活性炭吸附材料分析报告Word文件下载.docx

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　　关键词：

活性炭材料活性炭

　　可大致分为三个阶段：

（1）第一阶段，从20世纪初到约20世纪20年代为萌芽阶段:

（2）第二阶段，从约20世纪20年代中期为中期为成长阶段;

　　（3）第三阶段，从20世纪中期到20世纪末期为发展阶段，发展成为环保大应用阶段。

　　这三个阶段可用活性炭应用历程中两件历史性大事。

作为划分的界限。

第一件大事使活性炭防毒面具，在20世纪20年代在第一次世界大战中的应用。

可以次作为划分活性炭应用历史的第一阶段和第二阶段的界限。

　　活性炭在初期主要应用使粉炭在糖业中逐步代替了原来的骨炭。

在20世纪20年代的第一次世界大战中出现的颗粒大量应用于防毒面具。

这是工业化学史辉煌的一页。

当时荷兰的Norit和捷克斯洛伐克、德国、法国、瑞士等国的制造商和批发商曾成立一个联合公司，说明在欧洲萌芽的活性炭也是广为看好的新兴产业。

通过防毒面具应用的推动，活性炭历史进入了第二阶段，活性炭市场不断扩大，活性炭的吸附和催化功能在众多行业的精制、回收、合成上的应用陆续开发，美国等的活性炭厂陆续开设。

在20世纪中叶不断拓展应用面的活性炭，被视为“万能吸附剂”。

　　第二件大事是活性炭除臭作用，在20世纪40年代数以百计的自来水厂中采用了活性炭除臭。

以此作为划分活性炭应用历史的第二阶段与第三阶段的界限。

1927年美国芝加哥自来水厂发生了广大居民难以接受的自来水恶臭事故，这是由于原水中的苯酚和消毒用的氯生成异臭所致。

德国等地的自来水厂也发生了同样的事故，这些事故都是用活性炭来解决的。

　　此后，随着环境保护日益受到重视，政府法令的日趋严格。

活性炭不仅在净水方面，而且在净气等方面的用量剧增，使得在20世纪的后半叶，环保产业成为活性炭应用的大户。

由此活性炭历史进入了第三阶段，即发展阶段。

　　活性炭的组成元素因原料而异，大致含炭90%~95%，含氧2%~5%，含氢在%以下，几乎不含氮和硫。

如果以木材类作原料，活性炭中含金属化合物1%~2%，以煤作原料时，金属化合物的含量很高，达5%~10%。

　　活性炭是非晶体物质，由排列成六边形的碳原子平面层组成，这些平面层的排列不是类似于石墨的结构，而是杂乱且无规律地排列成“螺层状结构”。

活性炭是一种多孔炭材料，具有高度发达的孔隙结构和巨大的比表面积，吸附能力强、化学稳定性好、机械强度高、使用失效后易再生等特点。

　　按原料来源分,可分为木质活性炭（如椰壳活性炭、杏壳活性炭、木质粉炭等）、矿物质原料活性炭（各种煤和石油及其加工产物为原料制成的活性炭）、其它原料制成的活性炭（如废橡胶、废塑料等制成的活性炭）。

