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简介
活性炭是由木质、煤质和石油焦等含碳的原料经热解、活化加工制备而成,具有发达的孔隙结构、较大的比表面积和丰富的表面化学基团,特异性吸附能力较强的炭材料的统称。

通常为粉状或粒状具有很强吸附能力的多孔无定形炭。由固态碳质物(如煤、木料、硬果壳、果核、树脂等)在隔绝空气条件下经600~900℃高温炭化,然后在400~900℃条件下用空气、二氧化碳、水蒸气或三者的混合气体进行氧化活化后获得。

炭化使碳以外的物质挥发,氧化活化可进一步去掉残留的挥发物质,产生新的和扩大原有的孔隙,改善微孔结构,增加活性。低温(400℃)活化的炭称L-炭,高温(900℃)活化的炭称H-炭。H-炭必须在惰性气氛中冷却,否则会转变为L-炭。活性炭的吸附性能与氧化活化时气体的化学性质及其浓度、活化温度、活化程度、活性炭中无机物组成及其含量等因素有关,主要取决于活化气体性质及活化温度。

活性炭的含炭量、比表面积、灰分含量及其水悬浮液的pH值皆随活化温度的提高而增大。活化温度愈高,残留的挥发物质挥发愈完全,微孔结构愈发达,比表面积和吸附活性愈大。

活性炭中的灰分组成及其含量对炭的吸附活性有很大影响。灰分主要由K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、P2O5、SO3、Cl-等组成,灰分含量与制取活性炭的原料有关,而且,随炭中挥发物的去除,炭中的灰分含量增大。

截止2007年,世界活性炭年产量达900kt,其中煤基(质)活性炭占总产量的2/3以上;而中国年产量已突破400kt,居世界首位,美国、日本等也是世界主要的活性炭产出国。

理化特性

根据活性炭的外形,通常分为粉状和粒状两大类。粒状活性炭又有圆柱形、球形、空心圆柱形和空心球形以及不规则形状的破碎炭等。随着现代工业和科学技术的发展,出现了许多活性炭新品种,如炭分子筛、微球炭、活性炭纳米管、活性炭纤维等。

孔隙结构

活性炭是由石墨微晶、单一平面网状碳和无定形碳三部分组成,其中石墨微晶是构成活性炭的主体部分。活性炭的微晶结构不同于石墨的微晶结构,其微晶结构的层间距在0.34~0.35nm之间,间隙大。即使温度高达2000 ℃以上也难以转化为石墨,这种微晶结构称为非石墨微晶,绝大部分活性炭属于非石墨结构。石墨型结构的微晶排列较有规则,可经处理后转化为石墨。非石墨状微晶结构使活性炭具有发达的孔隙结构,其孔隙结构可由孔径分布表征。活性炭的孔径分布范围很宽,从小于1nm到数千nm。有学者提出将活性炭的孔径分为三类:孔径小于2nm为微孔,孔径在2~50nm为中孔,孔径大于50nm为大孔。

活性炭中的微孔比表面积占活性炭比表面积的95%以上,在很大程度上决定了活性炭的吸附容量。中孔比表面积占活性炭比表面积的5%左右,是不能进入微孔的较大分子的吸附位,在较高的相对压力下产生毛细管凝聚。大孔比表面积一般不超过0.5m2/g,仅仅是吸附质分子到达微孔和中孔的通道,对吸附过程影响不大。

表面化学性质

活性炭内部具有晶体结构和孔隙结构,活性炭表面也有一定的化学结构。活性炭吸附性能不仅取决于活性炭的物理(孔隙)结构,而且还取决于活性炭表面的化学结构。在活性炭制备过程中,炭化阶段形成的芳香片的边缘化学键断裂形成具有未成对电子的边缘碳原子。这些边缘碳原子具有未饱和的化学键,能与诸如氧、氢、氮和硫等杂环原子反应形成不同的表面基团,这些表面基团的存在毫无疑问地影响到活性炭的吸附性能。X 射线研究表明,这些杂环原子与碳原子结合在芳香片的边缘,产生含氧、含氢和含氮表面化合物。当这些边缘成为主要的吸附表面时,这些表面化合物就改变了活性炭的表面特征和表面性质。活性炭表面基团分为酸性、碱性和中性 3 种。酸性表面官能团有羰基、羧基、内酯基、羟基、醚、苯酚等,可促进活性炭对碱性物质的吸附;碱性表面官能团主要有吡喃酮(环酮)及其衍生物,可促进活性炭对酸性物质的吸附。

