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    西安活性炭、西安蜂窩活性炭、西安柱狀活性炭、西安廢氣處理活性炭

    返回列表 浏覽:1138 發布日期:2021-03-22 18:40:03

    活性炭是由木質、煤質和石油焦等含碳的原料經熱解、活化加工制備而成,具有發達的孔隙結構、較大的比表面積和豐富的表面化學基團,特異性吸附能力較強的炭材料的統稱。

    通常為粉狀或粒狀具有很強吸附能力的多孔無定形炭。由固态碳質物(如煤、木料、硬果殼、果核、樹脂等)在隔絕空氣條件下經600~900℃高溫炭化,然後在400~900℃條件下用空氣、二氧化碳、水蒸氣或三者的混合氣體進行氧化活化後獲得。

    炭化使碳以外的物質揮發,氧化活化可進一步去掉殘留的揮發物質,産生新的和擴大原有的孔隙,改善微孔結構,增加活性。低溫(400℃)活化的炭稱L-炭,高溫(900℃)活化的炭稱H-炭。H-炭必須在惰性氣氛中冷卻,否則會轉變為L-炭。活性炭的吸附性能與氧化活化時氣體的化學性質及其濃度、活化溫度、活化程度、活性炭中無機物組成及其含量等因素有關,主要取決于活化氣體性質及活化溫度。

    活性炭的含炭量、比表面積、灰分含量及其水懸浮液的pH值皆随活化溫度的提高而增大。活化溫度愈高,殘留的揮發物質揮發愈完全,微孔結構愈發達,比表面積和吸附活性愈大。

    活性炭中的灰分組成及其含量對炭的吸附活性有很大影響。灰分主要由K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、P2O5、SO3、Cl-等組成,灰分含量與制取活性炭的原料有關,而且,随炭中揮發物的去除,炭中的灰分含量增大。

    截止2007年,世界活性炭年産量達900kt,其中煤基(質)活性炭占總産量的2/3以上;而中國年産量已突破400kt,居世界首位,美國、日本等也是世界主要的活性炭産出國。 

    活性炭是一種經特殊處理的炭,将有機原料(果殼、煤、木材等)在隔絕空氣的條件下加熱,以減少非碳成分(此過程稱為炭化),然後與氣體反應,表面被侵蝕,産生微孔發達的結構 (此過程稱為活化)。由于活化的過程是一個微觀過程,即大量的分子碳化物表面侵蝕是點狀侵蝕 ,所以造成了活性炭表面具有無數細小孔隙。活性炭表面的微孔直徑大多在2~50nm之間,即使是少量的活性炭,也有巨大的表面積,每克活性炭的表面積為500~1500m2,活性炭的一切應用,幾乎都基于活性炭的這一特點。

    根據活性炭的外形,通常分為粉狀和粒狀兩大類。粒狀活性炭又有圓柱形、球形、空心圓柱形和空心球形以及不規則形狀的破碎炭等。随着現代工業和科學技術的發展,出現了許多活性炭新品種,如炭分子篩、微球炭、活性炭納米管、活性炭纖維等。

    活性炭是由石墨微晶、單一平面網狀碳和無定形碳三部分組成,其中石墨微晶是構成活性炭的主體部分。活性炭的微晶結構不同于石墨的微晶結構,其微晶結構的層間距在0.34~0.35nm之間,間隙大。即使溫度高達2000 ℃以上也難以轉化為石墨,這種微晶結構稱為非石墨微晶,絕大部分活性炭屬于非石墨結構。石墨型結構的微晶排列較有規則,可經處理後轉化為石墨。非石墨狀微晶結構使活性炭具有發達的孔隙結構,其孔隙結構可由孔徑分布表征。活性炭的孔徑分布範圍很寬,從小于1nm到數千nm。有學者提出将活性炭的孔徑分為三類:孔徑小于2nm為微孔,孔徑在2~50nm為中孔,孔徑大于50nm為大孔。

    活性炭中的微孔比表面積占活性炭比表面積的95%以上,在很大程度上決定了活性炭的吸附容量。中孔比表面積占活性炭比表面積的5%左右,是不能進入微孔的較大分子的吸附位,在較高的相對壓力下産生毛細管凝聚。大孔比表面積一般不超過0.5m2/g,僅僅是吸附質分子到達微孔和中孔的通道,對吸附過程影響不大。

