noemt men poreuze koolsoorten, die de eigenschap hebben andere stoffen, in het bijzonder kleur- en lakstoffen, gassen en dampen, aan hun oppervlak te adsorberen (z adsorptie). Over de krachten waarop deze adsorptie berust, is nog weinig bekend.
Vermoedelijk is het adsorberend vermogen te danken aan van der Waals’ krachten. Dit in tegenstelling met de specifieke polaire adsorptie zoals die van water aan silicagel.Bepalend voor het adsorberend vermogen is in de eerste plaats de grootte van de porositeit met de daaruit voortvloeiende oppervlakte-vergroting. Immers alleen door een zeer groot oppervlak kan de grote hoeveelheid vreemde stoffen die door een betrekkelijk kleine hoeveelheid kool gebonden wordt, verklaard worden. Hierbij dient vermeld te worden, dat het actieve oppervlak van een kool verschillend blijkt te zijn tegenover verschillende adsorbentia. De nauwste poriën zijn nl. dikwijls zo klein, dat de kleinere moleculen, zoals bijv. waterstof, hierin wèl kunnen doordringen, maar de grotere moleculen, zoals bijv. die van aromaten, niet. Daardoor vertoont de kool in haar werking tegenover grotere moleculen een kleiner oppervlak (zgn. ultraporositeitsafneming). Het grote oppervlak alleen kan echter de grote adsorptieactiviteit van actieve kool niet verklaren. Want deze is vele malen groter dan die van andere stoffen met dezelfde porositeit, zoals bleekaarde. Daarom moet het adsorptie vermogen van actieve kool wel degelijk aan een specifieke werking van de koolstof worden toegeschreven.
Dit zou tot de veronderstelling kunnen leiden, dat de beste actieve kolen die zijn, welke het hoogste koolstofgehalte bezitten. Deze veronderstelling is echter onjuist. Actieve kolen bestaan nooit uit zuivere koolstof, zij bevatten steeds meer of minder grote hoeveelheden van andere elementen, als waterstof, zuurstof en stikstof en bovendien een dikwijls zeer aanzienlijk percentage as, speciaal ijzer. Een direct verband tussen het koolstofgehalte of het gehalte aan andere elementen van kool en haar activiteit is nooit gevonden.
Van de aard der koolstofverbindingen, die aanwezig zijn in actieve kool, is heel weinig bekend. Vermoedelijk gaat het om een groot aantal zeer verschillende stoffen, terwijl ook de algemene structuur van de koolstofverbindingen verschillend kan zijn. Bij oxydatie met kaliumpermanganaat worden uit actieve kool, behalve koolzuurgas, organische zuren gevormd. Bij kool van het norittype overwegen in dit geval de aromatische verbindingen, terwijl bij kool van het carboraffinetype hoofdzakelijk alifatische verbindingen verkregen worden.
Bij de studie van actieve kolen is een bruikbare werkhypothese het aannemen, dat op het kooloppervlak actieve punten, of centra, aanwezig zijn en wel verschillende soorten naast elkaar, die elk bepaalde, meestal verscheidene, stoffen kunnen adsorberen.
De adsorptie van stoffen uit hun oplossingen door actieve kool geschiedt volgens de adsorptie-isotherm van Freundlich: x/m = kc 1/n. Daarin is x de totaal geadsorbeerde hoeveelheid door m g adsorbens, c de concentratie van de te adsorberen stof na instelling van het evenwicht, terwijl k en n constanten zijn. De waarde 1/n ligt meestal tussen 0.2 en 0.7, de adsorptie is dus relatief het sterkst bij kleine concentraties.
Toepassingen.
