利用垃圾微波裂解固體產(chǎn)物制作活性炭

四川理工學(xué)院畢業(yè)論文中文摘要Ⅰ利用垃圾微波裂解固體產(chǎn)物制作活性炭的研究摘要垃圾微波裂解會產(chǎn)生大量的固體廢棄物，為了防止其二次污染，需要進(jìn)行固體資源化利用。本文先采用篩分的方法得到碳含量更高的固體粉末，經(jīng)酸洗、浮選進(jìn)一步提高碳含量，達(dá)到制備活性炭所需要碳含量的要求，再進(jìn)行水蒸氣活化，最終得到活性炭。實(shí)驗(yàn)中，各部分的碳含量要用X熒光衍射儀進(jìn)行測定，得到的活性炭要進(jìn)行碘吸附值、亞甲藍(lán)吸附值及比表面積的測定，得到的試驗(yàn)結(jié)論如下：采用200目的篩下粉，經(jīng)酸洗和浮選后可以達(dá)到制備活性炭所需要的碳含量，較適宜的酸洗工藝為采用30%的鹽酸，酸洗溫度為90℃，時(shí)間為20min；水蒸氣活化溫度為950℃，活化時(shí)間為5h，蒸汽流量0.5L/min。最終測定制備的活性炭碘吸附值為470mg/g，亞甲藍(lán)吸附值為47mg/g，比表面積值為830m2/g。關(guān)鍵詞：固體廢棄物，活性炭，碳含量，水蒸氣活化四川理工學(xué)院畢業(yè)論文英文摘要目錄TOC\o"1-4"\h\z\u摘要 1ABSTRACT II1緒論 11.1研究的目的和意義 11.1.1研究的目的 11.1.2研究的意義 11.2國內(nèi)外研究及現(xiàn)狀 21.3活性炭及其表征 31.3.1活性炭 31.3.2活性炭的種類 31.3.3活性炭的吸附原理 41.3.4活性炭的表征 52實(shí)驗(yàn)部分 62.1實(shí)驗(yàn)藥品與儀器 62.2工藝技術(shù)路線 82.2.1工藝路線圖 82.2.2活性炭制備工藝 9實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 9多級篩選 9酸洗水洗 9浮選 10水蒸氣活化 102.2.3檢測方法 122.2.4關(guān)鍵技術(shù)解決 123實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析 143.1多級篩選 143.2酸洗水洗 153.3影響氣體活化的因素 163.3.1活化劑對活化過程的影響 163.3.2活化溫度的影響 173.3.3活化時(shí)間的影響 183.3.4水蒸氣流量的影響 193.4小結(jié) 194結(jié)論 214.1結(jié)論 214.2本課題的創(chuàng)新之處 21參考文獻(xiàn) 22附錄 23附錄1：實(shí)驗(yàn)中的原始數(shù)據(jù) 23致謝 24四川理工學(xué)院畢業(yè)論文緒論1緒論活性炭是用多種原料經(jīng)炭化和活化過程制成的優(yōu)良的多孔性吸附材料，是由微晶炭和無定型炭構(gòu)成，含有數(shù)量不等的灰分。其最大特點(diǎn)是具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和大的比表面積（500～3000m2/g），吸附性能良好，廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、食品加工、交通能源、醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)、國防等領(lǐng)域，以及環(huán)境保護(hù)和人類生活等各個(gè)方面?；钚蕴渴呛谏勰┗蝾w粒狀的無定形碳?；钚蕴恐饕煞殖颂家酝膺€有氧、氫等元素?；钚蕴吭诮Y(jié)構(gòu)上由于微晶碳是不規(guī)則排列，在交叉連接之間有細(xì)孔，在活化時(shí)會產(chǎn)生碳組織缺陷，因此它是一種多孔碳，堆積密度低，比表面積大。1.1研究的目的和意義1.1.1研究的目的活性炭是一種用途很廣的吸附劑和催化劑，它是由一些含碳的原料經(jīng)過炭化和活化等加工過程生產(chǎn)出來的。其顏色為黑色，主要由碳元素構(gòu)成。具有高度發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的表面積，其表面上還含有(或在制備過程中產(chǎn)生的一些有機(jī)官能團(tuán)?；钚蕴烤哂邢鄬Ψ€(wěn)定的物理、化學(xué)性質(zhì)，它可以在不同溫度、酸堿度及多種溶劑中發(fā)揮它出色的吸附性能和催化性能。