Vad är aktivt kol?

Aktivt kol är den allmänna beteckningen för en grupp absorberande ämnen i kristallin form med en stor intern porstruktur som ger kolet en mycket stor absorbtionsförmåga. Aktivt kol tillverkas enligt Ostreijkos patent från 1900 och 1902. Det tillverkas ca 150.000 ton pulveriserat aktivt kol, 175.000 ton granulerat och 30.000 ton format (stavar/pellets) aktivt kol om året. Man kan aktivera många olika ämnen (trä, plast, sten, syntetmaterial) utan att göra kol av det, och få samma effekt. Aktivt kol är det populäraste och billigaste materialet för alkoholrening och ångaktiverat aktivt kol är baserat på naturliga råvaror. Mycket aktivt kol regenereras (rensning/desorbtion) och återanvänds hundratals eller tusentals gånger.

Man gör kol av olika råvaror, sedan värmer och behandlar man kolet ytterligare så att stora delar förgasas och lämnar kvar porer. Det finns 100 tals kolsorter på marknaden men bara ett fåtal som fungerar till rening av alkohol. Det finns kolsorter som gör spriten sämre än före användningen, varför framgår senare i denna skrift. Man talar ofta om kolets absorbtionsyta, som kan vara från 400-1600 kvadratmeter per gram, som ett mått på kolets effektivitet. Detta är helt fel, kolets effektivitet beror på dess lämplighet att absorbera ett visst ämne eller vissa ämnen. Detta beror på de kemiska och fysiska egenskaper som kolet har. Aktivt kol kan tillverkas för olika ändamål. Det som är viktigt vid alkoholrening gällande kolets porer är:

Storlek på porerna i kolet på molekylnivå
Vad man har för användning av de olika porerna i kolet
Hur fördelar sig de olika typerna av porer i kolet

Kolets porer består av:
Microporer med en radie mindre än 1 nm (små porer)
Mesoporer med en radie av 1-25 nm (mellan porer)
Macroporer med en radie större än 25 nm (stora porer)

De stora porerna används för transport av vätskan genom kolet och absorbtionen sker i de mellanstora och små porerna. Porerna formas under tillverkningen när kolet aktiveras. Aktivering är i grunden att man skapar porer i ett icke poröst material, genom kemiska reaktioner. Det finns 2 olika metoder för detta, kemisk aktivering och aktivering med vattenånga. Dessa metoder ger helt olika porstrukturer.

De stora macroporerna fungerar som kanaler genom kolet fram till meso- och microporerna. Granulerat aktivt kol har alltid macroporer, i pulveriserat aktivt kol finns ofta inga macroporer alls då kolet efter malning endast består av mycket små partiklar.

Högaktivt och lågaktivt kol
Det har blivit en standard att beskriva kolets aktivitetsnivå med hur stor andel av kolet som förgasats och lämnat kvar tomrum, porer. Ett högaktivt kol är alltså det som har mest tomrum. Ett sådan kol har mycket meso- och macroporer. Det kan ha så mycket stora mesoporer (12-25 nm) och en stor andel macroporer, att det inte lämpar sig för spritrening. Att ett kol är högaktivt är ingen kvalitetsgaranti eller mått på dess effektivitet

Porer i kemiskt aktiverat kol
Kemisk aktivering används huvudsakligen för aktivering av träbaserat aktivt kol och aktivt kol gjort av kärnor, t ex olivkärnor. Skillnaden mot ångaktivering är att förkolningen och aktiveringen sker samtidigt. Råmaterialet, vanligtvis sågspån, blandas med ett aktiverande och dehydrerande ämne, vanligtvis fosforsyra eller zinkklorid. Aktiveringen sker vid en låg temperatur, 500°C är vanligast men ibland går man ända upp till 800°C. Fosforsyran gör att trämaterialet sväller och öppnar dess cellulosastruktur. Under aktiveringen fungerar fosforsyran som stabilisator och gör att kolet inte kan sjunka ihop igen. Resultatet blir ett mycket poröst aktivt kol fyllt med fosforsyra. Denna tvättas senare bort och återanvänds i nästa produktion.