Reeds in de 15de eeuw was bekend dat houtskool de eigenschap bezit, sommige gekleurde oplossingen te ontkleuren. Veel attentie werd hieraan niet besteed, totdat Lowitz in 1785 er speciaal de aandacht op vestigde. Spoedig volgde daarop het gebruik van houtskool, later ook beenderkool, in de suikerindustrie, vervolgens ook in andere industrieën. In 1777 had Scheele de adsorptie van gassen aan houtskool waargenomen, een observatie, die de eerste stoot is geweest voor tal van latere toepassingen. De belangrijkste toepassingen van actieve kool zijn heden ten dage:
1. het ontkleuren van suiker- en andere oplossingen;
2. het bleken en reinigen van vetten, oliën, paraffinen en andere koolwaterstoffen;
3. waterreiniging;
4. het winnen van gassen en dampen;
5. het gebruik als medicinale kool;
6. het gebruik als gasmaskervulling;
7. het gebruik als katalysator.
Bereiding.
Actieve kool kan door verkoling van verschillende organische substanties worden verkregen. Als uitgangsstof worden bijv. gebruikt: hout, turf, beenderen, bloed, suiker, cocosnootschalen en industriële afvalproducten, zoals sulfietloog. Het asgehalte van de verschillende actieve kolen is in verband met de herkomst dan ook zeer verschillend. Veelal geeft de naam het uitgangsproduct aan (houtskool, beenderkool, bloedkool etc.). De producten, die men door een eenvoudig verkolingsproces uit de genoemde uitgangsstoffen maakt, vertonen echter voor onze tegenwoordige begrippen maar een geringe activiteit. Door speciale bewerkingen, het zgn. activeringsproces, kan de activiteit vele malen verhoogd worden.
Een eenvoudige vorm van activeren werd het eerst bij beenderkool toegepast. De werkzaamheid hiervan bleek verhoogd te kunnen worden door uitlogen met zoutzuur, waardoor een deel van het anorganisch skelet, dat grotendeels uit kalk bestaat, wordt opgelost. In 1827 werd door de Bussy een op deze wijze geëxtraheerde beenderkool verder geactiveerd door haar te mengen met kali of potas, nog eens te branden en vervolgens door uitlogen de alkali te verwijderen.
Tegenwoordig zijn verschillende processen in gebruik om chemisch geactiveerde kool te maken. Het meest bekende is het zinkchlorideproces. Hierbij wordt het fijngepoederde uitgangsmateriaal, bijv. houtmeel, vermengd met een geconcentreerde zinkchlorideoplossing. De massa, die bij deze bewerking onder verwarming zwelt en gelatineert, wordt gedroogd en gebrand. Daarna wordt het zinkchloride door uitlogen verwijderd. Men verkrijgt zodoende een zeer poreus materiaal met hoge activiteit. Soortgelijke processen worden ook uitgevoerd onder gebruikmaking van phosphorzuur en zwavelzuur.
Tot de chemisch geactiveerde koolsoorten moeten ook die kolen gerekend worden, die bereid zijn uit sulfietloog. Dit is een afvalproduct bij de bereiding van cellulose uit hout. De sulfietloog, die o.a. lignine bevat, wordt gedroogd en gebrand en vervolgens door uitlogen van het sulfiet bevrijd.
