel kondisöe värvust kõrvaldavat toimet ja kuna kondisöe adsorptsioonivõimet oli kuumutamisega võimalik taastada, jäi puusöe uurimine teatud ajaks tagaplaanile. 1850ndatel aastatel rakendati värvuse kõrvaldamisel kasutatava söe tootmisel ka saepuru töötlemist magneesiumkarbonaadiga ja turba töötlemist veeauruga. Need materjalid aga ei suutnud kondisöega võistelda.

Esimesed kaks patenti spetsiaalselt aktiveeritud söe tootmise kohta sai Ostrejko aastail 1900/1901. Üks neist kirjeldab taimse materjali kuumutamist koos metallkloriididega, teine puusöe aktiveerimist veeauru ja süsinikdioksiidiga. Praktikasse jõudsid patenteeritud meetodid aastal 1909, kui Chemischen Werken Ratibor valmistas esimest korda Ostrejko meetodil puuderaktiivsütt. Järgnevatel aastatel hakati tööstuslikult rakendama mõlemat aktiveerimismeetodit ning enamikku toodetud aktiivsöest kasutati keemia- ja suhkrutööstuses.

Esimese maailmasõja ajal kasutati esimest korda suurtes kogustes gaasitorbikute adsorberina kookospähklikoorest valmistatud aktiivsütt. See ning pressitud aktiivsöe tootmistehnoloogia väljatöötamine 1930ndatel aastatel võimaldasid hakata aktiivsütt laialdaselt kasutama gaaside tööstuslikuks puhastamiseks. Tänapäeval üha karmistuvad keskkonnanõuded on suurendanud aktiivsöe kasutamist õhu ja vee puhastamisel. Aktiivsöe puhastav roll on oluline ka looduslike ja sünteesmaterjalide keskkonnasõbralikus tootmises.

Aktiivsöe omadused

Aktiivsüsi (ingl. activated carbon, saks. Aktivkohle, pr. charbon actif, hisp. carbón activado, soome aktiivihiili, vene активированный уголь), mis erineb oluliselt tavalisest söest, on poorsest süsinikust materjalide üldnimetus. Aktiivsöe toormel (nt kivisüsi, kookospähklikoor, puit) ei ole kindlat sisestruktuuri ega ka märkimisväärselt adsorbtsioonipoore. Soovitavat grafiitset struktuuri on võimalik tekitada, kuumutades toormaterjali umbes 800 ºC juures inertses keskkonnas.

Selline täielikult söestatud looduslik materjal koosneb põhiliselt süsinikust ning selle struktuur on ruumiline – korratult paiknevate süsinikuplaadikeste vahel on amorfne aine. Aktiveerimise käigus suur osa amorfsest ainest kõrvaldatakse, nii et alles jääb vaid süsinikuplaadikestest koosnev karkass, mille vahel on soovitud kuju ja suurusega tühikud – poorid. Elektronmikroskoobi pildil meenutab aktiivsüsi vahtkummi. Selline söeterakeste sisemiste mikroskoopiliste pooride struktuur annabki aktiivsöele tema unikaalsed omadused.

Aktiivsöe kasutamine põhineb adsorptsioonil – sütt moodustavate süsinikuplaadikeste võimel gaasi- või vedelikumolekule enda külge „kleepida“. Füüsikaline adsorptsioon on pööratav protsess – temperatuuri tõustes võib osa adsorbeerunud molekule vabaneda, s.o desorbeeruda. Seda omadust rakendatakse praktikas nii aktiivsöe reaktiveerimisel kui ka lahustite taaskasutamisel. Keemilise adsorptsiooni puhul tekivad ainete vahel keemilised seosed ning protsess ei ole pööratav. Seda protsessi rakendatakse nt klooriühendite sidumisel veepuhastuses. Aktiivsütt toodetakse põhiliselt puudrina (powder, порошковый), teralisena (granular, дробленый), pressituna (extruded, гранулированный) ja kangana (carbon textile, тканевый). Mõningat segadust tekitab nimetuse granuleeritud erinev kasutus inglise ja vene keeles. Mõnikord on aktiivsütt segi aetud varem katlamajades laialt pruugitud nn sulfosöega. Tänapäeval toodetavate aktiivsüte sisepooride eripind (specific surface area) on tavaliselt vahemikus 500–2000 m²/g (erandjuhtudel kuni 5000 m²/g), see tähendab, et ühe teelusikatäie aktiivsöeterakeste aktiivne sisepind on sama suur kui jalgpalliväljak.