磷酸等酸性活化剂制备的活性炭表面以酸性基团为主 ,对碱性物质吸附较好;KOH、K2CO3等碱性活化剂制备的活性炭表面以碱性基团为主,适合于吸附酸性物质;而采用CO2、H2O等物理活化方法制备的活性炭表面官能团总体呈中性。

吸附机理

活性炭吸附是指利用活性炭的固体表面对水中的一种或多种物质的吸附作用,以达到净化水质的目的。活性炭的吸附能力与活性炭的孔隙大小和结构有关。一般来说,颗粒越小,孔隙扩散速度越快,活性炭的吸附能力就越强。吸附能力和吸附速度是衡量吸附过程的主要指标。吸附能力的大小是用吸附量来衡量的,吸附速度是指单位时间内单位重量的吸附剂所吸附的量。在水处理中,吸附速度决定了吸附剂与污水的接触时间。

分类与命名

中国国家标准将活性炭按照两部分进行分类: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对应的产品形状组合分类。

  活性炭按制造使用的主要原材料分为四类:煤质活性炭、木质活性炭、合成材料活性炭和其他类活性炭。按制造使用主要原材料及对应的产品形状组合分类分为16种类型。其中,煤质活性炭分为:柱状煤质颗粒活性炭、 破碎煤质颗粒活性炭、粉状煤质颗粒活性炭、球形煤质颗粒活性炭。木质颗粒活性炭分为:柱状木质颗粒活性炭、破碎状木质颗粒活性炭、粉状木质颗粒活性炭、球形木质颗粒活性炭。合成材料活性炭分为:柱状合成材料颗粒活性炭、破碎状合成材料颗粒活性炭、粉状合成材料颗粒活性炭、成形活性炭、球形合成材料颗粒活性炭、 布类合成材料活性炭(炭纤维布)、毡类合成材料活性炭(炭纤维毡)。其他类活性炭,指除上述三种类型活性炭外,由其他原材料(如煤沥青、石油焦等)制备的活性炭,这类活性炭,在产品形状分类中,暂列了沥青基微球活性炭。详细分类见下表:

制造原材料分类产品形状分类
煤质活性炭柱状煤质颗粒活性炭
破碎煤质颗粒活性炭
粉状煤质颗粒活性炭
球形煤质颗粒活性炭
木质活性炭柱状木质颗粒活性炭
破碎状木质颗粒活性炭
粉状木质颗粒活性炭
球形木质颗粒活性炭
合成材料活性炭
柱状合成材料颗粒活性炭
破碎状合成材料颗粒活性炭
粉状合成材料颗粒活性炭
成形活性炭
球形合成材料颗粒活性炭
布类合成材料活性炭(炭纤维布)
毡类合成材料活性炭(炭纤维毡)
其他类活性炭沥青基微球活性炭


命名规则

活性炭按材料和形状命名。命名的方法则依据命名原则规定的内容进行,有三层内容:第一层表示活性炭制造主要原材料,用主要原材料英文单词的首字母大写表示;第二层表示活性炭的形状,用形状英文单词的首字母大写表示;第三层为活性碳的名称,由汉字组成。

原材料分类符号

活性炭制造原材料命名的分类符号以材料名称英文单词的首字母大写表示,若名称首字母重复,则在英文单词首字母后缀一个小写英文字母,该字母来源于材料名称的英文单词(辅音优先)。制造原材料分类符号中,由于类属于木质活性炭的加工原材料种类较多,而各种木质原材料制造后的活性炭性能有一定的区别,因此,将木质活性炭的制造的原材料细分为四类:木屑类活性炭、果壳类活性炭、椰壳类活性炭、生物质类活性炭。这四类木质活性炭的分类符号,用原材料分类符号(W)和其具体的原料(木屑、果壳、椰壳、生物质)英文单词的首字母大写用下脚标标注共同表示。 其分类符号详见2016年发布的中国国家标准GB/T 32560-2016 《活性炭分类与命名》。