Een andere wijze van activeren is die, waarbij men uitgaat van een minder actieve kool, bijv. houtskool of turfcokes, en deze behandelt met lucht bij 350-450 gr. of met waterdamp of kooldioxyde bij 800-1000 gr. Daardoor heeft een gedeeltelijke oxydatie van de kool plaats, waarbij de nog aanwezige teerbestanddelen het eerst verbranden, terwijl ook het overblijvende koolskelet wordt aangetast. Het gevolg is het ontstaan van allerlei meer of minder grote gangen, gaten en holten in het kooloppervlak, dus een oppervlaktevergroting en een verhoging van de adsorptiecapaciteit. Opgemerkt zij nogmaals, dat niet alleen de grootte van het oppervlak van belang is, doch ook de aard van het verkregen oppervlak. Speciaal het ruwe oppervlak, dat door partiële oxydatie wordt verkregen, werkt het adsorptievermogen in de hand. Zoals begrijpelijk is, vertonen actieve kolen, die op zo verschillende wijzen uit verschillend uitgangsmateriaal verkregen worden, duidelijke verschillen in eigenschappen; niet alleen wat de grootte van de adsorptiecapaciteit betreft, maar ook in de aard daarvan. Bij de keuze van een bepaalde actieve kool zal men dan ook steeds het speciale doel dat men beoogt voor ogen moeten houden. Ook de vorm van de kool wordt hieraan aangepast. Voor bepaalde doeleinden worden kolen die uit zeer regelmatige, kunstmatig bereide korrels bestaan, gebruikt. De weerstand tegen vergruizing van de kool speelt ook dikwijls in de practijk een belangrijke rol. De keuring van het materiaal wordt daarom speciaal aangepast aan haar toepassing. Veel toegepaste beoordelingsmethoden zijn de ontkleuring van bepaalde standaardoplossingen, zoals die van methylviolet of jodium, de bepaling van het adsorptievermogen t.o.v. bepaalde gassen, de bepaling van de adsorptiewarmte bij verzadiging met methylalcohol en de bepaling van de porositeit, ultraporositeit, filtreerbaarheid, het permanganaatgetal en de zuurgraad.
Hoewel de meeste actieve kolen voor verschillende doeleinden te gebruiken zijn en dus een scheiding tussen de verschillende groepen niet scherp is door te voeren, kan men in het algemeen volgens Mecklenburg onderscheid maken tussen ontkleuringskolen (E-kolen), adsorptiekolen (A-kolen), medicinale kolen (M-kolen) en gasmasker kolen (G-kolen). Hierbij zijn de G-kolen feitelijk een onderdeel van de A-kolen en de M-kolen een onderdeel van de E-kolen. Het meest verbreid in toepassing zijn de E-kolen. Zij zijn meestal zeer fijn poederig, in tegenstelling met de A-kolen die meer grofkorrelig zijn.
Noemen wij tenslotte nog enige der meest bekende koolsoorten, zonder hierbij in het minst naar volledigheid te streven.
Bloedkool wordt verkregen door de bloedkoek van geronnen bloed, bestaande uit fibrine en rode bloedlichaampjes, te drogen en in bijna gesloten cylinders te gloeien. In de techniek wordt bloedkool practisch niet meer toegepast. Wel wordt het nog gebruikt voor de verbetering van ordinaire wijnsoorten, verder voor medicinale en analytische doeleinden (zgn. carbo animalis).
Carboraffine is een met behulp van het zinkchlorideproces uit hout verkregen fijnpoederige kool. Het vertoont sterk ontkleurende eigenschappen en wordt o.a. in de suikerindustrie veel toegepast. Het heeft een enigszins zuur karakter.
Norit wordt bereid uit kool, afkomstig van verschillend uitgangsmateriaal (houtsoorten en turf) door activeren met waterdamp. Er worden zeer veel verschillende soorten van in de handel gebracht, die bedoeld zijn voor verschillende doeleinden, bijv. de suikerindustiie en de olie- en vetindustrie. Voor medicinale doeleinden dient de zgn. medicinale norit.
Purit is een kool, vervaardigd uit turf of bruinkool. Zij is geactiveerd met behulp van kooldioxyde.
Dusarit en Asmit worden veel gebruikt bij de reiniging en de ontharding van drink- en ketelwater. Het zijn kolen met ionenuitwisselend vermogen. In dit geval spelen bij de adsorptie ook polaire krachten een rol, in tegenstelling met de typische van der Waals-krachten, die bij de gewone adsorptieverschijnselen een rol spelen. Daardoor vormen deze kolen een grensgebied der actieve kolen en een overgang hiervan naar andere soorten adsorbentia.
DR F. G. KREULEN - VAN SELMS