Aktiivsütt iseloomustavad mehaanilised ja keemilised näitajad

Terasuurus (particle size). Puudersöel on see suurusjärgus 50–200 µm, teralisel (korrapäratu kujuga tükikesed) 0,5–5 mm. Pressitud aktiivsöe silindrikeste läbimõõt on 1–4 mm ja pikkus 2–3 läbimõõtu. Millimeetrites terasuuruse asemel on käibel ka nn sõelaava suurus (mesh size). Mida väiksem on terasuurus, seda parem (suurem) ja kiirem on adsorptsioon.

Puistetihedus (apparent density), mitte segi ajada tihedusega (density). Olenevalt toormest on see 300 (puiduaktiivsüsi) kuni 550 kg/m³ (kivisöe-aktiivsüsi).

Aktiivsöe niiskus ja tuhasisaldus (water content ja ash content) on tavaliselt vahemikus 5–10%. Tuhas võib olla ka rauda ja kaltsiumoksiidi.

Purunemiskindlus (abrasion number). Joodiarv (iodine number), metüleensinisearv (methylen blue titer) ja molassiarv (molasses number) iseloomustavad aktiivsöe võimet adsorbeerida neid aineid, s.o mitu milligrammi neid suudab adsorbeerida 1 gramm aktiivsütt. Enamasti on joodi- ja metüleensinisearvud 800–900 mg/g ja 100–250 mg/g. Eripind (BET) iseloomustab samuti aktiivsöe adsorbtsioonivõimet ja on vahemikus 900–2000 m²/g. Oluline on arvestada, et viimased neli näitajat kehtivad kindlate ainete adsorbeerimise kohta ning ei ole muudele ühenditele otseselt ülekantavad.

Sobivaima aktiivsöe valikul on kõige õigem teha lihtsad katsed, kuna paljudel juhtudel on oluline ka pooride jaotus ava suuruse – efektiivse ava – järgi, nii et oleks piisavalt kitsaid adsorbeerivaid poore ja samas ka küllaldaselt just antud rakenduses vajaliku suurusega avaramaid transpordipoore.

Sõltuvalt aktiivsöe kasutamisotstarbest on olulised veel mitu täiendavat näitajat, gaaside puhastamisel nt aktiivsöe adsorptsoonivõime mitmesugustel tingimustel (kirjeldatakse sellekohaste isotermidega) ning vedelike puhastamise korral teralise söe abil filtrimiskiiruse sõltuvus rõhulangust filtris ning söekihi „paisumine“ (bed expansion) filtripesu (back washing) ajal.

Aktiivsöe omadused olenevad peamiselt toormaterjalist. Tänapäeval on enimkasutatavad toormaterjalid kivisüsi, kookospähklikoor, puit, pruunsüsi, turvas ja aprikoosikivid. Nt puidust toodetud aktiivsöe poorid on oluliselt suuremad ja süsinikuplaatide üldpindala ruumiühikus (seetõttu ka aktiivsus) tunduvalt väiksem kui kivisöest toodetul. Puidust saadud aktiivsüsi on ka üks mehaaniliselt pehmemaid. Mehaaniliselt tugevaim ja aktiivsem on kookospähklikoorest toodetud aktiivsüsi (kookosesüsi). Samas on kookosesöe poorid pikad ja kitsad.