但由于制備成本較高的原因使其利用受到了限制，因此近年來國內(nèi)外活性炭制備研究的重點(diǎn)集中在如何利用價(jià)廉且含碳量較高的農(nóng)業(yè)廢棄物和廢棄輪胎等石油產(chǎn)品來制備，這樣在得到高比表面積的活性炭產(chǎn)品時(shí)也可以極大的降低成本。在所有的吸附劑中，活性炭是最常用的水處理用吸附劑，包括粒狀活性炭、粉狀活性炭和活性炭纖維等。采用活性炭可以有效去除廢水中的活性染料、堿性染料、偶氮染料:對于水溶性的染料，吸附速率快，脫色效果好，但由于易于飽和，不宜用于高濃度廢水處理;對于不溶性染料，由于它們的溶解度低，故吸附時(shí)間很長，活性炭對它們幾乎完全不能吸附或很少吸附。目前世界活性炭產(chǎn)量約70萬噸，其中50%一60%用于水處理。由于商用活性炭對許多染料都有較好的處理效果，因此它在染料廢水處理技術(shù)上占有重要的地位。1.1.2研究的意義隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，垃圾對環(huán)境的危害已逐步被人們所認(rèn)識，并已引起各國政府及有關(guān)部門的高度重視[1]。國內(nèi)外的許多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證明，采用科學(xué)方法處理可以實(shí)現(xiàn)垃圾的無害化與資源化，變廢為寶，在保護(hù)了環(huán)境的同時(shí)也回收了資源[2]。發(fā)達(dá)國家通常對城市生活垃圾進(jìn)行科學(xué)的分類管理，合理的管理機(jī)構(gòu)框架有利于實(shí)現(xiàn)垃圾從收集、清運(yùn)、處理到開發(fā)利用的規(guī)范化和程序化，可以將廢棄物按照用途進(jìn)行歸類，如分為紙張、橡膠、塑料、玻璃等，有效地回收利用，變廢為寶，既保護(hù)了環(huán)境，又創(chuàng)造了社會效益，同時(shí)也再創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)利益，減少了對廢棄物處理的費(fèi)用，使垃圾處理減量化。而本文主要是利用垃圾的裂解殘?jiān)M(jìn)行資源化利用，制備活性炭，其在實(shí)際生活中的應(yīng)用有相當(dāng)大的前景[3]?；钚蕴康挠猛荆?、空氣凈化2、污水處理場排氣吸附3、飲料水處理4、電廠水預(yù)處理5、廢水回收前處理6、生物法污水處理7、有毒廢水處理8、石化無堿脫硫醇9、溶劑回收10、化工催化劑載體11、濾毒罐12、黃金提取13、化工品儲存排氣凈化14、制糖、酒類、味精醫(yī)藥、食品精制、脫色15、乙烯脫鹽水填料16、汽車尾氣凈化17、PTA氧化裝置凈化氣體18、印刷油墨的除雜1.2國內(nèi)外研究及現(xiàn)狀垃圾處理處置已經(jīng)成為當(dāng)今世界的重大環(huán)境問題。為了適應(yīng)環(huán)境保護(hù)的要求，減小危害，需要采取適宜的技術(shù)來安全處理、運(yùn)輸、儲存、處置廢物。微波處理廢物就是一種適宜的方法，與其它的處理方法相比它具有以下優(yōu)點(diǎn)：污染物明顯減容；快速加熱；可達(dá)到高溫；選擇性加熱；促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)；適于污染物原位處理；對危險(xiǎn)物質(zhì)處理和固定使其達(dá)到法律規(guī)定的貯存、運(yùn)輸和處置標(biāo)準(zhǔn)；處理過程迅速，適應(yīng)性好，并可采用遠(yuǎn)程控制，易于控制[4]。垃圾微波裂解是近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)處理生活垃圾的新技術(shù)。它是將生活垃圾在隔絕空氣的條件下進(jìn)行加熱，使生活垃圾斷裂成為小分子的碳?xì)浠衔?。在裂化后生成炭黑類的渣，而生活垃圾中的硫、氯及重金屬等有害物質(zhì)都?xì)埩粼谶@些廢渣中。該裂化技術(shù)經(jīng)專家在現(xiàn)場考證后，認(rèn)為該技術(shù)符合國家對生活垃圾的資源化、減量化、無害化的要求。采用微波技術(shù)能用廢物制備活性炭[5]。活性炭發(fā)達(dá)的細(xì)孔結(jié)構(gòu)和超大的比表面積使得它具有極強(qiáng)的吸附性能，活性炭質(zhì)輕、對熱穩(wěn)定、力學(xué)性能好，還具有較強(qiáng)的耐酸和耐堿性能。