形状分类符号

各类形状的活性炭的分类符号,以形状名称英文单词的首字母大写表示,若形状名称首字母重复,在英文单词首字母后缀一个小写英文字母,该字母来源于该形状的英文单词(辅音优先)。对于破碎状活性炭来讲,除木质破碎状活性炭外,煤质破碎状活性炭现有三类,这三类破碎状煤质活性炭生产工艺不同,质量指标和应用领域也有较大差别,为方便厂商和应用客户对破碎状煤质活性炭加以区别, 标准对破碎状活性炭的形状命名分类符号做了如下规定:破碎状活性炭的形状分类符号由G和具体各类破碎状活性炭的名称英文单词的首字母大写表示在 G 后下脚标处,共同表示,如:压块破碎活性炭(煤质)表示为GB  。 形状命名具体分类见2016年发布的中国国家标准GB/T 32560-2016 《活性炭分类与命名》。

制备技术

化学活化法

化学活化法就是通过将各种含碳原料与化学药品均匀地混合后,一定温度下,经历炭化、活化、回收化学药品、漂洗、烘干等过程制备活性炭。磷酸、氯化锌、氢氧化钾、氢氧化钠、硫酸、碳酸钾、多聚磷酸和磷酸酯等都可作为活化试剂,尽管发生的化学反应不同,有些对原料有侵蚀、水解或脱水作用,有些起氧化作用,但这些化学药品都可对原料的活化有一定的促进作用,其中最常用的活化剂为磷酸、氯化锌和氢氧化钾。化学活化法的活化原理还不十分清楚,一般认为化学活化剂具有侵蚀溶解纤维素的作用,并且能够使原料中的碳氢化合物所含有的氢和氧分解脱离,以 H2O、CH4等小分子形式逸出,从而产生大量孔隙。此外,化学活化剂能够抑制焦油副产物的形成,避免焦油堵塞热解过程中生成的细孔,从而可以提高活性炭的收率。
我国木质磷酸法粉状活性炭已经实现了规模化、自动化和清洁化生产,整体技术达到国际领先水平。

(1)磷酸活化法

磷酸法制备活性炭的过程中,磷酸与木质纤维原料的作用机理可分为以下几个方面:润胀作用、加速活化作用、脱水作用、氧化作用和芳香缩合作用。
磷酸活化法的基本工艺包括木屑筛选、干燥、磷酸溶液配制、混合(或浸渍) 、炭化、活化、回收、漂洗(包括酸处理和水洗)、离心脱水、干燥与磨粉等工序,如生产颗粒活性炭还需增加捏合工艺。另外,附设专门的废气净化系统,回收烟气中的磷酸和炭粉,减少对环境的污染。磷酸活化法的生产工艺中,要注意在炭化段控制度,让磷酸充分渗透入木屑,再与活化段协同控制,可以明显提高活性炭吸附能力,产品质量稳定,同时适当降低活化温度对降低产品灰分有利。炭活化尾气采用多段液相回收可以增加磷酸和细炭粉的回收,采用高压静电方式也有利于尾气中焦油的去除。

(2)氯化锌活化法

ZnCl2在活化过程中使木质纤维原料发生脱氢反应并进一步芳构化,从而形成初步孔结构,水洗脱除氯化锌后即形成孔隙结构。此外还有学者认为氯化锌在炭化时形成新生炭沉积的骨架,当其被洗去之后,炭的表面便暴露出来,构成了具有吸附力的活性炭内表面。
氯化锌活化工艺流程与磷酸活化法工艺基本相似。氯化锌法活性炭由于其孔径分布相对集中、吸附力强等特点,一直受到国内外市场的青睐,需求量逐年增加。