Aktiivsöe tootmine

Aktiivsöe tootmine koosneb üldjuhul järgmistest astmetest: toormaterjali valimine ja ettevalmistamine, söestamine e karboniseerimine, peenestamine, sideainega segamine, pressimine, aktiveerimine, jahvatamine, sõelumine ja pakendamine.

Tootest olenevalt on nende astmete sisu erinev. Nt kivisöe korral segatakse tihti kokku kuni kümme erinevatest kaevandustest tarnitud sütt, puidu puhul valitakse aga sobiv puiduliik. Tooteti erinevad ka pressimine ja jahvatamine.

Karboniseerimisel ja aktiveerimisel on kasutusel kaks meetodit:

• vee keemiline eraldamine (dehüdreerimine) tsinkkloriidi või fosforhappe abil, millele järgneb söestunud materjali kuumutamine temperatuuril +400–600 ºC nendesamade kemikaalide juuresolekul;
• kuivdestillatsioon 500–900 ºC juures, millele järgneb aktiveerimine temperatuuril 700–1000 ºC veeauru ja süsinikdioksiidi keskkonnas.

Aktiveerimise käigus kujundatakse lõplik mikroskoopiliste sisepooride struktuur. Mida kõrgem on temperatuur ja pikem aktiveerimisaeg, seda rohkem süsinikuplaadikesi põleb ära. Poorid muutuvad avaramaks, samas väheneb nende üldpind. Aktiivsöe suur pluss ongi see, et seda saab valmistada tellijale sobiva poorisuuruse ja -jaotusega. Tootmise käigus jääb aktiivsöe pooridesse natuke tuhka, seepärast pestakse pH-tundlikes protsessides kasutatavat aktiivsütt veel happega.

Kangakujulist aktiivsütt toodetakse kahte moodi: ühel juhul viiakse pulbriline aktiivsüsi valmis kanga kiududesse, teisel söestatakse ja aktiveeritakse kogu kangas. Viimase meetodiga valmistatud 100% aktiivsöest kanga iga niit koosneb tuhandetest poorsetest aktiivsöekiududest ning tänu väga suurele eripinnale on adsorptsioon selles ülikiire.

Aktiivsöe impregneerimisel „uputatakse“ süsi kemikaalilahusesse, seejärel kuivatakse või piserdatakse kemikaalilahusega aktiivsöe kuumutamise ajal pöördahjus või kuivatis.

Praktikas on oluline aktiivsöe reaktiveerimine. Reaktiveeritakse teralist ja pressitud aktiivsütt. Protsessi käigus tõstetakse temperatuur esialgu aeglaselt 800 ºC-ni ning eemaldatakse (desorbeeritakse või lagundatakse termiliselt) pooridesse kogunenud ained. Seejärel taastatakse sisepinna adsorptsioonivõime – aktiveeritakse temperatuuril umbes 900 ºC veeauru ja süsinikdioksiidi keskkonnas.

Aktiivsöe kasutamine

Aktiivsöe kasutusvaldkondadest on olulisemad vee- ja gaasipuhastus.

Aktiivsöe kasutamine veepuhastuses

Veepuhastuses (joogivesi, reovesi, kondensaat, akvaariumivesi) on üldjuhul söe ülesanne kõrvaldada kõige peenemad võõrised e soovimatud ained. Nt kõrvaldatakse aktiivsöe abil veele halba lõhna ja värvust andvad orgaanilised ühendid, naftasaadused, ammoonium ja lämmastik, kloori- ja osoonijäägid, raskmetallid ning arstimi- ja mürkainejäägid.

Orgaanilised ühendid eemaldatakse adsorptsiooniga söe poorides ning selleks vajalik kontaktaeg on 5–10 minutit. Desinfektandid (kloor, kloramiinid, osoon) kõrvaldatakse katalüütiliselt. Aktiivsüsi eemaldab veest ka trihalometaanid (THM) – joogivee kloorimise sagedased ja väga ohtlikud kõrvalsaadused.

