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活性炭
作者: 发布日期:2018-05-06
活性炭,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;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。活性炭由于具有较强的吸附性,广泛应用于生产、生活中。
成分与制作
活性炭材料是经过加工处理所得的无定形碳,具有很大的比表面积,对气体、溶液中的无机或有机物质及胶体颗粒等都有良好的吸附能力。活性炭材料主要包括活性炭(Activated Carbon , A C )和活性炭纤维(Activated Carbon Fibers, ACF )等。活性炭材料作为一种性能***良的吸附剂,主要是由于其具有独特的吸附表面结构特性和表面化学性能所决定的。活性炭材料的化学性质稳定,机械强度高,耐酸、耐碱、耐热,不溶于水与有机溶剂,可以再生使用,已经广泛地应用于化工、环保、食品加工、冶金、药物精制、军事化学防护等各个领域 。目前,改性活性炭材料被广泛用于污水处理、大气污染防治等领域,在治理环境污染方面越来越显示出其诱人的美好前景。 [1] 
活性炭80%-90%以上由碳元素组成,这也是活性炭为疏水性吸附剂的原因。除了碳元素外,还包含有两类掺和物: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。
活性炭的主要原料几乎可以是所有富含碳的有机材料,如煤、木材、果壳、椰壳、核桃壳、杏壳、枣壳等。这些含碳材料在活化炉中,在高温和一定压力下通过热解作用被转换成活性炭。在此活化过程中,巨大的表面积和复杂的孔隙结构逐渐形成, 而所谓的吸附过程正是在这些孔隙中和表面上进行的,活性炭中孔隙的大小对吸附质有选择吸附的作用,这是由于大分子不能进入比它孔隙小的活性炭孔径内的缘故。活性炭是由含炭为主的物质作原料,经高温炭化和活化制得的疏水性吸附剂。活性炭含有大量微孔,具有巨大无比的表面积,能有效地去除色度、臭味,可去除二级出水中大多数有机污染物和某些无机物,包含某些有毒的重金属。
分类简介
按原料来源分
1. 木质活性炭
2. 兽骨 / 血活性炭
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(物理炭)
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
颗粒活性炭常常应用于吸附分子,颗粒活性炭吸附性决定应用性,而吸附性和各种炭型的孔大小分布相关。以水蒸气活化的泥煤基、 褐煤基和椰壳基粉状活性炭为例:泥煤基活性炭具有微孔和中孔,颗粒活性炭可供多种应用;褐煤基炭具中孔较多,颗粒活性炭而且还有较大的中孔,提供***良的可入性;椰壳基颗粒活性炭中主要是微孔,仅适用于低分子的去除。
利用化学品活化的颗粒活性炭是非常多孔的,多在微孔和中孔范围,但是,比较水蒸气活化的活性炭、化学品活化的活性炭的孔表面是较少疏水性和较多负电荷。以挤压型和破碎型粒状活性炭为例:泥煤基挤压型活性炭能制成各种不同孔大小分布的品种。颗粒活性炭微孔为主的品种主要用于气相应用的黄金回收。既有微孔又有中孔的品种大都用于液相应用,如水纯化中吸附小分子和大分子的杂质。
破碎型煤基颗粒活性炭兼有微孔和中孔,可供多种目的的应用。褐煤基或椰壳基的粒状活性炭与粉状炭一样具有相同的微孔和中孔结构。活性炭的技术指标非常重要:活性炭产品的性能指标可分为物理性能指标、活性炭化学性能指标、颗粒活性炭吸附性能指标。三种性能指标对活性炭的选择和应用都起到非常重要的作用。活性炭主要物理性能指标有:形状、外观、比表面积、孔容积、比重、目数、粒度、耐磨强度、漂浮率等。
颗粒活性炭主要化学性能指标有:PH值、灰分、水分、着火点、未炭化物、硫化物、氯化物、氰化物、硫酸盐、酸溶物、醇溶物、铁含量、锌含量、铅含量、砷含量、钙镁含量、重金属含量、磷酸盐等。活性炭主要吸附性能指标有:亚甲蓝吸附值、碘吸附值、苯酚吸附值、四氯化碳吸附值、焦糖吸附值、硫酸奎宁吸附值、饱和硫容量、穿透硫容量、水容量、 氯乙烷蒸汽防护时间、ABS值等。
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 孔径>500A°
过渡孔 孔径20 ~500A°
微孔 孔径 < 20A°活性炭的表面积主要是由微孔提供的
按材质分
1、木质活性炭
