5.2. Активные угли–электронообменники

Аналогичным, весьма удобным в практическом выполнении способом действуют так называемые электронообменники и электроноионообменники, с помощью которых можно в твердой фазе осуществлять окислительно-восстановительные реакции. В основе реакций этого типа лежит переход электронов от одних атомов к другим, перераспределение зарядов между ионами. При осуществлении окислительно-восстановительных реакций на установках типа фильтров, колонок выходящий раствор оказывается отделенным от воздействовавшего на него окислителя или восстановителя.

К веществам, способным легко и обратимо отдавать (принимать) электроны, относятся и активные угли. На них могут осуществляться, наряду с описанными выше ионообменными, также и электронообменные реакции – окисление или восстановление ионов (веществ). При этом обычный активированный при высокой температуре уголь обладает восстановительными свойствами, на его поверхности идут реакции восстановления ионов переменной валентности от высшей к низшей, например восстановление ионов . При введении на поверхность кислородсодержащих групп окислительно-восстановительный потенциал обычно существенно уменьшается. Данные свойства углей используют при обескислороживании воды, при проведении различных превращений веществ, выделении примесей.

5.3. Активные угли–катализаторы

Сочетание ряда перечисленных особенностей активных углей (высокоразвитая структура, способность к обмену ионов, высокой электропроводности, окислительно-восстановительные способности и др.) обусловили их способность катализировать различные химические процессы.

Значение явления катализа и катализаторов в химии, биологии, самой жизни трудно переоценить. В живом организме огромное число процессов идет под действием биокатализаторов – ферментов. В химической промышленности 90-95% всех превращений проходит с применением катализаторов. Катализ недаром называют «волшебной палочкой химии».

В конце 50-х-начале 60-х годов в Институте физической химии АН УССР были выполнены пионерские работы Д.Н. Старжеско, который показал, что различные модификации активных углей (анионообменники) и окисленных (катионообменники) обладают разными каталитическими свойствами в реакциях кислотно-основного типа. Объяснить важность данного открытия можно с помощью следующего примера. Ряд промышленных процессов, таких как синтез и гидролиз эфиров, дегидратация, крекинг, ускоряются растворимыми кислотами и щелочами. На практике раньше использовали в этих процессах сильные кислоты, например серную. В этом случае после окончания синтеза избыток кислоты необходимо было нейтрализовать и отделить от продукта. Кроме того, под действием сильной кислоты часто происходят побочные процессы и требуются дополнительные операции по отделению посторонних продуктов, достаточно громоздкое оборудование и др. Широкое внедрение в практику ионообменных смол, представляющих, по существу, высокомолекулярные нерастворимые кислоты, привело к мысли о применении их вместо растворимых кислот в ряде реакций органического синтеза. Оказалось, что такое использование ионитов создает в технологии ряд преимуществ, основным из которых является простота оформления технологического процесса, легкость отделения катализатора от реакционной массы, возможность непрерывного процесса в колоннах, мягкость и избирательность действия и др. Д. Н.  Стражеско с сотрудниками показал, что окисленные угли вследствие содержания на их поверхности кислотных (протоногенных) групп обладают высокой каталитической активностью в типичных реакциях кислотно-основного типа, а также установил четкую связь между каталитическим действием углей и природой их поверхности: активный уголь (анионит) практически не влияет на течение названных реакций, в то время как в присутствии окисленных углей наблюдается значительный каталитический эффект того же порядка, что и при использовании растворимых кислот или сильнокислых катионитов. Вместе с тем оказалось, что окисленные угли отличаются намного большей химической и термодинамической устойчивостью, чем ионообменные смолы, и могут использоваться до температур 300-400°С, в то время как смолы разрушаются и теряют свою активность при температурах около 100°С или чуть выше.

Каталитические свойства угля можно направленно изменять и разнообразить изменением пористой структуры, природы поверхности, введением модифицирующих добавок и др. К настоящему моменту разработано большое число разнообразных каталитических процессов, ускоряемых активными и окисленными углями.