Osoonijäägid (O₃) redutseeritakse ohutuks hapnikuks (O₂). Osoonimise kõrvalsaadused aldehüüdid ja ketoonid on suurepärased toitained bakteritele. Seepärast tuleb need veest aktiivsöega kindlasti kõrvaldada, et vältida veetorustike kiiret ja tugevat saastumist.

Ulatusliku herbitsiidide kasutamise tagajärjel põhjavette jõudnud mürkide ja nende ohtlike kõrvalsaaduste kõrvaldamisel on aktiivsüsi asendamatu.

Puudersütt annustatakse vette vastavalt vajadusele, mõni gramm kuupmeetri vee kohta, ning segatakse. Kui aktiivsüsi on võõrised adsorbeerinud, filtritakse ta vedelikust välja. See meetod sobib veepuhastuses eriti siis, kui vesi vajab aktiivsöe lisamist vaid perioodiliselt (sesoonselt).

Teralist aktiivsütt kasutatakse vee pidevaks filtrimiseks. Vesi voolab läbi filtris oleva aktiivsöekihi üldjuhul ülalt alla. Kuna aktiivsüsi adsorbeerib oma sisemusse, tuleb selle välispind hoida võimalikult puhas, st et söe välispinnal olevate pooride suudmed peavad olema avatud. Seepärast tuleb aktiivsöeterade pinda filtrites perioodiliselt puhastada. Puhastamisel (filtripesul) uhutakse filtrid vastu filtrimissuunda läbi vee või vee ja õhu seguga. Projekteerimisel on oluline arvestada seda, et filtripesul aktiivsüsi „paisub“, seetõttu tuleb filtri ülaossa jätta piisavalt vaba ruumi, et aktiivsüsi filtrist välja ei kanduks. Filtripesu seisukohast on oluline aktiivsöe mehaaniline tugevus, selle vastupidavus hõõrdumisele. Tugevaim on kookosesüsi.

Oluline on, et filtris oleks mitme suurusega söeterakesi, siis sadestuvad erisuurused terakesed pärast tagasipesu oma kihti tagasi ning aktiivsüsi täitub järkjärgult ülevalt alla. Kui ka kõige alumise aktiivsöekihi adsorptsioonivõime on ammendunud, tuleb aktiivsüsi saata reaktiveerimisele või vahetada uue vastu. Aktiivsöe kasutusiga filtris on võimalik hinnata teoreetiliselt, kuid parem on seda teha lihtsa katsega, mille kirjelduse saab aktiivsöe tootjalt või tarnijalt.

Eestis kasutatakse joogiveepuhastuses enamasti 0,5–2,5 mm jämedust teralist kookosesütt ja kivisöest toodetud pulberaktiivsütt.

Akvaariumivette satub väga palju orgaanilist ainet, mis vähendab vee läbipaistvust, langetab pH-d, nõuab hapniku lisamise intensiivistamist ning soodustab ohtlike bakterite kasvu. Aktiivsöega filtrimine on tõhusaimaid mooduseid orgaaniliste ainete kõrvaldamiseks akvaariumiveest.

Reovee bioloogilisel puhastamisel kaitseb puudrilise aktiivsöe lisamine aktiivmuda mürgiste ühendite eest.

Paljud õlle- ja karastusjoogitootjad desinfitseerivad toorvett klooriga ning eemaldavad seejärel klooriühendid aktiivsöe abil. Viinatööstuses puhastatakse aktiivsöega toorpiiritust või viina puskariõlidest. Venemaa viinavabrikud pruugivad enamasti kasepuidust valmistatud aktiivsütt. Mõneti üllatav on valgete veinide värvuse korrigeerimine aktiivsöega. Sama ülesanne on aktiivsöel heledate mahlade valmistamisel. Vedelike töötlemiseks kasutatakse rohkesti aktiivsütt veel roosuhkru valgendamisel; glükoosi, toiduõli, äädika ja sidrunhappe tootmisel, kõrgpastöriseeritud piima maitse parandamisel ning parafiini, seebi ja biodiisli kõrvalsaaduse glütseriini puhastamisel.