(3)氢氧化钾活化法

KOH活化法是20世纪70年代兴起的一种制备高比表面积活性炭的活化工艺,其活化过程是将原料炭与数倍炭质量的KOH或NaOH混合,在不超过500℃下脱水后于800 ℃左右煅烧若干时间,冷却后将产品洗涤至中性即可得到活性炭。反应机理是活化过程中被消耗的炭主要生成了碳酸钾,同时在800℃左右,被炭还原的金属钾(沸点762℃)析出,金属钾的蒸气不断进入碳原子所构成的层与层之间进行活化,这两个反应使产物具有很大的比表面积。
KOH法活性炭主要应用在超级电容器领域。以椰壳为主要原料所制得的活性炭比表面积可接近3000m2/g,比电容可超过200F/g,同时还可表现出非常优良的储氢和储甲烷能力,在77K 和100kPa的情况下,储氢量可达到2.94%,压力提高至1MPa,储氢量可达4.82%。

物理活化法

物理法通常又称气体活化法,是将已炭化处理的原料在800 ~1000℃的高温下与水蒸气,烟道气(水蒸气、CO2、N2等的混合气)、CO或空气等活化气体接触,从而进行活化反应的过程。物理活化法的基本工艺过程主要包括炭化、活化、除杂、破碎(球磨)、精制等工艺,制备过程清洁,液相污染少。
在制备过程中,具有氧化性的高温活化气体无序碳原子及杂原子首先发生反应,使原来封闭的孔打开,进而基本微晶表面暴露,然后活化气体与基本微晶表面上的碳原子继续发生氧化反应,使孔隙不断扩大。一些不稳定的炭因气化生成CO、CO2、H2和其他碳化合物气体,从而产生新的孔隙,同时焦油和未炭化物等也被除去,最终得到活性炭产品。活性炭发达的比表面积则源自中孔、大孔孔容的增加,形成的大孔、中孔和微孔的相互连接贯通。由于物理法工艺流程相对简单,产生的废气以CO2和水蒸气为主,对环境污染较小,而且最终得到的活性炭产品比表面积高、孔隙结构发达、应用范围广,因此世界范围内的活性炭生产厂家中70%以上都采用物理法生产活性炭。炭活化过程中产生大量的余热,可满足原料烘干、余热锅炉制高温蒸汽、产品的洗涤烘干等所需热能。

物理-化学活化法

(1)物理-化学一体化制备技术

物理-化学活化法顾名思义就是结合应用物理活化和化学活化的方法,即炭先经化学法处理,随后再进一步用物理法(水蒸气或 CO2)活化。国外研究人员通过H3PO4和CO2联合活化法制得了比表面积高达3700m2/g 的超级活性炭,具体步骤是在85℃下先用H3PO4浸泡木质原料,经450℃炭化4h后再用CO2活化。将物理法和化学法联合,利用物理法的炭化尾气为化学法生产供热,实现生产过程无燃煤消耗,同时得到物理法活性炭和化学法活性炭。

(2)微波辅助化学活化

由于在活性炭制备过程中,传统的炉膛加热存在耗工、耗时且物料受热不均的缺点,因此微波的引入可以实现物料内部均匀加热,同时可方便地快速启动和停止,耗时比传统工艺短得多。因此,微波辅助化学活化可以显著缩短生产时间,从而极大地提高生产效率,亦可降低环境污染。通常的磷酸法、氯化锌法和氢氧化钾活化法均可采用微波加热,而且研究表明微波加热法亦可得到高性能的活性炭,尤其适用于KOH活化法制备超级电容活性炭。然而微波加热制备活性炭仍处于实验阶段,主要原因是设备投资大,能耗高。

(3)催化活化

金属类催化剂在含碳原料表面可形成活性点,降低炭与水或CO2的反应活化能,从而降低活化温度,提高反应速率,形成发达的孔隙,同时,金属颗粒移动时也会产生孔道。催化剂在制备超级活性炭时可以降低活化温度,大幅提高反应的速率,还可使制得的活性炭孔径分布均匀。虽然催化活化法制备活性炭具有上述诸多优势,但反应速度过快可能会烧穿微孔壁面,从而破坏微孔结构。

应用

应用简史

(1)国外应用简史

公元前约3750年,古埃及就有使用木炭的记载。
1900年英国人首次发明以金属氯化物炭化植物来制造活性炭的方法。
1917年一战双方均已在防毒面具里使用活性炭。
1927年美国芝加哥自来水厂发生了恶臭事故,此后活性炭被广泛应用于自来水除臭。
1930 年第一个使用粒状活性炭吸附池除臭的水厂建于美国费城。
20世纪60年代末70年代初,由于煤质粒状炭的大量生产和再生设备的问世,发达国家开展了利用活性炭吸附去除水中微量有机物的研究工作,对饮用水进行深度处理。粒状活性炭净化的装置在美国、欧洲、日本等国陆续建成投产。美国以地面水为水源的水厂已有90%以上采用了活性炭吸附工艺。

