活性炭结构对TOC去除的影响研究Word文件下载.docx
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experimentinstrument
Chapter3isthefocusoftliisarticle:
tlieanalysisofexperimentalresults.UsediffeienttemperahneandunderdifferentpHvalueoftheexperimentaldata、intlireedifferentactivatedcarbonanalysisofporesizedistribution,andconcludesthattheresultoftlieexperiment.Theresultsshowthatinnonnaltemperahirerangeactivatedcarbon,withtheriseoftemperahireactivestrengthening,stillenviromnentpHvalueofclosetopHpzcactivecarbonadsorptionabilitygettliestrongest,microholeholeandthespecificsurfaceareaandvoliuneofactivatedcarbonisforTOCadsoiptionperfonnanceplayadecisiverole.
Thelastchapter4oftheexperimentalresultsaresummarized,andputsforwardthedirectionofthefiituretocontinue.
hitliispaper,thestnictmeoftheactivecaibonindrinkingwaterprovidestheinfluenceoftheremovalrateTOCcertaintheoreticalfoundationandthetechnicalmetliod.
中文摘要
第］章绪论1
1.1活性炭1
1.1.1什么是活性炭1
1.1.2活性炭的结构1
1.1.3活性炭的性质2
1.1.4活性炭的应用3
1.2活性炭种类与划分5
1.2.1活性炭种类划分5
1.2.2活性炭材质分类5
1.3活性炭孔隙结构对吸附性能的影响及其研究进展8
1.3.1活性炭的空隙结构8
1.3.2活性炭的吸附性能9
第二章实验材料与方法12
2.1实验材料12
2.2实验方法12
2.2.1活性炭表征12
2.2.1.1比表面积和孔径分布12
2.2.1.2活性炭化学元素组成13
2.2.1.3表面化学官能团分析13
2.2.1.4pHpzc的测定13
2.2.2活性炭TOC的吸附等温线13
2.2.3测定pH对TOC去除率的影响13
2.2.4活性炭吸附量的计14
第三章实验结果与分析15
3.1活性炭表征15
3.2活性炭对TOC的吸附等温线17
3.3活性炭对TOC的吸附动力学18
3.4pH对活性炭吸附TOC的影响-20
第4章结论22
4.1结论22
4.2展望22
参考文献23
第1章绪论
1.1活性炭
1.1・1什么是活性炭
活性炭是对一系列具有高孔隙率碳质材料的通用性称谓，它无法采用结构式进行描述，也不能进行化学式量分析。
活性炭的孔容积一般被定义为高于0.2mL/g,且其内表面积一般大于400m2/go活性炭的孔隙宽度变化范围从3埃米到儿千埃米，其孔隙在传统上一般按照直径进行分类：
大孔（500到20000埃米）、过渡孔（中孔，100到500埃米）、微孔（8到100埃米），如图（l-l）o[1]
h^cropore
图1・1括性炭的孔隙结构模型
从横截而角度观察，孔隙的形状表现为圆筒状或矩形，但同时还表现为各种不规则的形状，也存在“束颈型”或“瓶颈型”孔隙。
活性炭总内表面积值中大孔的贡献率通常很小，大孔主要由所选用的含碳原料性质以及初始制造工序（即原料的磨粉及重凝聚工序）所决定的，其主要功能是为待吸附分子提供通往炭颗粒内部具吸附能力部位的输送通道。
过渡孔对内表面积的贡献率约5%,微孔则占约95%的比例。