　　按制造方法分，可分为：

①化学法活性炭（化学炭）：

用化学法生产的活性炭又称为化学法活性炭或化学炭。

一般说来，化学炭的孔隙中次微孔、中孔较发达，主要用于液相吸附精制和溶剂回收的气相吸附场合。

②物理法活性炭：

物理法制造的活性炭叫物理法活性炭，也称作物理炭。

一般说来物理炭的微孔发达，主要用于气相吸附场合或小分子液相吸附场合。

　　按外观形状分可分为：

　　①粉状活性炭：

一般将90%以上通过80目标准筛或粒度小于的活性炭通称粉状活性炭或粉状炭。

　　②颗粒活性炭：

通常把粒度大于的活性炭称作颗料活性炭。

颗料活性炭又分为下列几种：

　　a）不定型颗料活性炭：

一般由颗料状原料经炭化、活化，然后破碎筛分至需要粒度制成，也可以用粉状活性炭加入适当的粘结剂经适当加工而成。

　　b）圆柱形活性炭：

又称柱状炭，一般由粉状原料和粘结剂经混捏、挤压成型再经炭化、活化等工序制成。

也可以用粉状活性炭加粘结剂挤压成型。

柱状炭又有实心和中空之分，中空柱状炭是柱状炭内有人造的一个或若干个有规则的小孔。

　　c）球形活性炭：

故名思义是园球形的活性炭，它的制取方法与柱状炭类似，但有成球过程。

也可以用液态含碳原料经喷雾造粒、氧化、炭化、活化制成，还可以用粉状活性炭加粘结剂成球加工而成。

球形活性炭也有实心和空心球形活性炭之分。

　　③其它形状的活性炭：

除了粉状活性炭和颗粒活性炭两大类外，还有其他形状的，如活性炭纤维、活性炭纤维毯、活性炭布、蜂窝状活性炭、活性炭板等等。

　　2.活性炭的制备

　　首先对原料进行炭化,即含碳有机物在热的作用下发生分解,非碳元素以挥发分的形式逸出,生成富碳的固体热解产物,然后用水蒸气、二氧化碳或空气等氧化性气体活化,使热解产物形成发达的微孔结构。

炭化温度一般为60℃,活化温度一般在800一900℃之间。

目前国内多采用物理活化法制备煤基活性炭。

　　其活化基理是：

物理活化反应的实质是碳的氧化反应,但碳的氧化反应不是在碳的整个表面均匀地进行,而仅仅发生在“活性点”上,即与活化剂亲和力较大的部位才发生反应。

活化反应在活性炭细孔形成过程中有3个作用：

　　l）开孔作用：

炭化时形成的孔隙由于被焦油或其他分解生成的无定型炭所堵塞,造成了闭孔,使被吸附分子无法进人孔隙,所以无吸附能力。

活化时,由于这些焦油或无定型炭与气体活化剂反应而被除去,使闭孔打开,比表面积增大。

　　2）扩孔作用：

由于孔隙内比表面积的一部分与活化剂反应生成二氧化碳或一氧化碳气体排出,使原有的孔隙直径增大。

　　3）某些结构经选择性活化而生成新孔。

　　先用氯化锌、磷酸、硫酸等化学试剂浸渍含碳的原料,然后在一定温度,惰性气体保护下直接得到活性炭。

这些活化剂多数具有脱水作用,从而有利于炭质材料在活化过程中产生大量微孔。

近年来,人们又探索出用氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸、硫化

　　钾、碳酸钾等钾的化合物作为浸渍剂,收到较好的效果。

　　其活化基理：

至今,化学法的基本原理还不十分清楚。

一般认为化学药品可以抑制原料热解时焦油的生成,从而防止由焦油堵塞其热解生成的细孔。

化学药品的存在,抑制了含碳挥发物的形成,致使活性炭收率提高。

氢氧化钾、硫酸钾等对碳有侵蚀作用,从而形成碳的孔隙结构。

　　3.活性炭的再生

　　①加热再生法

　　加热再生法是发展历史最长、应用最多的一种再生方法。

加热再生过程是通过施加高温后，分子的震动能增加，使吸附质分子脱离活性炭表面进入液体或气体。

同时在升温过程中，由于氧化性气体的存在而发生化学反应，使吸附质分子降解除去。

加热再生法再生效率高、再生时间短、对吸附质基本无选择性。

但加热再生过程中炭损失较大，一般在5%-10%，再生炭机械强度下降。

另外，加热再生所需设备较为复杂，成本较高，且存在需长途运输的问题，应用受到限制。

　　②化学药品再生法

　　化学药品再生法是根据活性炭吸附物质的不同，利用反应产物在一定条件下易脱附的特点，选择不同的化学药品和不同的工艺使吸附质与之反应，活性炭得以再生，其再生效率较低，只能达到60%-70%，但使用比较方便，应用较多。