(2)国内应用简史

20世纪50年代初,我国才开始生产活性炭。
20世纪60年代末期,开始利用活性炭去除受污染的水源水的除臭、除味。
活性炭主要作为固体吸附剂,应用在化工、医药、环境等方面,用于吸附沸点及临界温度较高的物质及分子量较大的有机物。在空气净化、水处理等领域应用也呈现出应用量增长的趋势,专用高档炭如高比表面积炭、高苯炭、纤维炭已渗透到航天、电子、通讯、能源、生物工程和生命科学等领域。

应用领域

(1)处理含油污水

吸附法进行油水分离是利用亲油性材料,吸附废水中的溶解油及其它溶解性有机物。最常用的吸油材料是活性炭,可吸附废水中的分散油、乳化油和溶解油。由于活性炭对油的吸附容量有限(一般为30~80mg/g)),成本高,再生困难,通常只用作含油废水多级处理的最后一级处理,出水含油质量浓度可降至0.1~0.2mg/L 。
由于活性炭对水的预处理要求高,而且活性炭的价格昂贵,因此在废水处理中,活性炭主要用来去除废水中的微量污染物,以达到深度净化的目的。 炼油厂含油废水,先经隔油、气浮和生物处理,再经砂滤和活性炭过滤深度处理。废水的含酚量从0.1 mg/L(经生物处理后)降至0.005mg/L,含氰量从0.19mg/L降至0.048mg/L,COD从85mg/L 降至18mg/L。

(2)处理染料废水

染料废水成分复杂、水质变化大、色度深、浓度大,处理困难。处理方法主要有氧化、吸附、膜分离、絮凝、生物降解等。这些方法各有优缺点,其中活性炭能有效地去除废水的色度和COD。活性炭处理染料废水在国内外都有研究,但大多数是和其它工艺耦合,活性炭吸附多用于深度处理或将活性炭作为载体和催化剂,单独使用活性炭处理较高浓度染料废水的研究很少。
活性炭对染料废水有良好的脱色效果。染料废水的脱色率随温度的升高而增加,而pH值对染料废水的脱色效果没有太大的影响。在最佳吸附工艺条件下,酸性品红、碱性品红废水的脱色率均>97%,出水的色度稀释倍数≤50倍,COD<50mg/L,达到国家一级排放标准。

(3)处理含汞废水

重金属污染物中以汞的毒性最大,当汞进入人体内,就会破坏酶和其它蛋白质的功能并影响其重新合成。活性炭有吸附汞和含汞化合物的性能,但吸附能力有限,只适宜于处理含汞量低的废水。如果含汞的浓度较高,可以先用化学沉淀法处理,处理后含汞约1mg/L,高时可达2~3mg/L,然后再用活性炭做进一步的处理。 

(4)处理含铬废水

活性炭表面存在大量的含氧基团如羟基(-OH)、羧基(-COOH)等,它们都有静电吸附功能,对六价铬产生化学吸附作用,能有效地吸附废水中的六价铬,吸附后的废水可达到国家排放标准。
利用活性炭处理含铬废水是活性炭对溶液中六价铬的物理吸附、化学吸附、化学还原等综合作用的结果。活性炭处理含铬废水,吸附性能稳定,处理效率高,操作费用低,有一定的社会效益和经济效益。因此,用活性炭处理含铬废水已得到广泛应用。