微孔是活化加工工序的最主要的产物。
投入商业化应用的活性炭有多种形态，如粉末状、颗粒无定形（尺寸分布范围各不相同）、以及经过成型或模铸的产品（圆柱棒状外形，其直径通常在0.8到6mm,长度为3到10mm）o
1.1.2活性炭的结构
X射线衍射研究表明热加工法获得的沾性炭其结构与石墨结构相似，理想的石墨是由多个以六圆环相互紧密连接构成的层状结构组成的，层间距近3.35埃米并以范徳华力
联系在一起，每个平板层内任一碳原子均位于下层六圆环的中心点位置。
其晶格类型为ABAB型。
推荐采纳的热加工法活性炭结构如，被采信的活性炭结构是：
由仅儿个碳原子厚度、直径为20至100埃米的石墨状细小晶片组成了分子级维度尺寸的开孔孔壁，从而形成了孔隙体系。
但与完善的石墨晶体相比，活性炭中的碳六圆环结构中含有许多因遭受解离作用而形成的非闭合型结构，造成了非定向乱排且形成了晶格缺陷。
由此使得活性炭的结构具有很高的无序性，这种结构通常被归类为“乱层结构”。
另外还发现，活性炭中石墨微晶屮晶层间距也比标准石墨的层间距要大一些，达3.60埃米。
[2]
由于在活性炭结构中存在许多晶格性缺陷，故在二维半面晶层边缘位置的碳原子具有与其它物质发生化学反应的很高潜力。
这导致了活性炭表而倉氧有机官能团的形成（它们大多数位于断裂石墨环的边缘位置），尽管这些表面氧化物的精确化学结构尚未获得完全确认，但存在于热加工法活性炭中的含氧官能团被普遍认为是大多数表面氧化物的赋存形态。
己获得确认的基础性表面基团的性质表现看來是与制造过程以及后处理工艺条件密切相关的。
1.1.3活性炭的性质
活性炭的吸附特性不但収决丁•它的孔隙结构，而且取决于其表面化学性质，表面化学性质决定了活性炭的化学吸附。
在活性炭生产过程中，由于氧化及活化作用，在沾性炭中形成了复杂的孔状结构，同时还在活性炭表面形成了复杂的含氧官能团以及碳氢化合物,包括竣基、酚起基、離类、酯以及环状过氧化物。
这些官能团的存在及相对数最的多少，将决定活性炭的极性强弱以及吸附性能。
从相似和溶原理看，具有弱极性、中性及非极性表面的活性炭对非极性的分子吸附能力比较强,而对极性分子以及离子的吸附性能力比较弱，是疏水性的非极性吸附剂。
活性炭表面的化学官能团主要可分为含氧官能团和含氮官能团。
含氧官能团乂可分为酸性含氧官能团（如图1-2）和碱性含氧官能团（如图1-3）：
酸性基团有竣基、酚疑基、
醍型按基、正内酯基及环式过氧基等，碱性氧化物普遍认为是苯并毗喃的衍生物或类
有利丁•吸附各种极性较强的化合
毗喃酮结构基团。
酸性氧化物使活性炭具有极性的性质,
物：
碱性化合物易吸附极性较弱或非极性物质。
[3]
图1・3活性炭表而可能包仟的碱性基团示意图
1.1.4活性炭的应用
活性炭因表面官能团丰富、灰分含量低、化学性质（耐酸、耐碱、耐热）稳定、机械强度高、不溶于水和有机溶剂、可再生重复利用等优点，被广泛用于饮用水深度净化、污水处理，室内空气净化等领域，活性炭吸附是环境污染控制与修复的主要手段之一。
特别是在水处理方面的应用更是越加成熟。
（1）上水的处理
粉末活性炭（PAC）是具有弱极性的多孔吸附材料，有极强的吸附能力和稳定的化学性能，在水处理工业上广泛应用。
在原水宋发污染的情况下，投加PAC能很好的去除苯类化合物、酚类化合物、石油和石油产品等有机物。
另外，PAC对水中形成嗅味的有机物的公除效果是英它处理剂无法比拟的。
1978年，美国环境保护丿』（EPA）曾建议美国所有城市，当供水人口大于75000人时，给水处理系统都必须使用PAC,以此来保护饮水不被苯，
甲苯，氯仿等有机物污染。
另外，在饮用水消毒过程中可产生三卤甲烷（THMs）、卤乙酸（HAAs）、卤乙M（HANs）等有致癌作用的消毒副产物。
近年来研究表明，采用臭氧化一生物活性炭（03/BAC）深度处理工艺能有效的去除水中消毒副产物前质，可控制氯化消毒副产物的生成。
目前，臭氧化一生物活性炭技术已在日，欧，美得到广泛应用。
这项技术的好处在于：
a）在活性炭吸附前加臭氧，可将一些大分子有机污染物氧化为易被活性炭吸附的小分子；
b）臭氧通过活性炭滤床。
使活性炭上所吸附的有机物氧化分解，起活性炭脱附再生作用；
