活性炭吸附与脱附原理.docx

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活性炭吸附与脱附原理

活性炭吸附与脱附原理

活性炭基础知识：

关于活性炭，我们所了解的并不多，那么活性炭的品种有哪些，各有何作用呢？

活性炭是传统而现代的人造材料，又称碳分子筛。

自从问世一百年来，活性炭与蜂窝状活性炭应用领域日益扩展，应用数量不断递增。

由于原料来源、制造方法、外观形状和应用场合不同，活性炭的种类很多，尚无精确的统计材料，大约有上千个品种。

活性炭分类方法：

按材质分类、按形状分类、按用途分类。

一、活性炭按材质分类

1、椰壳炭

椰壳活性炭以海南、东南亚等地的优质椰子壳为原料，原料经过筛选、水蒸气碳化后精制处理，然后再经除杂、活化筛分等系列工艺制作而成。

椰壳活性炭为黑色颗粒状，具有发达的孔隙结构、吸附能力高、强度大、化学性能稳定、经久耐用。

2、果壳炭

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、孔隙结构发达、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。

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、工业水质净化方面。

3、木质炭

木质炭是以优质木材为原料，外形为粉末状，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，能有效吸附液体中的颜色等较大的各种物质、杂质。

4、柱状炭

采用优质木屑、木炭等为原料，经粉碎、混合、挤压、成型、干燥、炭化、活化而制成。

制成的柱状活性炭比传统的煤质柱状炭灰份低、杂质少、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寿命（平均2-3年），是普通煤质炭的1.4倍。

5、煤质炭

该品选用优质无烟煤作为原料精制而成，外形分别为柱状、颗粒、粉末、蜂窝状、球形等形状，具有强度高，吸附速度快，吸附容量高，比表面积较大，孔隙结构发达，孔隙大小在于椰壳活性炭和木质活性炭之间。

主要用于高端空气净化、废气净化、高纯水处理、废水处理、污水处理等。

二、活性炭按照按外观形状分类

1、粉状活性炭

一般将90%以上通过80目标准筛或粒度小于0.175mm的活性炭通称粉状活性炭或粉状炭。

粉状炭在使用时有吸附速度较快，吸附能力使用充分等优点，但需专有的分离方法。

随着分离技术的进步和某些应用要求的出现，粉状炭的粒度有越来越细化的倾向，有的场合已达到微米甚至纳米级。

2、颗粒活性炭

通常把粒度大于0.175mm的活性炭称作颗料活性炭。

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。

3、圆柱形活性炭

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。

4、球形活性炭

球形活性炭顾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。

5、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。

三、活性炭按用途的分类

1、溶剂回收用煤质颗粒活性炭

以天然优质煤为原料，采用物理活化法精制而成，黑色颗粒状、无毒无味、孔隙发达，三类孔分布合理，具有较强的吸附能力。

在较宽的浓度范围内对大多数有机溶剂蒸汽有较强的吸附能力，广泛适用于苯、二甲苯、醚、乙醇、丙酮、汽油、三氯甲烷、四氯甲烷等有机溶剂回收。

2、净水用活性炭

以优质天然原料（煤质、木质、果壳等），采用物理活化法精制而成，为黑色颗粒状（或粉状），无毒无味，具有吸附能力强，过滤速度快等优点，能有效吸附液相中小分子结构和大分子结构的不良物质，广泛应用于饮用水的提纯净化及工业废水、污水、江河污水水质的除臭净化、深度改良。

3、空气净化用活性炭

以优质煤为原料，采用催化活化精制而成，黑色柱状颗粒，无毒无味，具有吸附能力强，易于解吸等特点，广泛应用于气相吸附的溶剂回收、室内气体净化、工业废气治理、烟气净化以及毒气防护等。