以木屑、木炭等制成的活性炭。以***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。
2、果壳活性炭
以椰子壳、核桃壳、杏核壳等制成的活性炭。
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。
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、食品饮料、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(THM)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、变压吸附、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。
椰壳活性炭以海南、东南亚等地的***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。广泛应用于冶金化工、石油电力、食品饮料、饮用水、纯净水、工业用水的深度净化以及贵重金属的提炼,具有脱色除臭、吸附除浊之功效,和沸石、分子筛配用效果更佳,深受用户欢迎。
椰维炭是以椰壳为原料,经高温活化、碳化处理,同时负载光触媒、碳纤维而成的一种新型活性炭。其对有机气体吸附能力比普通活性炭高5倍至以上,吸附速率更快椰维炭具有发达的比表面积,丰富的微孔径。比表面积可达1000-1600m2/g,微孔体积90%左右,其微孔孔径为10A-40A。具有比表面积大、孔径适中、分布均匀、吸附速度快、杂质少等***点 [2]  。
3、煤质活性炭
以褐煤、泥煤、烟煤、无烟煤等制成的活性炭,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,物理化学特性好,孔隙根据需求大小可控等特点。
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、水族、脱硫、水处理活性炭脱硝并可有效去除气体与液体中的杂质和污染物以及各种气体分离和提纯,还可广泛用于各种低沸点物质的吸附回收,脱臭除油等。
4、石油类活性炭:例如以沥青等为原料制成的沥青基球状活性炭。
5、再生炭:以用过的废炭为原料,进行再活化处理的再生活性炭。
6、矿物质原料活性炭
例如纳米活矿石,以矿石为主要成分的活性炭。
以矿产地区为主要衍生地,其主要成分是活矿石成分。原料经过筛选,加入海泡石、凹凸棒土等精制而成,大大提升其吸附性能。以纳米活矿石性能******。
柱状炭
  
采用***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***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***质木屑、椰壳为原料,制成的柱状活性炭灰份低、杂质少、气相吸附值、CTC占绝对*** 势。产品孔径分布合理,达到***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。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。
煤质柱状炭
煤质柱状活性炭选用***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,灰度低等特点;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。
煤质柱状活性炭用于有毒气体的净化,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(钯、铂、铑等)、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、酒厂、味精母液及食品的脱色;黄金行业的黄金提取、尾液回收;环保行业的污水处理及有害气体的治理、净化;以及相关行业的香烟滤嘴、木地板防潮、吸味等。活性炭在未来将会有极好的发展前景和广阔的销售市场。
原理编辑
过滤原理
活性炭过滤器是将水中悬浮状态的污染物进行截留的过程,被截留的悬浮物充塞于活性炭间的空隙。滤层孔隙尺度以及孔隙率的大小,随活性炭料粒度的加大而增大。即活性炭粒度越粗,可容纳悬浮物的空间越大。其表现为过滤能力增强,纳污能力增加,截污量增大。同时,活性炭滤层孔隙越大,水中悬浮物越能被更深地输送至下一层活性炭滤层,在有足够保护厚度的条件下,悬浮物可以更多地被截留,使中下层滤层更好地发挥截留作用,机组截污量增加。