鑒于活性炭的優(yōu)異特性，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，從用于食品和醫(yī)藥的脫色與除味、防毒面具，發(fā)展到大規(guī)模應(yīng)用于溶劑精制與回收、催化劑或催化劑載體、脫除原子能設(shè)施放出的放射性物質(zhì)、空氣凈化、煙氣脫硫、食品保鮮、醫(yī)藥制品、血液凈化等領(lǐng)域，近年來又在大容量電容器、天然氣貯存等領(lǐng)域得到新的應(yīng)用。尤其是近20年來，活性炭應(yīng)用于凈化給水、污水處理、凈化空氣并除去生產(chǎn)中排出的有害氣體，成為與人們生產(chǎn)和生活緊密相連不可缺少的物質(zhì)。目前世界活性炭年消費(fèi)量超過70萬噸，并以每年巧%的速度遞增。其中美國活性炭市場容量為22~25萬噸，需要從國外進(jìn)口約為20%，包括每年從中國進(jìn)口的大約2萬噸左右的活性炭。由于美國環(huán)保法律的嚴(yán)格實(shí)施，近年來用于環(huán)保的活性炭以平均25%的速度增長。因此，活性炭特別是高比表面積活性炭在工業(yè)上有著極大的發(fā)展前景[6]。四川理工學(xué)院畢業(yè)論文緒論1.3活性炭及其表征1.3.1活性炭活性炭是一種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(dá)、比表面積大、吸附能力強(qiáng)的一類微晶質(zhì)碳素材料?；钚蕴坎牧现杏写罅咳庋劭床灰姷奈⒖?，1克活性炭材料中微孔的總內(nèi)表面積可高達(dá)700~2300平方米，也就是說，在一個(gè)米粒大小的活性炭顆粒中，微孔的內(nèi)表面積相當(dāng)于一個(gè)大客廳內(nèi)墻面的大小[7]。正是這些微孔使得活性炭能“捕捉”各種有毒有害氣體和雜質(zhì)。一戰(zhàn)期間，德軍第一次運(yùn)用毒氣作戰(zhàn)，世界上第一批用活性炭做成的防毒面具也應(yīng)運(yùn)而生。隨著以“室內(nèi)空氣污染”為標(biāo)志的第三污染時(shí)期的到來，城市居民越來越向往和渴求純凈空氣，各種活性炭產(chǎn)品正在走進(jìn)千家萬戶[8]。1.3.2活性炭的種類由于原料來源、制造方法、外觀形狀和應(yīng)用場合不同，活性炭的種類很多，到目前為止尚無精確的統(tǒng)計(jì)材料，大約有上千個(gè)品種[9]。按原料來源分1.木質(zhì)活性炭2.獸骨、血炭3.礦物質(zhì)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.化學(xué)法活性炭（化學(xué)炭）2.物理法活性炭3.化學(xué)–物理法或物理–化學(xué)法活性炭按外觀形狀分1.粉狀活性炭2.顆粒活性炭3.不定型顆料活性炭4.圓柱形活性炭5.球形活性炭6.其它形狀的活性炭按孔徑分大孔半徑>20000nm過渡孔半徑150～20000nm 微孔半徑<150nm活性炭的表面積主要是由微孔提供的，1.3.3活性炭的吸附原理活性炭是一種很細(xì)小的炭粒有很大的表面積，而且炭粒中還有更細(xì)小的孔——毛細(xì)管[10]。這種毛細(xì)管具有很強(qiáng)的吸附能力，由于炭粒的表面積很大，所以能與氣體（雜質(zhì)）充分接觸。當(dāng)這些氣體（雜質(zhì)）碰到毛細(xì)管被吸附，起凈化作用?；钚蕴康谋砻娣e研究是非常重要的，活性炭的比表面積檢測數(shù)據(jù)只有采用BET[11]方法檢測出來的結(jié)果才是真實(shí)可靠的，國內(nèi)目前有很多儀器只能做直接對比法的檢測，現(xiàn)在國內(nèi)也被淘汰了。目前國內(nèi)外比表面積測試統(tǒng)一采用多點(diǎn)BET法，國內(nèi)外制定出來的比表面積測定標(biāo)準(zhǔn)都是以BET測試方法為基礎(chǔ)的，請參看我國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T7702.21-1997）-氣體吸附BET原理測定固態(tài)物質(zhì)比表面積的方法[12]。比表面積檢測其實(shí)是比較耗費(fèi)時(shí)間的工作，由于樣品吸附能力的不同，有些樣品的測試可能需要耗費(fèi)一整天的時(shí)間，如果測試過程沒有實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化，那測試人員就時(shí)刻都不能離開，并且要高度集中，觀察儀表盤，操控旋鈕，稍不留神就會導(dǎo)致測試過程的失敗，這會浪費(fèi)測試人員很多的寶貴時(shí)間。