活性炭活化原理

1、精選文檔活性炭的活化機理及應(yīng)用 材研1407 朱明 2014200483活性炭是一種格外優(yōu)良的吸附劑，它是利用植物原料(木屑、木炭、果殼、果核)、煤和其它含碳工業(yè)廢料作原料，通過物理和化學(xué)方法對原料進行裂開、過篩、催化劑活化、漂洗、烘干和篩選等一系列工序加工制造而成。依據(jù)活化介質(zhì)的不同，活性炭活化方法分為物理活化法、化學(xué)活化法和物理化學(xué)復(fù)合活化法。物理活化水蒸汽、二氧化碳、空氣或它們的混合氣體對環(huán)境污染小，因其依靠氧化碳原子形成孔隙結(jié)構(gòu)，活化溫度較高且活性炭得率低?；瘜W(xué)活化法活性炭得率較高，孔隙發(fā)達，吸附性能好。但此法對設(shè)備腐蝕性大，環(huán)境污染嚴峻。熱解能量循環(huán)利用困難。而且活性炭中殘留化學(xué)藥品

2、在應(yīng)用方面受到限制。一 活性炭的活化機理1. 物理活化法物理活化法一般分兩步進行，先將原料在500 左右炭化，再用水蒸汽或CO2 等氣體在高溫下進行活化。高溫下，水蒸汽及二氧化碳都是溫存的氧化劑，碳材料內(nèi)部C原子與活化劑結(jié)合并以CO+H 2或CO的形式逸出，形成孔隙結(jié)構(gòu)。物理活化法所需的活化溫度一般較化學(xué)活化法高，而且活化所需的時間也更長，因此耗能比較大，成本高。盡管有這些缺點，物理活化法在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用仍舊格外廣泛，緣由在于其制得的活性炭無需過多的后處理步驟，不像化學(xué)活化法制得的活性炭需要除去殘留的活化劑。將炭化材料在高溫下用水蒸氣、二氧化碳或空氣等氧化性氣體與炭材料發(fā)生反應(yīng)，使炭材料中無

3、序炭部分氧化刻蝕成孔，在材料內(nèi)部形成發(fā)達的微孔結(jié)構(gòu)。炭化溫度一般在600，活化溫度一般在800900。其主要化學(xué)反應(yīng)式如下：C+2H2O 2H2+CO2 H=18kcal C+H2O H2+CO H=31kcal CO2+C 2CO H=41kcal 上述三個化學(xué)反應(yīng)均是吸熱反應(yīng)，即隨著活化反應(yīng)的進行，活化爐的活化反應(yīng)區(qū)域溫度將逐步下降，假如活化區(qū)域的溫度低于800，上述活化反應(yīng)就不能正常進行，所以在活化爐的活化反應(yīng)區(qū)域需要同時通入部分空氣與活化產(chǎn)生的煤氣燃燒補充熱量，或通過補充外加熱源，以保證活化爐活化反應(yīng)區(qū)域的活化溫度。活化反應(yīng)屬于氣固相系統(tǒng)的多相反應(yīng)，活化過程中包括物理和化學(xué)兩個過程，整

4、個過程包括氣相中的活化劑向炭化料外表面的集中、活化劑向炭化料內(nèi)表面的集中、活化劑被炭化料內(nèi)外表面所吸附、炭化料表面發(fā)生氣化反應(yīng)生成中間產(chǎn)物（表面絡(luò)合物）、中間產(chǎn)物分解成反應(yīng)產(chǎn)物、反應(yīng)產(chǎn)物脫附、脫附下來的反應(yīng)產(chǎn)物由炭化料內(nèi)表面對外表面集中等過活化反應(yīng)通過以下三個階段最終達到活化造孔的目的。第一階段是炭化時形成的但卻被無序的碳原子及雜原子所堵塞的孔隙的打開，即高溫下，活化氣體首先與無序碳原子及雜原子發(fā)生反應(yīng)。其次階段是打開的孔隙不斷擴大、貫穿及向縱深進展，孔隙邊緣的碳原子由于具有不飽和結(jié)構(gòu)，易于與活化氣體發(fā)生反應(yīng)，從而造成孔隙的不斷擴大和向縱深進展。第三階段是新孔隙的形成，隨著活化反應(yīng)的不斷進行，