c）比单独用臭氧法处理水更能降低臭氧的耗用量：
d）既能降低有机污染物的含量，乂能去除细菌和病毒。
[5][6]
（2）下水的处理
据报道我国每年排出的工业废水中不仅含有氧化物等剧毒成分，而且含有銘、锌、银等金属离子。
废水的处理方法很多，其中活性炭吸附法被广泛应用在废水处理中，而且具有效率高，效果好等特点。
1）处理含锯废水
珞是电镀中用量较大的一种金属原料，在废水中六价钻随pH值的不同分别以不同的形式存在，而活性炭能有效地吸附废水中的Cr（VI）o活性炭的表面存在大量的含氧基团如為基（-0H）、竣基（-C00H）等，它们都有静电吸附功能，对Cr（VI）产生化学吸附作用。
完全可以用于处理电镀废水中的Cr（VI），吸附后的废水可达到国家排放标准。
2）处理含酚废水
含酚废水广泛來源于石油化工厂、树脂厂、焦化厂和炼汕化工厂。
经实骗证明：
活性炭对苯酚的吸附性能好，温度升高不利于吸附，使吸附容量减小；
但升高温度达到吸附半衡的时间缩短。
活性炭的用量和吸附时间存在最佳值，在酸性和中性条件下，去除率变化不大；
强碱性条件下，苯酚去除率急剧下降，碱性越强，吸附效果越差。
3）处理含甲醇废水
沾性炭可以吸附甲醇，但只适宜于处理含甲醇量低的废水。
工程运行结果表明，可将混合液的C0D从40mg/L降至12mg/L以下，对甲醇的去除率达到93.16%〜100%,其出水水质可以满足回用到锅炉脱盐水系统进水的水质要求。
活性炭吸附涵盖了水处理的各个领域，虽然处理技术仍不完善。
但总的來说，活性炭用于水处理还是非常有效的，再结合其它有效的水处理工艺，与膜、微生物、氧化剂、微波、电化学等技术联合使用，可以大大提高活性炭效率，并能取得较好的处理效果。
另外选择合理的再生方法，将环保及经济效益于一体进行综合考虑，将会有更广阔的发展空间。
[7][8]
1.2活性炭种类与划分1.2.1活性炭种类划分
由于原料来源、制造方法、外观形状和应用场合不同，环保活性炭的种类很多，到目前为止尚无精确的统计材料，大约有上千个品种。
按原料來源划分：
1.木质活性炭2.曾骨、血炭3.矿物质原料活性炭4.其它原料的活性炭5.再生活性炭。
按制造方法分：
1.化学法活性炭（化学炭）2.物理法活性炭3.化学■物理法或物理-化学法活性炭。
按外观形状分：
1.粉状活性炭2.颗粒活性炭3.不定型颗料活性炭4.圆柱形活性炭5.球形活性炭6.其它形状的活性炭。
按孔径分：
大孔半径＞20OOOnm过渡孔半径150〜20OOOnm微孔半径＜150nm活性炭的表面积主要是由微孔提供的。
按材质分：
椰壳活性炭果壳活性炭（包括杏壳活性炭、果核壳活性炭、核桃壳活性炭）木质活性炭煤质活性炭。
[9][10]
1.2.2活性炭材质分类
按照活性炭的材质可分为四种，分别是：
椰壳活性炭、果壳活性炭（包括杏壳活性炭、果核壳活性炭、核桃壳活性炭）、木质活性炭、煤质活性炭。
[11][12][13][14][15]
（1）椰壳活性炭
本产品采用优质进口椰子壳为原料精制而成，外形为不定形颗粒，具有机械强度高,孔隙结构发达，比表面积大，吸附速度快，吸附容最高，易于再生，经久耐用等特点。
图1-4棒壳活性炭
主要用于仗品、饮料、酒类、空气净化活性炭和高纯饮用水的除臭、去除水中垂金屈、除氯及液体脱色。
并可广泛用于化学工业的溶剂回收和气体分离等。
用途：
净化空气型活性炭。
净化空气用的活性炭的微孔直径，必须是略大于有毒有害气体分子直径，才具备对有毒有害气体的吸附能力。
影响空气净化活性炭使用寿命的关键因素：
使用环境中有害物质的总屋大小以及脱附的频率。
由于活性炭吸附有害气体的质量可以接近其至达到其本身的质量，而在普通家庭空间空气中，有害气体的质最远远小于活性炭的使用量。
因此，只要经常将活性炭放置在太阳下爆晒，活性炭就可以长期使用。
（2）果壳活性炭
果壳活性炭主要以果壳和木屑为原料，经炭化、活化、精制加工而成。
具有比表面积大、强度高、粒度均匀、孔隙节构发达、吸附性能强等特点。
并能有效吸附水中的游离氯、酚、硫、油、胶质、农药残留物和其他有机污染以及有机溶剂的回收等。
适用于制药、石油化工、制糖、饮料、酒类净化行业，对有机物溶剂的脱色、精制、提纯和污水处理等方面.