4、脱硫用煤质颗粒活性炭

采用优质天然煤为原料，采用物理活化法精制而成，黑色颗粒状、无毒无味，具有较大的硫容量，脱硫效率高、机械强度好、穿透阻力小易于再生等特点。

广泛适用于热电厂、石油化工、煤气、天然气等气体脱硫。

5、精脱硫活性炭

以优质柱状活性炭为载体，载入特种催化剂及催化助剂，经干燥、筛选包装而成的高效高精度气相常温精脱硫剂，主要适用于合成氨、甲醇、甲烷、食品二氧化碳、聚丙烯等生产工艺中精脱硫，也可用于煤气、天然气、氢气、氨气等气体精制脱氯、脱硫。

可使气体中的硫含量脱到0.05mg/Nm3

6、防护用颗粒活性炭

选用优质原料（煤质、果壳），采用物理活化法精制而成的颗粒状活性炭做载体，以先进的工艺设备、严格控制的特殊工艺条件制造的触媒载体炭。

孔径分布合理、耐磨强度高，广泛应用于光气合成，聚氯乙烯合成、醋酸乙烯合成等工业中的触媒载体以及有效防护氨、硫化氢、二氧化硫、一氧化碳、氢氰酸、光气、苯系列物等有毒气体防护。

活性炭吸附原理：

根据吸附过程中，活性炭分子和污染物分子之间作用力的不同，可将吸附分为两大类：

物理吸附和化学吸附（又称活性吸附）。

在吸附过程中，当活性炭分子和污染物分子之间的作用力是范德华力（或静电引力）时称为物理吸附；当活性炭分子和污染物分子之间的作用力是化学键时称为化学吸附。

物理吸附的吸附强度主要与活性炭的物理性质有关，与活性炭的化学性质基本无关。

由于范德华力较弱，对污染物分子的结构影响不大，这种力与分子间内聚力一样，故可把物理吸附类比为凝聚现象。

物理吸附时污染物的化学性质仍然保持不变。

由于化学键强，对污染物分子的结构影响较大，故可把化学吸附看做化学反应，是污染物与活性炭间化学作用的结果。

化学吸附一般包含电子对共享或电子转移，而不是简单的微扰或弱极化作用，是不可逆的化学反应过程。

物理吸附和化学吸附的根本区别在于产生吸附键的作用力。

吸附过程是污染物分子被吸附到固体表面的过程，分子的自由能会降低，因此，吸附过程是放热过程，所放出的热称为该污染物在此固体表面上的吸附热。

由于物理吸附和化学吸附的作用力不同，它们在吸附热、吸附速率、吸附活化能、吸附温度、选择性、吸附层数和吸附光谱等方面表现出一定的差异。

活性炭吸附技术在国内用于医药、化工和食品等工业的精制和脱色已有多年历史。

70年代开始用于工业废水处理。

生产实践表明，活性炭对水中微量有机污染物具有卓越的吸附性，它对纺织印染、染料化工、食品加工和有机化工等工业废水都有良好的吸附效果。

一般情况下，对废水中以BOD、COD等综合指标表示的有机物，如合成染料、表面性剂、酚类、苯类、有机氯、农药和石油化工产品等，都有独特的去除能力。

所以，活性炭吸附法已逐步成为工业废水二级或三级处理的主要方法之一。

吸附是一种物质附着在另一种物质表面上的缓慢作用过程。

吸附是一种界面现象，其与表面张力、表面能的变化有关。

引起吸附的推动能力有两种，一种是溶剂水对疏水物质的排斥力，另一种是固体对溶质的亲和吸引力。

废水处理中的吸附，多数是这两种力综合作用的结果。

活性炭的比表面积和孔隙结构直接影响其吸附能力，在选择活性炭时，应根据废水的水质通过试验确定。

对印染废水宜选择过渡孔发达的炭种。

此外，灰分也有影响，灰分愈小，吸附性能愈好；吸附质分子的大小与炭孔隙直径愈接近，愈容易被吸附；吸附质浓度对活性炭吸附量也有影响。

在一定浓度范围内，吸附量是随吸附质浓度的增大而增加的。

另外，水温和pH值也有影响。

吸附量随水温的升高而减少，随pH值的降低而增大。

故低水温、低pH值有利于活性炭的吸附。

活性炭脱附原理：