Som ett resultat av tillverkningsprocessens finns det inga “chips” (kristallina plattor) i detta kol. I stället får kolet en mycket öppen porstruktur som är idealisk för absorbtion av stora molekyler, t ex avfärgning av vätskor. Som regel mals detta kol till pulverkol.

Aktivt kol aktiverat med ånga
Ångaktivering används genomgående vid aktivering av kol gjort av torv, stenkol, kokosnötskal, lignite, antracit eller trä. Först omvandlas råmaterialet till kol genom uppvärmning. Kol som används som råmaterial vid ångaktivering är alltid uppbyggt av små grafiklika plattor, ungefär som potatischips. Chipsen är plana eller lite böjda, som potatischips, 0,35 nm tjocka och några nm breda och långa. Chipsen ligger hur som helst, som i en påse potatischips.

Nu blåser man in vattenånga vid en temperatur på ca 1000°C. En del av chipsen (“i påsen”) förgasas då och lämnar porer (tomrum). Formen på dessa har mycket att göra med vilket råmaterial som används. Ett hårt material som kokosnötskal lämnar nästan bara microporer medan ett mjukt material som torv (Norit) alltid får mycket mesoporer också.

Kort aktiveringstid,
mycket microporer

Medellång aktiveringstid,
mycket mesoporer.

Lång aktiveringstid, mycket stora meso- och macroporer.

Fortsätter man att under lång tid att blåsa in mer vattenånga så förgasas fler och fler chips och lämnar tomrum, porer, efter sig. Först är det microporer. Fortsätter processen så förgasas de omgivande chipsen också och poren utvidgas till en mesopor. Fortsätter man ännu längre så blir det en macropor. Dessa finns vanligen redan i råmaterialets struktur så man behöver inte bilda fler. Trä, torv och kokosnötskal har en klar cellstruktur som bibehålls genom hela aktiveringen.
Det tillverkas också format (högtryckspressat) aktivt kol, ofta som små stavar eller pellets, några millimeter långa. Man blandar pulverkol och ett bindemedel och pressar ihop detta under högt tryck. Macroporer bildas här i sprickor mellan pulverpartiklarna. Denna typ av aktivt kol är inte bra till spritrening då stavarna är för stora, kontaktytan och kontakttiden blir för liten.

Askhalt och efterbehandling av aktivt kol
Askhalten i aktivt kol är ett mått på de mineralämnen (Ca, Mg,Si,Fe, salter etc.) som finns kvar i kolet efter tillverkningen. För vår del är vi bara intresserade av andelen vätskelösliga (i sprit och vatten) ämnen som finns kvar. Vi vill inte dricka dom och dom ger fällning i spriten. Aktiva kol för vatten, sprit och andra livsmedel syratvättas därför, ofta med en efterföljande vattentvätt, för att få bort det mesta av dessa ämnen. Men – allt detta kol är avsett för att användas i kolbäddar som startas upp på rätt sätt. Då ingår att man vätar kolet och tvättar eller spolar rent kolet. Ingen kolbädd i ett industrifilter startas utan att kolet får suga upp vatten i ett dygn och därefter spolas i några timmar. Då får man bort alla kvarvarande vätskelösliga ämnen.
Hobbybrännaren, som ofta häller torrt kol i ett rör och därefter filtrerar spriten direkt, löser ut ämnena ur kolet och dricker upp dom. Kokosnötkol brukar ge vit fällning i spriten. Kolet innehåller nästan bara microporer och är svårt att tvätta, därav fällningen. Startar man upp detta kol som jag beskriver så försvinner detta problemet av sig själv. I svåra fall filtrerar man 10 liter extra vatten före spriten genom kolbädden.

Reningseffektivitet och porstorlek
Endast en liten del av kolets absorbtionsyta i porerna är tillgängligt så att föroreningarna kan fastna i dom. Den största ytan utgörs av microporer, vanligtvis 90 – 98%, 1-10% är mesoporer och ca 1% är macroporer. Många av dom föroreningar som vi vill absorbera från spriten har molekyler i storleken 2-10 nm är för stora för att fångas i microporerna. Vi behöver mesoporer också. Det idealiska är att kolets porer är lite större än dom föroreningar som skall fångas i dom. Mindre porer är inte åtkomliga och större porer finns det inte många.