从严格的理论上讲,活性炭所具有的对悬浮物的截留能力来自活性炭所提供的表面积。流速低时,机组的过滤能力主要地来自活性炭的筛除作用,而流速快时,过滤能力来自活性炭颗粒表面的吸附作用,在过滤过程中活性炭所提供的颗粒表面积越大,对水中悬浮物的附着力越强。
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。20世纪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。
特性
吸附特性
活性炭吸附法是利用多孔性的活性炭,使水中一种或多种物质被吸附在活性炭表面而去除的方法,去除对象包括溶解性的有机物质,合成洗涤剂、微生物、病毒和一定量的重金属,并能够脱色、除臭、空气净化。
活性炭、磺化煤、沸石、焦炭等都是水处理常用的吸附剂,活性炭经过活化后碳晶格形成形状和大小不一的发达细孔,大大增加比表面积,提高吸附能力。活性炭的细孔有效半径一般为1-10000nm,小孔半径在2nm以下,过渡孔半径一般为2-100nm,大孔半径为100-10000nm。小孔容积一般为0.15-0.90mL/g,过渡孔面积一般为0.02-0.10mL/g; 大孔容积一般为0.2-0.5mL/g。
活性炭是一种很细小的炭粒,有很大的表面积,而且炭粒中还有更细小的孔——毛细管。这种毛细管具有很强的吸附能力,由于炭粒的表面积很大,所以能与气体(杂质)充分接触。当这些气体(杂质)碰到毛细管被吸附,起净化作用。活性炭的表面积研究是非常重要的,活性炭的比表面积检测数据只有采用BET方法检测出来的结果才是真实可靠的,国内有很多仪器只能做直接对比法的检测。现阶段国内外比表面积测试统一采用多点BET法,国内外制定出来的比表面积测定标准都是以BET测试方法为基础的,请参看中国国家标准(GB/T 19587-2004)-气体吸附BET原理测定固态物质比表面积的方法。
比表面积检测其实是比较耗费时间的工作,由于样品吸附能力的不同,有些样品的测试可能需要耗费一整天的时间,如果测试过程没有实现完全自动化,那测试人员就时刻都不能离开,并且要高度集中,观察仪表盘,操控旋钮,稍不留神就会导致测试过程的失败,这会浪费测试人员很多的宝贵时间。F-Sorb 2400比表面积测试仪是真正能够实现BET法检测功能的仪器(兼备直接对比法) ,更重要的F-Sorb 2400比表面积测试仪是迄今为止国内唯一完全自动化智能化的比表面积检测设备,其测试结果与国际一致性很高,稳定性也很好,同时减少人为误差,提高测试结果精确性。
影响活性炭吸附的因素有:活性炭的特性;被吸附物的特性和浓度;废水的PH值;悬浮固体含量等特性;接触系统及运行方式等。活性炭能有效吸附氯代烃、有机磷和氨基甲酸酯类杀虫剂,还能吸附苯醚、正硝基氯苯、萘、乙烯、二甲苯酚、苯酚、DDT、艾氏剂、烷基苯磺酸及许多酯类 和芳烃化合物。二级出水中也含有不被活性炭吸附的有机物,如蛋白质的中间降解物质,比原有的有机物更难被活性炭吸附,活性炭对THMS的去除能力较低,仅达到23-60%。活性炭吸附法与其他处理方法联用,出现了臭氧-活性炭法、混凝-吸附活性炭法、Habberer工艺、活性炭-硅藻土法等,使活性炭的吸附周期明显延长,用量减少,处理效果和范围大幅度提高。
化学特性
活性炭的吸附除了物理吸附,还有化学吸附。活性炭的吸附性既取决于孔隙结构,又取决于化学组成。
活性炭不仅含碳 ,而且含少量的化学结合、功能团开工的氧和氢,例如羰基、羧基、酚类、内酯类、醌类、醚类。这些表面上含有的氧化物和络合物,有些来自原料的衍生物,有些是在活化时、活化后由空气或水蒸气的作用而生成。有时还会生成表面硫化物和氯化物。在活化中原料所含矿物质集中到活性炭里成为灰分,灰分的主要成分是碱金属和碱土金属的盐类,如碳酸盐和磷酸盐等。
机械特性
1、粒度:采用一套标准筛筛分法,求出留在和通过每只筛子的活性炭重量,表示粒度分布。
2、静观密度或堆密度:应是孔隙容积和颗粒间空隙容积的单位体积活性炭的重量。
3、体积密度和颗粒密度:应是孔隙容积而不应是颗粒间空隙容积的单位体积活性炭的重量。
4、强度:即活性炭的耐破碎性。
5、耐磨性:即耐磨损或抗磨擦的性能。
这些机械性质直接影响活性炭应用,例如:密度影响容器大小;粉炭粗细影响过滤;粒炭粒度分布影响流体阻力和压降;破碎性影响活性炭使用寿命和废炭再生。

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