(5)催化和负载催化剂

石墨化炭和无定型炭是活性炭晶型的组成部分,因为具有不饱和键,所以表现出类似结晶缺陷的功能。活性炭因为结晶缺陷的存在而被作为催化剂广泛应用,同时,因为其具有大的比表面积及多孔结构,活性炭还被广泛用作催化剂载体。 [8] 
采用γ射线处理商品活性炭,此过程可以在不影响活性炭物理性质的条件下改变活性炭表面化学特性。通过紫外线辐射和模拟太阳光辐射研究了光催化中活性炭表面化学所发挥的作用。结果表明,无论是紫外线还是模拟太阳光辐射,活性炭都可以发挥光催化作用。通过测定紫外线/活性炭和模拟太阳光/活性炭体系中羟基自由基和超氧阴离子自由基表明,由活性炭充当光催化剂和光诱导反应物可以有效消除杂质对反应的影响,体系中羟基自由基和超氧阴离子自由基的获得远高于单纯采用光辐射。这为发展自由基化学和寻找新的自由基反应提供了新的可能。

活性污泥因为成分复杂,导致其厌氧腐化过程缓慢。有学者将粒状活性炭用于活性污泥的厌氧腐化,使活性污泥腐化过程中甲烷产率提高了17.4%,同时使活性污泥腐化率提高了6.1%。另外在活性炭表面引入-SO3H,对合成甲基叔戊基醚过程有催化作用,该催化剂制备方便,催化活性高且不易分解,体现出改性活性炭催化剂的巨大应用潜能。有研究表明采用粒状活性炭负载臭氧体系使腐殖酸的催化氧化率达到48.1%,为腐殖酸的降解提供了新的途径。通过活性炭负载氧化铝作为改性活性炭糊电极用于苯酚的电催化氧化研究,表现出了较好的稳定性和可重复使用性,同时具有相对较低的检出限和较宽的检测范围。

(6)临床医用

活性炭由于其良好的吸附性能,可用于急性临床胃肠解毒急救,其具有不被胃肠道吸收且无刺激性、可以直接口服、简单便利等优点;同时,活性炭也被用于血液净化和癌症治疗等。结肠直肠癌是常见的恶性肿瘤。研究表明,以纳米活性炭作示踪剂可以有效增加结肠直肠癌患者淋巴结检测次数。活性炭纤维具有两种特性:一是吸附性能;二是远红外放射性能。将银吸附在活性炭纤维上,用于治疗慢性创面患者,在接受治疗的数月内伤口没有任何不良反应。有学者以椰壳活性炭为载体负载加替沙星,结果表明,其对加替沙星负载能力较好,可以用作加替沙星的缓释载体。对选用扑热息疼和布洛芬作为模型药物,采用活性炭作为药物载体的研究表明,活性炭颗粒表现出非常低的细胞毒性,该研究为活性炭作为无定型药物载体提供了支持。有学者单纯利用每日两次直肠局部注入高活性粒状活性炭来治疗简单的慢性肛瘘,结果表明,这种治疗方法效果良好、安全性高,并且相较于其它治疗方法,病人更容易接受,为慢性肛瘘的治愈提供了新的策略。

(7)用于超级电容器电极

超级电容器主要由电极活性材料、电解液、集流体和隔膜等部分组成,其中电极材料直接决定着电容器性能的高低。活性炭具有比表面积大、孔隙发达及容易制备等优点,成为了超级电容器最早应用的碳质电极材料。可通过对传统活性炭的改性,制备新型及高性能的活性炭电极材料。以聚偏二氯乙烯为前驱体,只通过炭化处理而无需其它后处理制备出比表面积1200m2·g-1、孔容0.48cm3·g-1的多孔炭,其最高比电容为262F·g-1,电极密度在0.8g·cm-3左右,体积比电容可达214F·cm-3,是一种有发展前途的超级电容器电极材料。另有研究将废弃茶叶炭化后再用KOH活化,制备了具有无定型特征的活性炭,其具有比表面积介于2245~2184m2·g-1的多孔结构,用其作为超级电容器电极,以KOH水溶液作为电解液,比电容高达330F·g-1,充电放电2000次后电容略有下降,为初始电容的92%,表现出良好的循环性能。若使用莲花花粉作为碳源和自模板,CO2为活化剂制备活性炭微粒,制备的活性炭具有三维纳米网格骨架构成的多孔空心结构,将这种特殊的活性炭用作超级电容器电极,其比电容高达 244F·g-1,充电放电10000次后电容无衰减。