F-Sorb2400[13]比表面積測試儀是真正能夠?qū)崿F(xiàn)BET法檢測功能的儀器（兼?zhèn)渲苯訉Ρ确ǎ?，更重要的F-Sorb2400比表面積測試儀是迄今為止國內(nèi)唯一完全自動(dòng)化智能化的比表面積檢測設(shè)備，其測試結(jié)果與國際一致性很高，穩(wěn)定性也很好，同時(shí)減少人為誤差，提高測試結(jié)果精確性?；钚蕴繉Ω鳉怏w的吸附能力（單位：ml/cm3)[14]：H2、O2、N2、Cl2、CO24.5、35、11、494、971.3.4活性炭的表征比表面積的計(jì)算方法:BET方法是最經(jīng)典的方法。BET方程表達(dá)式為:n/nm=CP/(P0-P)[1+(C-1)(P/P0)]式中:n為吸附量；nm為飽和吸附量；P0為飽和蒸氣壓；尸為吸附壓力；C為常數(shù)。BET理論假定固體表面是均勻的，同一層分子之間沒有相互作用力，從第二層始的吸附類似于液化過程，將式進(jìn)行代數(shù)變換得:(P/P0)/n(1-P/P0)=1/nmC+(C-1)(P/P0)/nmC由(P/P0)/n(1-P/P0)對(P/P0)作圖，一般在0.05-0.35之間呈線性關(guān)系利用線性擬合的斜率和截距即可求出飽和吸附量nm，由飽和吸附量即可以比表面積S:S=6.023×1023nmσ式中:S為比表面積，σ為分子的橫截面積，77K時(shí)氮?dú)夥肿拥臋M截面積一般取16.2×10-20m2[15]BET方程只適用于吸附等溫線的一部分，適用范圍與吸附劑和吸附質(zhì)密切相關(guān)，一般來說，相對壓力P/P0<0.30，但有些吸附劑只適于P/P0<0.10[16]，超出此范圍會產(chǎn)生較大偏差。理想化假設(shè)是產(chǎn)生偏差的主要原因，BET方程主要存在以下不足:（1）假設(shè)同一吸附層分子間無相互作用，上下層分子間卻存在吸引力，這本身就是矛盾的，實(shí)際固體表面總是不均勻的，各點(diǎn)的吸附能力不同，最初的吸附總是發(fā)生在能量最有利的位置上，在孔隙內(nèi)形成單分子層不可能處處相同；（2）低壓下的強(qiáng)吸附不僅包括單分子層覆蓋還包括微孔的初步填充，在吸附劑表面不均勻情況下難以確定氮?dú)夥肿咏孛娣eσ[17]。四川理工學(xué)院畢業(yè)論文實(shí)驗(yàn)2實(shí)驗(yàn)2.1實(shí)驗(yàn)藥品與儀器裂解固體殘?jiān)?jīng)分選后得到原炭料和無機(jī)質(zhì)灰分,原炭料可制備活性炭，無機(jī)質(zhì)灰分可制備硅鈣板或填料。原炭料中碳含量較低，砂質(zhì)和無機(jī)雜質(zhì)含量高，并含有焦油等四川理工學(xué)院畢業(yè)論文實(shí)驗(yàn)有機(jī)油質(zhì)物，無碳素材料常見的黝黑光澤。試驗(yàn)原料見表2.1，試驗(yàn)主體設(shè)備見表2.2。表2.1試驗(yàn)原料序號試劑名規(guī)格廠家備注1柴油10#自貢市加油站捕捉劑2仲辛醇化學(xué)純天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心發(fā)泡劑3氫氧化鈉化學(xué)純重慶博藝化學(xué)試劑有限公司絮凝劑4鹽酸化學(xué)純重慶川東化工有限公司化學(xué)試劑廠酸洗5碘分析純成都市科龍化工試劑廠吸附檢測6碘化鉀分析純重慶川東化工有限公司化學(xué)試劑廠吸附檢測7可溶性淀粉分析純成都市科龍化工試劑廠吸附檢測8硫代硫酸鈉分析純重慶川東化工有限公司化學(xué)試劑廠吸附檢測9硫酸分析純成都金山化學(xué)試劑有限公司吸附檢測10重鉻酸鉀分析純重慶博藝化學(xué)試劑有限公司吸附檢測表2.2實(shí)驗(yàn)主體設(shè)備序號設(shè)備名稱型號廠家備注1標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩標(biāo)準(zhǔn)型浙江上虞市華豐五金儀器有限公司垃圾裂解后原炭料的篩選2振動(dòng)篩YSS-300北京燕山正德機(jī)械設(shè)備有限公司垃圾裂解后原炭料的篩選3電子秤ACS-15A上海友聲衡器有限公司垃圾裂解后原炭料的稱量4新型單槽浮選機(jī)XFD-1.5廈門程功礦業(yè)設(shè)備有限公司垃圾裂解后原炭料的篩選后的浮選集炭。