图1-5果壳活性炭
果壳活性炭被广泛应用于饮用水、工业用水和废水的深度净化生活、工业水质净化及气相吸附，如电厂、石化、炼油厂、仗品饮料、制糖制酒、医药、电子、养鱼、海运等行业水质净化处理，能有效吸附水中的游离氯、酚、硫和其它有机污染物，特别是致突变物仃HM）的前驱物质，达到净化除杂去异味。
还可用于工业尾气净化、气体脱硫、石油催化重整，气体分离、变圧吸附、空气干燥、食品保鲜、防毒面具、解媒载体，工业溶剂过滤、脱色、提纯等。
各种气体的分离、提纯、净化：
有机溶剂回收；
制糖、味精、医药、酒类、饮料的脱色、除臭、精制；
贵重金属提炼；
化学工业中的催化剂及催化剂载体。
产品更具脱色、提纯、除杂、除臭、去异味、载体、净化、回收等功能。
（3）木质活性炭
本产品是以优质木材为原料，外形为粉木状，经高温炭化、活化及多种工序精制而成木质活性炭，具有比表面积大，活性高，微孔发达，脱色力强，孔隙结构较大等特点，孔隙结构大，能有较吸附液体中的颜色等较大的各种物质、杂质。
图1-6木质活性炭
主要用于食品、酒类、油类、饮料、染料、化工、自来水净化、污水处理、降COD、药用活性炭等各种用途脱色。
特点：
采用优质木屑、椰壳等为原料，经粉碎、混合、挤压、成型、干燥、炭化、活化而制成。
独创性：
采用非粘结成型活性炭专有技术。
改变传统用煤焦油、淀粉等传统粘结剂成型的办法。
不含粘结剂成份，完全靠炭分子之间的亲和力和原料本身的特殊性质。
科学配方，制作而成，有效避免炭孔堵塞，充分发挥丰富发达炭孔的吸附功能。
先进性：
由于采用优质木屑、椰壳为原料，制成的柱状活性炭比传统的煤质柱状炭灰份低、杂质少、气相吸附值、CTC占绝对优势。
产品孔径分布合理，达到最大吸附与脱附，从而大大提高产品的使用卷命（平均2-3年），是普通煤质炭的1.4倍。
有柱状和球形颗粒等规格。
适用性：
①、气相吸附②、有机溶剂回收（苯系气体甲苯、二甲苯、醋酸纤维行业中的丙酮回收）③、杂质和有害气体去除，废气回收④、炼油厂、加油站、油库过量汽油回收。
（4）煤质柱状活性炭
煤质柱状活性炭选用优质无烟煤为原料，采用先进工艺精制加工而成，外观呈黑色圆柱状颗粒；
具有合理的孔隙结构，良好的吸附性能，机械强度高，易反复再生，造价低等特点；
用于有毒气体的净化，废气处理，工业和生活用水的净化处理，溶剂回收等方面。
煤质柱状活性炭物理、化学性能分析（GB/T7701.7-1997）
图1-7煤质柱状活性真
应用：
煤质柱状活性炭用于有毒气体的净化，废气处理，工业和生活用水的净化处理，溶剂回收等方而。
并且广泛应用于工农业生产的各个方面，如石化行业的无碱脱臭（精制脱硫醇）、乙烯脱盐水（精制填料）、催化剂载体（耙、钳、钱等）、水净化及污水处理；
电力行业的电厂水质处理及保护；
化工行业的化工催化剂及载体、气体净化、溶剂回收及油脂等的脱色、精制；
食品行业的饮料、酒类、味精母液及食品的精制、脱色；
黄金行业的黄金提取、尾液回收；
环保行业的污水处理、废气及有害气体的治理、气体净化；
以及相关行业的香烟滤嘴、木地板防潮、吸味、汽车汽汕蒸发污染控制，各种浸渍剂液的制备等。
活性炭在耒來将会有极好的发展前景和广阔的销售市场。