活性炭脱附是吸附的逆过程。

是使已被吸附的组分达到饱和从吸附剂中析出，吸附剂得以再生的操作过程。

即被吸附于界面的物质在一定条件下，逃逸界面重新进入体相的过程，也称解吸。

活性炭再生是吸附饱和的活性炭通过一定条件处理后再次活化。

活性炭在环境保护，工业与民用方面己被大量使用，并且取得了相当的成效，然而活性炭在吸附饱和被更换后，使用活性炭吸附是一个物理过程，因此还可以采用高温蒸汽将使用过的活性炭内之杂质进行脱附，并使其恢复原有之活性，以达到重复使用的目的，具有明显的经济效益。

再生后的活性炭其用途仍可连续重复使用及再生。

活性炭再生是吸附饱和的活性炭通过一定条件处理后再次活化。

活性炭又称活性炭黑。

是黑色粉末状或块状、颗粒状、蜂窝状的无定形碳，也有排列规整的晶体碳。

活性炭中除碳元素外，还包含两类掺和物：

一类是化学结合的元素，主要是氧和氢，这些元素是由于未完全炭化而残留在炭中，或者在活化过程中，外来的非碳元素与活性炭表面化学结合，如用水蒸气活化时，活性炭表面被氧化或水蒸气氧化；另一类掺和物是灰分，它是活性炭的无机部分；灰分在活性碳中易造成二次污染

活性炭的脱附方法

1、升温脱附

物质的吸附量是随温度的升高而减小的，将吸附剂的温度升高，可以使已被吸附的组分脱附下来，这种方法也称为变温脱附，整个过程中的温度是周期变化的。

微波脱附是由升温脱附改进的一种技术，微波脱附技术已应用于

气体分离、干燥和空气净化及废水处理等方面。

在实际工作中，这种方法也是最常用的脱附方法。

2、减压脱附

物质的吸附量是随压力的升高而升高的，在较高的压力下吸附，降低压力或者抽真空，可以使吸附剂再生，这种方法也称为变压脱附。

此法常常用于气体脱附。

3、冲洗脱附

用不被吸附的气体（液体）冲洗吸附剂，使被吸附的组分脱附下来。

采用这种方法必然产生冲洗剂与被吸附组分混合

的问题，需要用别的方法将它们分离，因此这种方法存在多次分离的不便性。

4、置换脱附

置换脱附的工作原理是用比被吸附组分的吸附力更强的物质将被吸组分置换下来。

其后果是吸附剂上又吸附了置

换上去的物质，必须使用别的方法使他们分离。

5、磁化脱附

由于单分子水的性质比簇团中的水分子活泼得多，能充分显示它的偶极子特性，从而使水的极性增强。

预磁处理能增大水的极性，这就能充分解释经过预磁处理后活性炭的吸附容量减小的现象。

当磁场强度增大时，分离出的单个水分子越多，则阻碍作用就越大，从而吸附容量减小得也就越多。

活性炭本身为非极性物质，活性炭的表面由于活化作用而具有氧化物质，且吸附剂是在湿空气条件下活化而成，它使活性炭的表面氧化物质以酸性氧化物占优势，从而使活性炭具有极性，能够吸附极性较强的物质。

由于这些带极性的基团易于吸附带极性的水，从而阻碍了吸附剂在水溶液中吸附非极性物质。

这种方法常用于溶液中对吸附质的脱附。

6、超声波脱附

超声波（场）是通过产生协同作用来改变吸附相平衡关系的，在超声波（场）作用下的吸附体系中添加第三组分后，体系相平衡关系朝固相吸附量减少方向移动的程度大于在常规条件下的吸附体系。

根据超声波的作用原理推测，可能是因为第三组分改变了流体相的极性，增加了空化核的表面张力，使得微小气核受到压缩而发生崩溃闭合周期缩短的现象，从而产生更强烈的超声空化作用。

因此，在用活性炭吸附待分离溶液中的物质后，可以用超声波（场）产生协同作用来改变吸附相平衡关系，降低活性炭对吸附质的吸附稳定性，从而达到降低脱附活化能的目的。

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