5物理天平JYT-1上海醫(yī)用激光儀器廠灰分檢測稱量和藥劑的稱量6管式爐SK-2-10沈陽節(jié)能電爐廠活性炭的活化實(shí)驗(yàn)7箱式電阻爐SX2-4-10沈陽節(jié)能電爐廠灰分實(shí)驗(yàn)和空氣燜燒實(shí)驗(yàn)8箱式電阻爐SX2-4-10沈陽節(jié)能電爐廠灰分實(shí)驗(yàn)空氣燜燒實(shí)驗(yàn)9超聲波清洗器KQ50DE昆山市超聲儀器有限公司活性炭吸附值檢測的勻化10孔隙比表面積儀SSA420北京彼奧德電子有限公司活性炭比表面檢測2.2工藝技術(shù)路線2.2.1工藝路線圖裂解固體產(chǎn)物裂解固體產(chǎn)物粉磨粉磨旋風(fēng)分離旋風(fēng)分離易粉碎的細(xì)粉粒難磨粗顆粒易粉碎的細(xì)粉粒難磨粗顆粒磁性粉末磁分離密度分離磁性粉末磁分離密度分離硫化浮選分離煉鐵（飼料,磁性材料,鐵紅涂料）硫化浮選分離煉鐵（飼料,磁性材料,鐵紅涂料）高密分離物未（部分）裂解有機(jī)物高密分離物未（部分）裂解有機(jī)物磁分離微波裂解爐微粉粗重粉末水泥磁分離微波裂解爐微粉粗重粉末水泥粉磨鐵，煉鋼電分離粉磨鐵，煉鋼電分離油墨碳素材料油墨碳素材料活性碳橡膠填料提取碳微球高端碳素材料高碳含量的微粉硅鈣成分較多的微粉塑料填料旋風(fēng)分離旋風(fēng)分離其它金屬無機(jī)硅鈣磚其它金屬無機(jī)硅鈣磚圖2.1垃圾微波裂解固體產(chǎn)物資源化利用流程圖篩選篩選篩下物過濾水洗活化干燥成品檢測合格粗級浮選第二級精選第三級精選第一次精選（加堿對硅化物絮凝）垃圾初選的篩上物多級篩選多級篩選篩上物垃圾裂解后原炭料垃圾裂解后原炭料酸洗除可溶性酸洗鈣鋁、鐵混合物蒸汽管式爐活化蒸汽管式爐活化圖2.2活性炭制備的工藝流程圖2.2.2活性炭制備工藝實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備在進(jìn)行篩選前要在球墨機(jī)里進(jìn)行球墨5-10min，目的是為了將炭料在球磨機(jī)里連續(xù)不斷地被粉碎，得到的炭料粒徑更小，更易篩分。多級篩選原炭料稱量，用橡膠輥壓碎（橡膠輥可以壓碎炭粉團(tuán)塊，而不會將玻璃碎塊和金屬片、塊壓碎，保障篩選的過濾效率），再依次用40目、80目、120目、200目、260目及320目過篩。篩上物以及浮選沉淀物收集在一起，作為制作硅鈣板的原料。篩選后得到的碳含量為46%左右。酸洗水洗用鹽酸處理篩下物，質(zhì)量比為1：5，加熱到65℃~100℃，時(shí)間10~30min。然后將酸洗后的物料進(jìn)行水洗,抽濾3次，除去可溶性的鈣，鐵，鋁，鎂等單質(zhì)和化合物，碳含量提高到65%左右。浮選將酸洗、水洗后原炭料與水按1：10比例放入單槽浮選機(jī)中，1800r/min攪拌5min后，按順序依次添加10#柴油0.8g/Kg和仲辛醇0.1g/Kg。在葉片轉(zhuǎn)速1600r/min、空氣流量3L/min條件下進(jìn)行粗選，每次浮選都以無泡漂浮為標(biāo)準(zhǔn)。將粗選得到的泡沫按粗選條件在水中懸浮、添加仲辛醇為發(fā)泡劑進(jìn)行3次精選，并根據(jù)原料炭中硅的含量加入少許氫氧化鈉以絮凝、沉淀含硅化合物。精選結(jié)果發(fā)現(xiàn)溶液底層有明顯的灰白色絮狀沉積物，經(jīng)檢測主要為二氧化硅。在泡沫浮選結(jié)束后，將精選出的炭料準(zhǔn)備進(jìn)行蒸汽活化。水蒸氣活化水蒸氣活化又叫物理活化法，操作簡單，生產(chǎn)成本較低，是制備活性炭最常用的方法。即利用水蒸氣在高溫條件下與碳發(fā)生的氧化還原反應(yīng)侵蝕含碳化合物表面，使碳化物的孔結(jié)構(gòu)更加發(fā)達(dá)，達(dá)到造孔活化的目的?；罨^程分為五步：第一步，氣相的活化劑向碳化料表面擴(kuò)散；第二部，活化劑由顆粒表面通過孔隙向內(nèi)部擴(kuò)散；第三步，活化劑與碳發(fā)生反應(yīng)生成氣體；第四步，反應(yīng)生成的氣體從內(nèi)部向顆粒表面擴(kuò)散；第五步，反應(yīng)生成的氣體不斷從表面擴(kuò)散到氣相空間?；罨俣葲Q定于氣體擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)最慢的那個(gè)階段?；罨仨毐M可能的使顆粒內(nèi)部氣體濃度一致，使活化均勻進(jìn)行。氣體活化反應(yīng)的本質(zhì)是碳的氧化，這種氧化僅發(fā)生在“活性點(diǎn)”上，即與活性劑親和力較大的部位才發(fā)生反應(yīng)，如微晶邊角和有缺陷位置的碳原子上?