    活性炭内部具有晶體結構和孔隙結構,活性炭表面也有一定的化學結構。活性炭吸附性能不僅取決于活性炭的物理(孔隙)結構,而且還取決于活性炭表面的化學結構。在活性炭制備過程中,炭化階段形成的芳香片的邊緣化學鍵斷裂形成具有未成對電子的邊緣碳原子。這些邊緣碳原子具有未飽和的化學鍵,能與諸如氧、氫、氮和硫等雜環原子反應形成不同的表面基團,這些表面基團的存在毫無疑問地影響到活性炭的吸附性能。X 射線研究表明,這些雜環原子與碳原子結合在芳香片的邊緣,産生含氧、含氫和含氮表面化合物。當這些邊緣成為主要的吸附表面時,這些表面化合物就改變了活性炭的表面特征和表面性質。活性炭表面基團分為酸性、堿性和中性3種。酸性表面官能團有羰基、羧基、内酯基、羟基、醚、苯酚等,可促進活性炭對堿性物質的吸附;堿性表面官能團主要有吡喃酮(環酮)及其衍生物,可促進活性炭對酸性物質的吸附。

    磷酸等酸性活化劑制備的活性炭表面以酸性基團為主 ,對堿性物質吸附較好;KOH、K2CO3等堿性活化劑制備的活性炭表面以堿性基團為主,适合于吸附酸性物質;而采用CO2、H2O等物理活化方法制備的活性炭表面官能團總體呈中性。

    活性炭吸附是指利用活性炭的固體表面對水中的一種或多種物質的吸附作用,以達到淨化水質的目的。活性炭的吸附能力與活性炭的孔隙大小和結構有關。一般來說,顆粒越小,孔隙擴散速度越快,活性炭的吸附能力就越強。
      吸附能力和吸附速度是衡量吸附過程的主要指标。吸附能力的大小是用吸附量來衡量的,吸附速度是指單位時間内單位重量的吸附劑所吸附的量。在水處理中,吸附速度決定了吸附劑與污水的接觸時間。

    活性炭發生的主要是物理吸附,大多數是單層分子吸附,其吸附量與被吸附物的濃度服從朗格缪爾單分子層吸附等溫方程:

    image.png

    式中:

    θ覆蓋度)——一定溫度下,吸附分子在固體表面上所占面積占表面總面積的分數;

    ρ——吸附質在氣相的分壓;

    b=k1/k2——吸附與脫附的速度之比;

    α——氣體在固體表面上的吸附量。

    中國國家标準将活性炭按照兩部分進行分類:一部分按制造使用的主要原材料,另一部分按制造使用的原材料及對應的産品形狀組合分類。

    活性炭按制造使用的主要原材料分為四類:煤質活性炭、木質活性炭、合成材料活性炭和其他類活性炭。按制造使用主要原材料及對應的産品形狀組合分類分為16種類型。其中,煤質活性炭分為:柱狀煤質顆粒活性炭、 破碎煤質顆粒活性炭、粉狀煤質顆粒活性炭、球形煤質顆粒活性炭。木質顆粒活性炭分為:柱狀木質顆粒活性炭、破碎狀木質顆粒活性炭、粉狀木質顆粒活性炭、球形木質顆粒活性炭。合成材料活性炭分為:柱狀合成材料顆粒活性炭、破碎狀合成材料顆粒活性炭、粉狀合成材料顆粒活性炭、成形活性炭、球形合成材料顆粒活性炭、 布類合成材料活性炭(炭纖維布)、氈類合成材料活性炭(炭纖維氈)。其他類活性炭,指除上述三種類型活性炭外,由其他原材料(如煤瀝青、石油焦等)制備的活性炭,這類活性炭,在産品形狀分類中,暫列了瀝青基微球活性炭。詳細分類見下表:

    image.png

    應用領域

    (1)處理含油污水

    吸附法進行油水分離是利用親油性材料,吸附廢水中的溶解油及其它溶解性有機物。最常用的吸油材料是活性炭,可吸附廢水中的分散油、乳化油和溶解油。由于活性炭對油的吸附容量有限(一般為30~80mg/g)),成本高,再生困難,通常隻用作含油廢水多級處理的最後一級處理,出水含油質量濃度可降至0.1~0.2mg/L,由于活性炭對水的預處理要求高,而且活性炭的價格昂貴,因此在廢水處理中,活性炭主要用來去除廢水中的微量污染物,以達到深度淨化的目的。 煉油廠含油廢水,先經隔油、氣浮和生物處理,再經砂濾和活性炭過濾深度處理。廢水的含酚量從0.1 mg/L(經生物處理後)降至0.005mg/L,含氰量從0.19mg/L降至0.048mg/L,COD從85mg/L降至18mg/L。