这种再生法针对性强，但会带来二次污染，应用受到限制。

　　③生物再生法

　　生物再生法是利用微生物将活性炭表面吸附的有机污染物降解。

活性炭生物再生的设备和工艺均比较简单、且方法本身对活性炭无危害作用。

但是有机物氧化速度缓慢、再生时间长，吸附容量的恢复程度有限，更重要的是对吸附质具有一定选择性，生物不能降解的吸附质不能应用此法。

　　传统的活性炭再生技术除了各自的弊端外，通常还有3点共同缺陷：

①再生过程中活性炭损失往往较大；

②再生后活性炭吸附能力会有明显下降；

③再生时活性炭产生的尾气会造成空气的二次污染。

因此，人们对传统的再生技术进行改进，探索全新的再生技术。

　　①电化学再生法

　　电化学再生法是一种正在研究的新型活性炭再生技术。

该方法将活性炭填充在两个主电极之间，在电解液中加以直流电场，活性炭在电场作用下极化，一端成阳极，另一端呈阴极，形成微电解槽，在活性炭的阴极部位和阳极部位可分别发生还原反应和氧化反应，吸附在活性炭上的污染物大部分被分解，小部分因电泳力作用发生脱附而使活性炭再生。

再生操作采用间歇搅拌槽电化学反应器或固定床反应器。

该方法操作方便且效率高、能耗低、炭损失少，受处理对象局限小，可以避免二次污染。

　　电化学再生法再生效率好坏，主要影响因素有活性炭所处的电极，所用辅助电解质的种类，辅助电解质的含量，电化学再生电流的大小和再生时间等。

活性炭在阴极上的再生效率明显好于在阳极上的再生效率。

活性炭的再生效率随着电解质溶液含量的增加而增加。

再生效率随着再生电流的增加而提高，成正比。

再生效率随着再生时间的增加而提高，但到5h以后，随时间的变化很小或基本没有变化。

再

　　生活性炭的吸附性能随再生次数的增加而略有下降。

　　②超声波再生法

　　超声波是指频率在16kHz以上的声波，在溶液中以一种球面波的形式传递。

用超声波的脉动对活性炭进行搅拌，加上“空化泡”爆裂的冲击，促使吸附表面的物质迅速解吸达到再生的效果。

超声波再生最大特点是，只在局部施加能量即可达到再生的目的。

超声波再生能耗小，工艺及设备简单，炭损失小、自耗水量少，且可回收有用物质。

　　超声波再生法的再生效率主要取决于超声作用时间、炭粒粒径、吸附类型等因素。

延长作用时间再生率会相应增加，但时间达到一定时，表层较易超声“空化”的部位基本达到新平衡，解吸率增加也不明显。

超声波很难通过H　　③微波辐射再生法

　　微波是指电磁波谱中位于远红外和无线电波之间的电磁辐射，其波长在1mm-1m范围内，频率300MHz-300GHz。

微波辐射再生活性炭法是用微波产生高温使活性炭上的有机污染物炭化、活化，恢复其吸附能力。

微波作用使有机污染物克服范德华力吸引开始脱附，随着微波能量的聚集，在致热和非致热效应共同作用下，有机污染物一部分燃烧分解放

　　出二氧化碳，另一部分炭化。

　　微波辐射再生活性炭的再生效率主要取决于微波功率、微波辐照时间、活性炭吸附量等因素。

微波功率低，辐照时间短，活性炭活化不明显；

微波功率大，辐照时间长，活性炭烧损严重，所以应选择合适的微波功率和辐照时间。

微波辐照过程使在活性炭孔隙中吸附的有机污染物急剧分解、挥发，产生较大的蒸汽压，爆炸压出，造成多孔结构，使再生的活性炭具有极好的吸附能力。

　　4活性炭的改性

　　活性炭氧化改性是指利用合适的氧化剂在适当的温度下对活性炭材料表面的官能团进行氧化处理,从而提高材料含氧官能团的含量,增强材料表面的亲水性。

表面极性较强的活性炭易吸附极性物质,从而可以达到吸附回收或废水治理的目的。

常用的氧化剂主要有HNO3、HClO和H2O2等。

　　活性炭表面还原改性是指在适当温度下通过还原剂对活性炭材料表面官能团进行还原改性,从而提高含氧碱性基团的比含量,增强表面的非极性,使活性炭材料对非极性物质具有更强的吸附性。

活性炭材料的碱性主要是由于其无氧的Lewis碱,可以通过在还原性气体H2或N2等惰性气体下,高温处理得到碱性基团含量较多的活性炭材料。