；罨磻?yīng)在活性炭細(xì)孔形成中有三個(gè)作用：（1）開孔作用。炭化時(shí)形成的空隙由于被焦油和其他分解生成的無定形炭所堵塞，造成閉孔，使被吸附分子無法進(jìn)入空隙，無法產(chǎn)生吸附性。活化時(shí)這些焦油和無定形炭與氣體活化劑反應(yīng)而除去。使閉孔打開，比表面積增大。（2）擴(kuò)孔作用?？障侗砻娌糠痔荚优c活化劑反應(yīng)生成二氧化鈦或一氧化碳而排出，是原有空隙增大甚至孔與孔之間由于燒蝕而連通起來形成通道，有利于氣體活化劑向內(nèi)部擴(kuò)散。（3）造孔作用。部分位置由于與活化劑反應(yīng)而形成新的空隙。以上三個(gè)作用形成活性炭發(fā)達(dá)的細(xì)孔結(jié)構(gòu)，空隙率和比表面都增加?；罨磻?yīng)為碳與水蒸氣的反應(yīng)：水蒸氣過量時(shí)：反應(yīng)機(jī)理如下：括號表示化合物與炭表面相結(jié)合，處于可能的吸附狀態(tài)。由于產(chǎn)生的氫可能結(jié)合在在活性點(diǎn)上，發(fā)生從而抑制了碳和水蒸氣的反應(yīng)。所以可以用下式表示炭被水蒸氣和氫的混合物氣化時(shí)的速度：其中：PH2，PH2O—?dú)浜退魵獾姆謮?，Pa；K1，K2，K3—為實(shí)驗(yàn)測得的關(guān)于溫度函數(shù)的常數(shù)圖2.3活化裝置圖水蒸氣活化一般在950℃進(jìn)行，活化裝置見圖2.3。將精選后的炭料用垃圾微波裂解產(chǎn)生的焦油進(jìn)行炭料捏合成直徑為5mm料條放入坩堝舟并送入改造后的石英管爐膛中，通入一定流量的水蒸氣和氮?dú)?，氮?dú)庹{(diào)節(jié)燒蝕度。升溫活化，活化溫度700℃～1000℃。2.2.3檢測方法碳含量的檢測是用X熒光衍射儀測定的。要檢測出其中的元素的含量，再通過計(jì)算得出其高價(jià)氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，最后用100減去這些高價(jià)氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和得到的就為活性炭的碳含量。碘吸附值的測定：GB/T7702.7-2008煤質(zhì)顆?；钚蕴吭囼?yàn)方法方法提要：在規(guī)定條件下，定量的試樣與碘液充分振蕩吸附后，用滴定法測定溶液殘留碘量，求出每克試樣吸附碘的毫克數(shù)，測定三個(gè)等溫吸附點(diǎn)，繪制吸附等溫線，取剩余碘濃度[c(1/2I2)=0.02mol/L]下每克試樣吸附的碘量表示。碘吸附量：E=X/m；其中：E—碘吸附值，mg/g；X—吸附碘量，mg；m—試樣試樣劑量，g.亞甲藍(lán)吸附值的測定：GB/T7702.6-2008煤質(zhì)顆?；钚蕴吭囼?yàn)方法方法提要：試樣與亞甲藍(lán)溶液混合充分吸收，測定其溶液濃度的變化，計(jì)算亞甲藍(lán)吸附量。亞甲藍(lán)吸附值：Ay=cV/m；其中：Ay—亞甲藍(lán)吸附值，mg/g；c—亞甲藍(lán)溶液的濃度，mg/mL；V—測定試樣所耗用的亞甲藍(lán)溶液體積，mL；m—試樣質(zhì)量，g.比表面積的測定：GB/T7702.21-1997煤質(zhì)顆?；钚蕴吭囼?yàn)方法方法提要：對預(yù)先經(jīng)真空脫氣處理的活性炭試樣，在-1960C下吸附氧氣，利用BET方程（二常數(shù)公式），根據(jù)單分子層吸附量及吸附質(zhì)分子截面積，計(jì)算活性炭試樣的比表面積。比表面積：S=4.353Vm/m其中S—活性炭比表面積，m2/g；Vm—單分子層吸附量，cm2；m—試樣質(zhì)量，g.2.2.4關(guān)鍵技術(shù)解決活性炭制備的工藝關(guān)鍵技術(shù)有以下兩點(diǎn)：（1）原料要求炭含量超過70%以上，才能制備出具備大孔活性炭。生產(chǎn)具備過渡孔、細(xì)孔的活性炭，要求碳含量在80%以上。如何提高原炭料的含碳量是用裂解固體殘余物制備活性炭的關(guān)鍵所在。固體殘余物含碳量在40%左右，其余為金屬、泥沙以及玻璃渣，成份比較復(fù)雜，需要分選進(jìn)一步提高碳含量后才能應(yīng)用于活化制備活性炭。篩選后的原料炭含量達(dá)到45%—60%之間，其中200目篩選后的效果最好，碳含量達(dá)到60%。篩選后物料酸洗水洗后除去可溶性鹽，最后用浮選法分離。利用炭與灰分顆粒表面疏水性與親水性的差別，將炭與非炭顆粒分離。