Suurtes kogustes kulub aktiivsütt naftatööstuses – nii rafineerimisel kui ka naftasaadusi sisaldava reovee puhastamisel. Ka õlitööstuste ümbruses saastunud põhjavee puhastamisel kasutatakse aktiivsöe abil.

Vedelike töötlemise alla võib liigitada ka aktiivsöe kasutamise kulla- ja hõbedatootmises, kus purustatud maak lahustatakse naatriumtsüaniidis ning saadud kulla või hõbeda tsüaniidühendid adsorbeeritakse sobivalt valitud aktiivsöes.

Eriline roll on aktiivsöel meditsiinis. Seda, et aktiivsöest on abi kõhuhädade leevendamisel, on paljudele teada, kuid aktiivsüsi on oluline ka vere kehavälises puhastamises (dialüüsis) ja väga paljude ravimite tootmisel.

Aktiivsöe kasutamine gaaside puhastamisel

Gaasi puhastamisel aktiivsöega on eelkõige vaja arvestada konkreetse aktiivsöe adsorbeerimisvõimet mingi aine suhtes. Selleks kasutatakse isoterme – graafi kuid, mis kirjeldavad ainete neeldumist (massiprotsentides) mingit ainet eri kontsentratsioonis sisaldavas gaasis kindlal temperatuuril. Sõltuvalt kasutatavast tehnoloogiast on oluline ka aktiivsöe terasuurus ja -kuju. Mida peenem tera, seda kiirematoimeline on aktiivsüsi, ent ka seda suurem on rõhukadu filtris.

Gaaside töötlemisel kasutatakse aktiivsütt enamasti nende puhastamiseks, nt süsihappegaasi, lämmastiku jt gaaside tootmisel ning lahustite taaskasutamiseks (solvent recovery). Paljusid heitgaase tuleb enne atmosfääri laskmist puhastada kahjulikest ühenditest. Seda tuleb teha nt plastpaatide ja -mahutite valmistamisel, kummitööstuses, liimide tootmisel, värvimistöökodades, bensiinijaamades, trükitööstuses ja ohtlike jäätmete põletustehastes. Selleks juhitakse heitgaas läbi pressitud aktiivsöega täidetud filtri või lisatakse heitgaasi puuderaktiivsütt, millele järgneb filtrimine. Üha rohkem kasutatakse aktiivsütt ka igasugustes õhufiltrites, alates köökidest ja suitsetamisruumidest ning lõpetades muuseumidega. Puudrilist aktiivsütt lisatakse sigaretifiltritesse sadu tonne aastas.

Järjest enam pruugitakse aktiivsütt autodes. Salongiõhufiltrites kõrvaldab aktiivsüsi välisõhust tulevad heitgaasijäljed ja muud ebameeldivad lõhnad. Selleks otstarbeks kulus 2007. aastal maailmas 5000 tonni pressitud aktiivsütt. Ka biogaasi puhastatakse enne gaasimootorisse või maagaasivõrku suunamist väävliühenditest aktiivsöega. Aktiivsöesse koguneb sel juhul puhas väävel.

Aktiivsöe kasutamine lahustite taaskasutamisel

Tüüpilise näite aktiivsöe kasutamisest lahustite taaskasutamisel pakub kunstkiu tootmine. Kunstkiutoorme (plasti) terakesed lahustatakse atsetoonis ning lahus lastakse langeda kõrgel asetsevast peenest düüsist. Õhu käes atsetoon aurustub ning moodustub kiud. Õhu ja atsetooni segu juhitakse läbi filtri, kus atsetoon adsorbeerub pressitud aktiivsöel. Kui aktiivsüsi on atsetooni „täis“, lülitatakse õhuvool teise filtrisse ning esimeses desorbeeritakse atsetoon aktiivsöest kuuma auruga. Seejärel eraldatakse atsetoon tekkinud vesilahusest ja juhitakse uuesti tootmisse.