1.3活性炭孔隙结构对吸附性能的形响及其研究进展1.3.1活性炭的空隙结构
传统的粒状和粉状活性炭，乎斗孔隙结构是一个宽分布的三分散系统，即它们的孔径极不均匀，有大有小且相对的集中在三类尺寸范币，依次称做大孔，中孔和微孔。
大孔乂称粗孔，是指半径大于100-200nm的孔隙。
在这样大的孔隙中，蒸气不会发生毛细管凝缩现象。
传统粒状和粉状活性炭的大孔容积一般为0.3-1.0m2/g»
相应的比表面约0.5-2.0m2/g。
大孔的内表面与非孔性碳表面之间无本质的区别，其所占的比例又极小，故它对吸附量的影响可以忽略，大孔主要起吸附通道的作用。
屮孔或称过度孔，是指燕气能在其中发生毛细管凝缩而使吸附等温线出现滞后回线的孔隙，其有效半径常处于1.6-1.7至100-200nmo传统粒状和粉状活性炭的中孔容积，一般比较小，约为0.05-0.15cm3/g，但也可制造出中孔发达的活性炭，其中孔容积可达0.3-0.85cm3/g,相应的比表面可达200cm3/g以上或更大。
[16]
中孔的尺寸虽较大孔小很多，但它与非孔性碳表面之间仍无本质差异。
只是因为其比表面己占一定的比例，故不能完全忽略它对吸附量所做的贡献。
但在一般情况,尤其在低比压时，它主要还是与大孔一起分另当包着粗、细吸附通道的作用。
微孔的尺寸己与被吸附物质的分子属同一量级，其有效半径通常小于2nm。
它是活性炭最重要的孔隙。
有些活性炭，具微孔还可按分布曲线再细分为细微孔和粗微孔。
在吸附过程中真正决定吸附能力的，上要是微孔。
微孔的内表而，因为其相对壁面吸附力场重迭，致使它与非孔性碳表面之间出现本质的差异，迸而影响其吸附机制。
传统粒状和粉状活性炭的微孔容积一般为0.2-0.9cm3/go
活性炭理想的孔隙结构应当是树枝形的，即主干是大孔，支是中孔，终端末梢是微孔。
为逼近此理想结，有原料，活化方法、活化程度等可供调控，但仍难以满意地实现。
1.3.2活性炭的吸附性能
通常认为活性炭的吸附能力主要是由它巨大的内部表而积以及孔径分布所决定的，而外部表面积和表面氧化物则起到了次一级的作用。
由于活性炭的孔隙功能相当于筛分作用，故在活化过程中发展出來的齐种尺寸的孔隙会对吸附行为产生重要影响。
孔隙的筛分作用虽然阻止了对较大分子的吸附，但对于那些可进入孔隙的吸附质分子的吸附具有促进作用，可使得吸附量达到最大值。
最大吸附ftAH可由方程式
（1）来定义：
[17]
AH=AG+TAS
（1）
其中：
AH是口由焙的变化值；
AG是自由能的变化值；
AS是炯的变化值；
T是系统的操作温度。
外表面仅能为分子到达内部孔隙提供一定数量的通道，同时表面氧化物的主要功能很可能是为憎水性碳质骨架赋予了显著的亲水性能，这可能是活性炭对多种极性或非极性有机物和无机物质都具有亲和性的原因。
沾性炭的吸附功能可归纳为它将某些物质粘着到由孔壁组成的内表而的性能，因此可供利用的吸附表面越多，则其吸附能力就越大。
吸附作用发生于孔壁表面结构中碳原子产生的不平衡力存在之处，这种不平衡态在全部表面上是固有的（所以活性炭的吸附能力也是固有的），为了自发地调节这种不平衡状态，活性
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