    (2)處理染料廢水

    染料廢水成分複雜、水質變化大、色度深、濃度大,處理困難。處理方法主要有氧化、吸附、膜分離、絮凝、生物降解等。這些方法各有優缺點,其中活性炭能有效地去除廢水的色度和COD。活性炭處理染料廢水在國内外都有研究,但大多數是和其它工藝耦合,活性炭吸附多用于深度處理或将活性炭作為載體和催化劑,單獨使用活性炭處理較高濃度染料廢水的研究很少。

    活性炭對染料廢水有良好的脫色效果。染料廢水的脫色率随溫度的升高而增加,而pH值對染料廢水的脫色效果沒有太大的影響。在最佳吸附工藝條件下,酸性品紅、堿性品紅廢水的脫色率均>97%,出水的色度稀釋倍數≤50倍,COD<50mg/L,達到國家一級排放标準。

    (3)處理含汞廢水

    重金屬污染物中以汞的毒性最大,當汞進入人體内,就會破壞酶和其它蛋白質的功能并影響其重新合成。活性炭有吸附汞和含汞化合物的性能,但吸附能力有限,隻适宜于處理含汞量低的廢水。如果含汞的濃度較高,可以先用化學沉澱法處理,處理後含汞約1mg/L,高時可達2~3mg/L,然後再用活性炭做進一步的處理。

    (4)處理含鉻廢水

    活性炭表面存在大量的含氧基團如羟基(-OH)、羧基(-COOH)等,它們都有靜電吸附功能,對六價鉻産生化學吸附作用,能有效地吸附廢水中的六價鉻,吸附後的廢水可達到國家排放标準。

    利用活性炭處理含鉻廢水是活性炭對溶液中六價鉻的物理吸附、化學吸附、化學還原等綜合作用的結果。活性炭處理含鉻廢水,吸附性能穩定,處理效率高,操作費用低,有一定的社會效益和經濟效益。因此,用活性炭處理含鉻廢水已得到廣泛應用。

    (5)催化和負載催化劑

    石墨化炭和無定型炭是活性炭晶型的組成部分,因為具有不飽和鍵,所以表現出類似結晶缺陷的功能。活性炭因為結晶缺陷的存在而被作為催化劑廣泛應用,同時,因為其具有大的比表面積及多孔結構,活性炭還被廣泛用作催化劑載體。

    采用γ射線處理商品活性炭,此過程可以在不影響活性炭物理性質的條件下改變活性炭表面化學特性。通過紫外線輻射和模拟太陽光輻射研究了光催化中活性炭表面化學所發揮的作用。結果表明,無論是紫外線還是模拟太陽光輻射,活性炭都可以發揮光催化作用。通過測定紫外線/活性炭和模拟太陽光/活性炭體系中羟基自由基和超氧陰離子自由基表明,由活性炭充當光催化劑和光誘導反應物可以有效消除雜質對反應的影響,體系中羟基自由基和超氧陰離子自由基的獲得遠高于單純采用光輻射。這為發展自由基化學和尋找新的自由基反應提供了新的可能。

    活性污泥因為成分複雜,導緻其厭氧腐化過程緩慢。有學者将粒狀活性炭用于活性污泥的厭氧腐化,使活性污泥腐化過程中甲烷産率提高了17.4%,同時使活性污泥腐化率提高了6.1%。另外在活性炭表面引入-SO3H,對合成甲基叔戊基醚過程有催化作用,該催化劑制備方便,催化活性高且不易分解,體現出改性活性炭催化劑的巨大應用潛能。有研究表明采用粒狀活性炭負載臭氧體系使腐殖酸的催化氧化率達到48.1%,為腐殖酸的降解提供了新的途徑。通過活性炭負載氧化鋁作為改性活性炭糊電極用于苯酚的電催化氧化研究,表現出了較好的穩定性和可重複使用性,同時具有相對較低的檢出限和較寬的檢測範圍。