篩選原炭料篩選原炭料篩上物篩下物攪拌桶浮選機(jī)高炭料底料灰粉料砂石料建材填料捕獲劑發(fā)泡劑圖2.4浮選法選炭工藝圖浮選法選炭工藝流程見圖2.4。捕收劑為煤油或柴油，起泡劑為仲辛醇。原炭中炭粒的表面潤濕性和可浮性與煤炭相近，其接觸角在60°左右，而原炭中其它顆粒的接觸角較小，只有10°左右，在泡沫浮選過程中，由于炭粒接觸角較大，它能粘附于氣泡表面上浮，而粉煤灰等雜質(zhì)顆粒接觸角較小，不能粘附于氣泡表面而留在底料中，在浮選藥劑的作用下，炭粒與其它顆粒有效分離。在浮選時(shí)，由于硅炭兩種元素為同族元素，物化方面很多性質(zhì)相似，而且原炭料里的二氧化硅、硅酸鹽等含硅化合物跟原炭料中的碳粒粒徑相差不大，互相混合產(chǎn)生吸附抱團(tuán)，過篩和酸洗很難將其分離。浮選時(shí)，加入少量氫氧化鈉沉淀與碳粒吸附抱團(tuán)的含硅化合物，在溶液底層沉積有明顯灰白色絮狀的沉積物，達(dá)到分離目的，可得到含碳量達(dá)到75%左右的炭料。（2）用改進(jìn)的管式爐對炭料進(jìn)行水蒸氣活化。對爐進(jìn)行改造，用一根長于爐膛15cm的石英管做為活化爐膛，并對外伸的管道進(jìn)行保溫處理，避免水蒸氣凝結(jié)倒流。用兩個(gè)坩堝舟錯(cuò)位蓋住浸濕的炭料，放入爐膛活化，盡量減少氧氣量。該工藝活化后活性炭吸碘值達(dá)到450左右。四川理工學(xué)院畢業(yè)論文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析3.1篩分粒徑以及酸洗對碳含量的影響實(shí)驗(yàn)先采用不同目數(shù)的篩子進(jìn)行篩分，研究粒度分級對固體殘?jiān)刑亢康挠绊?。得到篩下質(zhì)量分布如圖3.1。不同篩分粒徑下固體粉末產(chǎn)物中的碳含量以及酸洗后的碳含量如圖3.2。從圖3.2可以看出，粒徑越小的粉末，其碳含量也越高。這是因?yàn)槔⒉呀饩哂械蜏乜焖俚奶攸c(diǎn)，裂解后得到的碳不易結(jié)塊，易于粉末，在較短的粉末時(shí)間下（實(shí)驗(yàn)采用的是球磨時(shí)間為5~10min），都可以獲得具有更高分散性和表面積的碳素粉末，而垃圾中帶來的粘土、石沙、玻璃以及金屬殘?jiān)?，在較短球磨時(shí)間下，粒經(jīng)變化較小。所以分離粒徑越細(xì)，得到的固體粉末含炭量就越高。但從圖3.1又可以看出，隨著分離粒徑的減少，最終得到的粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)也在不斷地減少。選用200目的篩下粉末，酸洗后的碳含量可以達(dá)到65.13，然后經(jīng)過后續(xù)處理可以達(dá)到制作活性碳的碳含量至少達(dá)到75%以上的要求，所以考慮到固體廢物的充分利用，制作活性碳采用200目的篩下粉末較為合適。圖3.1各級篩子得到的炭料剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）圖3.2不同級數(shù)篩子篩選后及酸洗后的碳含量（%）3.2酸洗參數(shù)對碳含量的影響本實(shí)驗(yàn)采用鹽酸作為酸洗劑，實(shí)驗(yàn)中考慮到鹽酸的濃度，加熱溫度以及加熱時(shí)間的不同，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響也不相同。為了研究的方便，本文采用單一數(shù)據(jù)研究方法，先固定加熱溫度（本實(shí)驗(yàn)固定為85℃）和加熱時(shí)間（本實(shí)驗(yàn)固定為20min），根據(jù)鹽酸的濃度不同，進(jìn)行一組實(shí)驗(yàn)，得到在不同鹽酸濃度下酸洗得到的碳含量如圖3.3。采用同樣的方法，再根據(jù)3.3得到的最佳鹽酸濃度，固定加熱時(shí)間，由于加熱溫度的不同，進(jìn)行一組實(shí)驗(yàn)，得到在不同加熱溫度下得到的碳含量如圖3.4。最后根據(jù)3.4得到的最佳加熱溫度，由于加熱時(shí)間的不同，進(jìn)行一組實(shí)驗(yàn)，得到在不同加熱時(shí)間下得到的含碳量如圖3.5。圖3.3不同鹽酸濃度下酸洗得到的碳含量（%）圖3.4不同加熱溫度下得到的碳含量（%）圖3.5不同加熱時(shí)間下得到的含碳量（%）由圖3.3、3.4、3.5得到可以觀察，在其余條件相同的條件下，選擇實(shí)驗(yàn)參數(shù)應(yīng)考慮實(shí)驗(yàn)的可操作性及最優(yōu)性，在鹽酸濃度、加熱溫度、加熱時(shí)間繼續(xù)升高，而對碳含量沒有多大的影響。