5、新的不飽和碳原子或活性點則暴露于微晶表面，于是這些新的活性點又能同活化氣體的其它分子進行反應(yīng)，微晶表面的這種不均勻的燃燒就不斷地導(dǎo)致新孔隙的形成。2. 化學(xué)活化法化學(xué)活化法是通過將化學(xué)試劑嵌入炭顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)，經(jīng)受一系列的交聯(lián)縮聚反應(yīng)形成微孔?；瘜W(xué)活化可一步進行，即直接升溫到 700左右進行活化。在活化前，先將活化劑水溶液與原料以肯定比例浸漬一段時間，烘干后再放入惰性氣氛中升溫進行活化。活化劑與原料的浸漬比是影響活性炭性能的一個重要因素，因此可以通過把握浸漬比以及不同的活化溫度來制備所需的活性炭。化學(xué)活化法制得的活性炭產(chǎn)率高，而且其孔隙結(jié)構(gòu)比物理活化法更加發(fā)達。按活化劑不同分ZnCl2法、KOH

6、法、H3PO4法.相對于物理活化，化學(xué)活化有以下優(yōu)點：化學(xué)活化需要較低的溫度，活化產(chǎn)率高，通過選擇合適的活化劑把握反應(yīng)條件可制得高比表面積活性炭.但化學(xué)活化對設(shè)備腐蝕性大，污染環(huán)境，其制得的活性炭中殘留化學(xué)藥品活化劑，應(yīng)用受到限制.以 KOH作為活化劑為例， 原料裂開與KOH混合低溫脫水(200500)高溫活化(600800)酸洗熱水洗蒸餾水洗干燥產(chǎn)品在300600時主要發(fā)生分子交聯(lián)或縮聚反應(yīng)，該階段除一些非碳元素揮發(fā)出來外，焦油類物質(zhì)的揮發(fā)是失重的主要緣由。KOH的加入，抑制了焦油的生成，提高了反應(yīng)收率。同時，KOH的加入，使得活化反應(yīng)的實際溫度降低了大約100，即在540左右就可反應(yīng)。在此

7、溫度下，KOH的加入也加快了非碳原子N、H等的脫除，KOH活化反應(yīng)成孔機理就是通過KOH與原料中的碳反應(yīng)，把其中的部分碳刻蝕掉，經(jīng)過洗滌把生成的鹽及多余的KOH洗去 ，在被刻蝕的位置消滅了孔。這一過程主要發(fā)生以下反應(yīng)：4KOH+CH2一 K2CO3+K2O+3H2 K2CO3+2C 2K+3COK2O+C 2K+CO 2KOH K2O+H2OC+H2O H2+CO CO+H20 H2+C02K2O+CO2 K2CO3 K2O+H2 2K+H2OK2O+C 2K+CO 在KOH活化法制備活性炭時，活化后的洗滌是關(guān)鍵。未洗時，產(chǎn)品的孔很少。先后經(jīng)過酸洗、熱水洗、蒸餾水洗，把產(chǎn)品中的非本體物質(zhì)洗去，

8、它們原來占據(jù)的空間就形成了孔.因此，盡管洗滌比較麻煩，但肯定要反復(fù)洗滌，直到洗潔凈為止。 二 活性炭的應(yīng)用活性炭廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個方面，如石化行業(yè)的無堿脫臭（精制脫硫醇）、乙烯脫鹽水（精制填料）、催化劑載體（鈀、鉑、銠等）、水凈化及污水處理；電力行業(yè)的電廠水質(zhì)處理及愛護；化工行業(yè)的化工催化劑及載體、氣體凈化、溶劑回收及油脂等的脫色、精制；食品德業(yè)的飲料、酒類、味精母液及食品的精制、脫色；黃金行業(yè)的黃金提取、尾液回收；環(huán)保行業(yè)的污水處理、廢氣及有害氣體的治理、氣體凈化；以及相關(guān)行業(yè)的香煙濾嘴、木地板防潮、吸味、汽車汽油蒸發(fā)污染把握，各種浸漬劑液的制備等。活性炭在將來將會有極好的進展前景和