    (6)臨床醫用

    活性炭由于其良好的吸附性能,可用于急性臨床胃腸解毒急救,其具有不被胃腸道吸收且無刺激性、可以直接口服、簡單便利等優點;同時,活性炭也被用于血液淨化和癌症治療等。結腸直腸癌是常見的惡性腫瘤。研究表明,以納米活性炭作示蹤劑可以有效增加結腸直腸癌患者淋巴結檢測次數。活性炭纖維具有兩種特性:一是吸附性能;二是遠紅外放射性能。将銀吸附在活性炭纖維上,用于治療慢性創面患者,在接受治療的數月内傷口沒有任何不良反應。有學者以椰殼活性炭為載體負載加替沙星,結果表明,其對加替沙星負載能力較好,可以用作加替沙星的緩釋載體。對選用撲熱息疼和布洛芬作為模型藥物,采用活性炭作為藥物載體的研究表明,活性炭顆粒表現出非常低的細胞毒性,該研究為活性炭作為無定型藥物載體提供了支持。有學者單純利用每日兩次直腸局部注入高活性粒狀活性炭來治療簡單的慢性肛瘘,結果表明,這種治療方法效果良好、安全性高,并且相較于其它治療方法,病人更容易接受,為慢性肛瘘的治愈提供了新的策略。

    (7)用于超級電容器電極

    超級電容器主要由電極活性材料、電解液、集流體和隔膜等部分組成,其中電極材料直接決定着電容器性能的高低。活性炭具有比表面積大、孔隙發達及容易制備等優點,成為了超級電容器最早應用的碳質電極材料。可通過對傳統活性炭的改性,制備新型及高性能的活性炭電極材料。以聚偏二氯乙烯為前驅體,隻通過炭化處理而無需其它後處理制備出比表面積1200m2·g-1、孔容0.48cm3·g-1的多孔炭,其最高比電容為262F·g-1,電極密度在0.8g·cm-3左右,體積比電容可達214F·cm-3,是一種有發展前途的超級電容器電極材料。另有研究将廢棄茶葉炭化後再用KOH活化,制備了具有無定型特征的活性炭,其具有比表面積介于2245~2184m2·g-1的多孔結構,用其作為超級電容器電極,以KOH水溶液作為電解液,比電容高達330F·g-1,充電放電2000次後電容略有下降,為初始電容的92%,表現出良好的循環性能。若使用蓮花花粉作為碳源和自模闆,CO2為活化劑制備活性炭微粒,制備的活性炭具有三維納米網格骨架構成的多孔空心結構,将這種特殊的活性炭用作超級電容器電極,其比電容高達 244F·g-1,充電放電10000次後電容無衰減。 

    (8)用于儲氫

    常用儲氫方法有高壓氣态儲氫、液化儲氫、金屬合金儲氫和有機液體氫化物儲氫、炭材料儲氫等,其中炭材料主要有超級活性炭、納米碳纖維以及碳納米管等,而超級活性炭因為原料豐富、比表面積大、表面化學性能修飾、儲氫量大、解吸速度快、循環使用壽命長以及容易産業化受到廣泛關注。有學者利用 CO2活化模闆制備多孔碳,獲得了微孔介于0.7~1.3nm、中孔介于2~4nm、比表面積2829m2·g-1、孔容2.34cm3·g-1的超級活性炭材料,其在室溫298K、中等壓強8MPa條件下,對氫的吸附量可達0.95%。

    21世紀以來,類似于金屬-有機框架的多孔固體材料為氫的吸收儲存開辟了新的發展方向。有學者在溫和條件下将活性炭引入到金屬-有機框架材料中,合成了具有高比表面積的活性炭-金屬-有機框架混合材料,在77K、10 MPa條件下,對氫的吸附量從8.2%提高到了13.5%。控制超級活性炭制備工藝,得到适宜儲氫的比表面積和孔徑大小及分布,進而進行表面修飾,在室溫及中等壓強下,提高儲氫量是超級活性炭儲氫研究及應用的關鍵。

    (9)用于煙氣治理

    活性炭材料在脫硫脫硝過程中,因其處理效果好、投資運行費用低、實現資源化、且易于再生利用等優點而引人注目,但是,單一的活性炭脫硫,速度慢,效率低。在提高活性炭脫硫的性能的過程中,改性活性炭引起重視,它能克服普通活性炭的某些缺點和限制,被認為是最有前景的脫硫劑之一;另有研究表明,以亞鐵鹽和銅鹽配方處理的活性炭對氨有很好的吸附性能。

    (10)其他應用

    在活性炭各種應用中,國家标準 《活性炭分類和命名》 的附錄A中, 提供了不同類型活性炭主要用途對照表,該對照表,對指導不同用戶選取不同類型的活性炭及其應用提供了方便,詳見下表 :

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