(8)用于储氢

常用储氢方法有高压气态储氢、液化储氢、金属合金储氢和有机液体氢化物储氢、炭材料储氢等,其中炭材料主要有超级活性炭、纳米碳纤维以及碳纳米管等,而超级活性炭因为原料丰富、比表面积大、表面化学性能修饰、储氢量大、解吸速度快、循环使用寿命长以及容易产业化受到广泛关注。有学者利用 CO2活化模板制备多孔碳,获得了微孔介于0.7~1.3nm、中孔介于2~4nm、比表面积2829m2·g-1、孔容2.34cm3·g-1的超级活性炭材料,其在室温298K、中等压强8MPa条件下,对氢的吸附量可达0.95%。

21世纪以来,类似于金属-有机框架的多孔固体材料为氢的吸收储存开辟了新的发展方向。有学者在温和条件下将活性炭引入到金属-有机框架材料中,合成了具有高比表面积的活性炭-金属-有机框架混合材料,在77K、10 MPa条件下,对氢的吸附量从8.2%提高到了13.5%。控制超级活性炭制备工艺,得到适宜储氢的比表面积和孔径大小及分布,进而进行表面修饰,在室温及中等压强下,提高储氢量是超级活性炭储氢研究及应用的关键。

(9)用于烟气治理

活性炭材料在脱硫脱硝过程中,因其处理效果好、投资运行费用低、实现资源化、且易于再生利用等优点而引人注目,但是,单一的活性炭脱硫,速度慢,效率低。在提高活性炭脱硫的性能的过程中,改性活性炭引起重视,它能克服普通活性炭的某些缺点和限制,被认为是最有前景的脱硫剂之一;另有研究表明,以亚铁盐和铜盐配方处理的活性炭对氨有很好的吸附性能。

(10)其他应用

在活性炭各种应用中,国家标准 《活性炭分类和命名》 的附录 A 中, 提供了不同类型活性炭主要用途对照表,该对照表,对指导不同用户选取不同类型的活性炭及其应用提供了方便,详见下表 :


制造原材料分类
产品类型用途
煤质活性炭柱状煤质颗粒活性炭气体分离与精制、溶剂回收、烟气净化、脱硫脱硝、水质净化、污水处理、催化剂载体等
破碎状煤质颗粒活性炭气体净化、溶剂回收、水体净化、污水处理、环境保护等
  粉状煤质活性炭 水污染应急处理、垃圾焚烧、化工脱色、烟气净化等
球形煤质颗粒活性炭炭分子筛、催化剂载体、防毒面具、气体分离与精制、军用吸附等
木质活性炭柱状木质颗粒活性炭气体分离与精制、黄金提取、水质净化、食品饮料脱色等
破碎状木质颗粒活性炭净化空气、溶剂回收、水质净化、味精精制、乙酸乙烯合成触媒等
粉状木质活性炭水体净化、注射针剂脱色、糖液脱色、味精及饮料脱色、药用等
球形木质颗粒活性炭炭分子筛、血液净化、饮料精制、气体分离、提取黄金等
合成材料活性炭 柱状合成材料颗粒活性炭气体分离与净化、水体净化、烟气净化、污水处理、环境保护等
破碎状合成材料颗粒活性炭净化空气、脱除异味、环境保护、上水与污水处理等
粉状合成材料活性炭水质净化、垃圾焚烧、化工脱色、烟气净化等
成形活性炭净水滤芯、净水滤棒、净空蜂窝体、环境保护、过滤吸附等


再生

再生原理

活性炭再生,是指用物理或化学方法在不破坏其原有结构的前提下,去除吸附于活性炭微孔的吸附质,恢复其吸附性能的过程。活性炭吸附过程中,对吸附质和溶剂都有吸附作用,因亲和力的不同,经过一定时间的吸附,达到吸附平衡。活性炭再生就是要采取办法破坏这种平衡关系,其依据主要为以下几个方面:①改变吸附质的化学性质;②用对吸附质亲和力强的溶剂萃取;③用对活性炭亲和力比吸附质大的物质把吸附质置换出来,然后再使置换物质脱附,活性炭得到再生;④用外部加热、升高温度的办法改变平衡条件;⑤用降低溶剂中溶质浓度(或压力)的方法再生;⑥使吸附物(有机物)分解或氧化而除去。