Tihti on tarvis (heit)gaase neutraliseerida või puhastada mingist konkreetsest võõrisest. Siis immutatakse e impregneeritakse aktiivsütt kemikaalidega, mis muudavad töödeldava gaasi paremini adsorbeeruvaks, või katalüsaatoritega, mis soodustavad gaasi oksüdeerumist ja ohutuks muutumist. Gaaside puhastamiseks happeaurudega kasutatakse tihti leelise või happega immutatud aktiivsütt, päevavalguslampide utiliseerimisel lenduva elavhõbeda püüdmiseks aga väävlilisandiga aktiivsütt. Eriliselt töödeldud aktiivsöega täidetakse gaasimaskide padruneid.

Tomateid, banaane jm suvivilju saame nüüd aasta ringi süüa, selleski on oma osa aktiivsöel. Tomatite riknemise „käivitab“ selles protsessis eralduv etüleen. Pakkides tomatid vähe hapnikku ja rohkesti süsihappegaasi sisaldavasse keskkonda ning vähendades aktiivsöe abil selle etüleenisisaldust, tagataksegi tomatite pikk säilimine.

Perspektiivikaks võib osutuda automootoreid käitava gaasi salvestamine aktiivsöes. Lootustandev on ka peenest (0,3–0,7 nm) aktiivsöest molekulaarvõrkude kasutamine, eriti gaaside puhastamisel. Aktiivsöe eelis on odavus ning happe- ja leeliskindlus.

Ülikiire adsorptsioonivõime ning suure tõhususe, mahutavuse ja painduvuse tõttu kasutatakse kangakujulist aktiivsütt rohkesti erivahendite valmistamisel. Aktiivsöekangas on üks olulisi mürke neelavaid kihte keemiakaitseülikondades ja respiraatorites. Medikamentidega töödeldud aktiivsöe baasil valmistatakse haavaplaastreid, mis raskesti paranevates haavades tekkinud laguaineid adsorbeerides kiirendavad oluliselt haavade paranemist.

Põnevaid laborikatseid on tehtud kolloidse aktiivsöega. Eesmärk on saada aktiivsöe „kvaasilahus”, mida saab juhtida nt saastunud põhjaveekihtidesse. Aktiivsöe kasutusvaldkondi tuleb pidevalt juurde ning selle tootmismahud üha suurenevad – aastatoodang läheneb miljonile tonnile. Viimastel aastatel on aktiivsöetootjate esiritta tõusnud Hiina Rahvavabariik. Seda küll mahu, mitte kvaliteedi poolest.

Euroopas on arvestatavad kvaliteetse aktiivsöe tootjad Chemviron Carbon, Jacobi, Norit ja Silcarbon, 100%-list aktiivsöekangast valmistab Charcoal Cloth InternationaI (CCI). Balti riikides kasutatakse enamasti Saksa firma Silcarbon toodangut. Aktiivsöe hinnaskaala on lai – 30 kuni 500 kr/kg ning enamgi. Eriti kallid on mitme ühendiga impregneeritud aktiivsöekangad.

Internetis on aktiivsöe nimetustena käibel activated charcoal, active charcoal, active carbon, jm. Artiklit kirjutades on kasutatud peamiselt kaht raamatut: H. Kienle, E. Bäer “Aktivkohle und ihre industrielle Anwendung” (1980) ning H. Marsh, F. R. Reinoso “Activated Carbon” (2006). Aktiivsöest on artikli autor pikemalt kirjutanud Internetis veebileheküljel www.bercarbon.ee.

Artikli autor on JAAK BERGMANN, Bercarbon OÜ

Artikkel ilmus ajakirjas Keskkonnatehnika 3/2009, lk 41–43

Foto: Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0