9、寬敞的銷售市場。1.活性炭在氣相上的應(yīng)用空氣凈化活性炭空氣凈化活性炭，選用優(yōu)質(zhì)的木材或椰子殼，通過深度活化和獨特的孔徑調(diào)整工藝，使活性炭有豐富的孔，且孔的大小略大于有毒氣體，比表面積>1300平方米/克，對于苯，甲醛，氨氣等有毒有害氣體具有高效能吸附力量，可有效去除室內(nèi)空氣中的氣態(tài)污染物及有害惡臭物質(zhì)，進而達到降低污染、凈化空氣的目的。工業(yè)上用于：各種作業(yè)場所的除臭去毒及空調(diào)過濾網(wǎng)，空氣凈化機，中心空調(diào)過濾系統(tǒng)，空氣過濾器，空氣凈化器，汽車濾清器等。其原理是：（1）自身獨特的孔隙結(jié)構(gòu) 活性炭是一種主要由含碳材料制成的外觀呈黑色，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、比表面積大、吸附力量強的一類微晶質(zhì)碳素材料

10、。活性炭材料中有大量肉眼看不見的微孔，1克活性炭材料中微孔，將其開放后表面積可高達8003000平方米，特殊用途的更高。也就是說，在一個米粒大小的活性炭顆粒中，微孔的內(nèi)表面積可能相當(dāng)于一個客廳面積的大小。正是這些高度發(fā)達，如人體毛細血管般的孔隙結(jié)構(gòu)，使活性炭擁有了優(yōu)良的吸附性能。（2）分子之間相互作用力 也叫“范德華引力”。 雖然分子運動速度受溫度和材質(zhì)等緣由的影響，但它在微環(huán)境下始終是不停運動的。由于分子之間擁有相互吸引的作用力，當(dāng)一個分子被活性炭內(nèi)孔捕獲進入到活性炭內(nèi)孔隙中后，由于分子之間相互吸引的緣由，會導(dǎo)致更多的分子不斷被吸引，直到添滿活性炭內(nèi)孔隙為止?；钚蕴课接泻ξ镔|(zhì)的特性 活性炭

11、為物理吸附原理，在作用過程中，依靠空氣作為媒介，因此被界定為被動空氣凈化材料。2.活性炭在液相上的應(yīng)用廢水中的一些有機物是難于為微生物或一般氧化法所氧化分解的，如酚、苯、石油及其產(chǎn)品、殺蟲劑、洗滌劑、合成染料、胺類化合物以及很多人工合成有機物，經(jīng)生化處理后很難達到對排放要求較高的水體中排放的標準，也嚴峻影響廢水的回用，因此需要深度處理。 由于活性炭對有機物的吸附力量大，在廢水深度處理中得到廣泛的應(yīng)用，具有以下優(yōu)點： 處理程度高，城市污水用活性炭進行深度處理后， 生化需氧量BOD可降低99%，總有機碳量TOC可降到13mg/L。 應(yīng)用范圍廣，對廢水中絕大多數(shù)有機物都有效，包括微生物難于降解的有機物。 適應(yīng)性強，對水量及有機物負荷的變動有較強的適應(yīng)性能，可得到穩(wěn)定的處理效果。 粒狀炭可進行再生重復(fù)使用，被吸附的有機物在再生過程中被燒掉，不產(chǎn)生污泥。 可回收有用物質(zhì)，例如用活性炭處理含酚廢水，用堿再生吸附飽和的活性炭，可以回收酚鈉鹽。 設(shè)備緊湊 、管理便利。 3.活性炭在催化上的應(yīng)用（1）制造過氧化氫 用活性炭掩蓋的多孔管作陰極，使從陰極上放出的氫同壓入的氧作用生成過氧化氫。 （2）使硫化氫轉(zhuǎn)化為元素硫 活性炭能吸附硫化氫并使氧化成元素硫，以除去氣體中的硫化氫。 （3）活性炭催化均四氯乙烷