再生方法

(1)热再生法

热再生法是应用最成熟的活性炭再生方法。处理有机废水后的活性炭在再生过程中,根据加热到不同温度时有机物的变化,一般分为干燥、高温炭化及活化3个阶段。在干燥阶段,去除活性炭上的水分等可挥发性成分。高温炭化阶段是使吸附在活性炭上的部分有机物汽化脱附,部分有机物发生分解,以小分子物质脱附出来,残余的成分留在活性炭孔隙内成为固定炭。活化阶段是通入CO2、CO或水蒸气等气体,清理活性炭内部结构的微孔,使其恢复吸附活性。再生工艺的核心是活化阶段。

热再生法的再生效率比较高,时间短,应用比较范围广泛,但再生过程中炭损失较大,可达5%~10%。同时再生后的炭机械强度有所下降,吸附效率也会有所降低,多次重复再生后丧失吸附性能。

(2)生物再生法

利用微生物的新陈代谢,将吸附在活性炭上的污染物质氧化降解的方法称作生物再生法。活性炭的孔径一般只有几纳米,微生物很难进入其孔隙内部,通常微生物细胞酶可以流至细胞胞外,通过活性炭对酶的吸附,在炭表面形成酶促中心,分解污染物,达到再生的目的。生物法的投资和运行费用相对较低,但再生时间较长,水质和温度对再生效果的影响很大。同时,微生物处理污染物的选择性很强,且一般不能将所有的有机物彻底分解成CO2和H2O,其中间产物仍残留在微孔中,多次循环后再生效率会明显降低。

(3)湿式氧化再生法

湿式氧化再生法是指在高温高压的条件下,用氧气或空气作为氧化剂,将处于液相状态下吸附的有机物氧化分解成小分子物质的一种处理方法湿式氧化再生法操作比较简单、对吸附能力的影响小,炭损失率较低,通常适合处理毒性高,生物难降解的有机物。

以上均为传统再生方法,通常,传统的活性炭再生方法还有以下共同的不足:①活性炭损失较大;②再生后吸附能力会有明显下降;③再生时产生的尾气会造成二次污染。 随着科技发展,出现了一些新兴再生方法:

(4)微波辐射再生法

微波辐射再生法是采用热再生法的原理而逐渐发展起来的活性炭再生方法。活性炭所吸附的吸附质中大多数是强极性物质,它们比活性炭吸收微波的能力强,因此可以用热解吸的方法来再生。吸附的极性分子,由于微波辐射诱导而极化,相互碰撞、摩擦产生高热量,从而将微波能量转化为热能。被吸附的水和有机分子受热挥发和炭化,孔道重新打开,恢复吸附活性。同时,活性炭本身吸收微波而升温,因温度过高而燃烧,导致燃烧失去一部分炭,炭孔径扩大。 
微波再生方法的特点是加热时间短、再生效率高,同时因为加热过程中是进行选择性加热,能耗很低。然而,微波再生方法还不够成熟,很多重要问题需要亟待解决:①微波加热的机理研究不够深入,需要建立模型,获得更均匀的微波场;②微波发生器大多由家用微波炉改装,专业的微波再生加热装置亟待设计和开发。

(5)超临界流体再生法

超临界流体(SCF)的优点是密度大,溶解度大,传质速率高,扩散性能好,表面张力小。吸附的有机物非常容易溶于SCF溶剂。通过改变温度和压力,可以有效地将有机物与SCF分离,达到活性炭再生的目的。

  超临界流体(SFE)法再生活性炭中,最常用的超临界流体为超临界CO2。该法对吸附类型是化学吸附的有机物再生效率不高,同时对工艺的技术及设备材料的要求比较高,投资费用大。该方法的研究还大都处于实验室规模,离实现工业化还有一定差距。

(6)电化学再生法

电化学再生法是一种的新型活性炭再生方法,近几年研究非常活跃。在两电极之间,填充吸附饱和后的活性炭,同时加入一定的电解液,通入直流电场,活性炭在电场作用下极化,一端呈阳极,另一端呈阴极,形成微电解槽,分别发生还原反应和氧化反应,吸附在活性炭上的大部分污染物发生分解,小部分发生脱附。该方法操作简单、效率高、能耗低,处理对象相对广泛。
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