則根據(jù)圖中可以選擇實(shí)驗(yàn)中鹽酸濃度為30%左右，加熱溫度為90℃～95℃,加熱時(shí)間為18～25min時(shí)得到的碳含量達(dá)到最佳，且條件最合理。3.3影響氣體活化的因素3.3.1活化劑對活化過程的影響各種活化劑與碳的反應(yīng)速度不同。若以二氧化碳法活化反應(yīng)速度定為1，則水蒸氣活化速度為3，空氣中氧的活化為1×105?？諝庋趸ǖ臒g度大，不易控制，活化后的吸附效果以水蒸氣活化最好，調(diào)節(jié)蒸汽流量能很好的控制好燒蝕度和炭活化得率，見圖3.6。蒸汽流量在0.85L/min左右時(shí)活化得率最佳。此時(shí)制得的活性炭主要為中孔和部分微孔的結(jié)構(gòu)。圖3.6蒸汽流量（L/min）與炭活化得率（%）的關(guān)系3.3.2活化溫度的影響碳和氣體的反應(yīng)速度隨溫度升高而加快。隨著活化溫度的升高，反應(yīng)活性呈直線上升，所以要在較高溫度下活化。但活化溫度過高會使活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，微孔減少，吸附下降，同時(shí)燒蝕增加，收率降低?；罨瘻囟葢?yīng)根據(jù)炭化料的性質(zhì)、產(chǎn)品用途和活化方式來決定。通常，以水蒸氣活化溫度為850～950℃，煙道氣活化為900～950℃，空氣活化為600℃左右。試驗(yàn)采取950℃水蒸氣活化。由圖3.7可看出950℃下活化，活性炭吸碘值和比表面都達(dá)到最大值。圖3.7不同活化溫度對吸碘值和比表面積的影響3.3.3活化時(shí)間的影響活化時(shí)間對碘吸附值和亞甲基藍(lán)值的影響見圖3.8?；罨^程可以看成兩個(gè)階段：第一階段，燒蝕率小于10%時(shí)，焦油和不定型炭選擇性的燒蝕，閉塞孔隙打開，比表面提高；第二階段，隨活化過程繼續(xù)進(jìn)行，微晶炭燒蝕，細(xì)孔擴(kuò)大微孔合并，比表面增速下降，繼續(xù)長時(shí)間活化會使活性炭相關(guān)性能指標(biāo)下降?；罨瘯r(shí)間在5h時(shí)，各吸附值達(dá)到最佳值。圖3.8活化時(shí)間對碘吸附值和亞甲基藍(lán)值的影響3.3.4水蒸氣流量的影響水蒸汽流量增大，活化速率快。流速小，活性炭微孔容積大，碘吸附值會下降，見圖3.9。蒸汽流量在0.4L/min時(shí)碘吸附值最高，試驗(yàn)兼顧活性炭收率和吸附性能，選擇水蒸汽流量0.5L/min。圖3.9蒸汽流量對碘吸附值的影響根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)選最佳的活化工藝參數(shù)為：水蒸汽950℃活化5h，蒸汽流量0.5L/min。該工藝下制備的活性炭性能檢測指標(biāo)見表3.1：表3.1活性炭性能檢測指標(biāo)指標(biāo)檢測方法檢測結(jié)果吸碘值GB/T7702.7—2008470mg/g亞甲基藍(lán)值GB/T7702.6—200847mg/g比表面積GB/T7702.21—1997830m2/g3.4小結(jié)（1）、原炭料提純垃圾微波裂解后的固體殘余物大約含47%左右的碳，其余為金屬、泥沙以及玻璃渣。其中硅元素大約為4%，鈣元素為10%，鐵元素在3%左右。200目篩篩選后含碳量能夠達(dá)到45%～47%，目數(shù)過大容易漏掉細(xì)碳粉球/碳粉混合物，目數(shù)過小會損失碳成份。原炭料進(jìn)行酸洗、水洗后碳含量達(dá)到65%。最后再通過浮選法對炭料進(jìn)行精選，捕收劑為煤油或柴油，起泡劑為仲辛醇，浮選后炭料含碳量達(dá)到75%。（2）、活性炭制備最佳工藝參數(shù)在管式爐中通入水蒸汽對炭料進(jìn)行活化處理。最佳水蒸氣活化工藝參數(shù)：水蒸汽950℃活化5h，蒸汽流量0.5L/min。四川理工學(xué)院畢業(yè)論文結(jié)論4結(jié)論4.1結(jié)論本文主要是以垃圾微波裂解后的殘?jiān)鳛樵牧线M(jìn)行資源化利用制備活性炭的實(shí)驗(yàn)過程。通過對原材料的多級篩選、酸洗、水洗及浮選等操作以提高原材料的碳含量。然后再950℃下進(jìn)行水蒸氣活化，得到活性炭。實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：（1）選擇在200目的篩子下篩分得到的粉末制備活性碳。（2）通過實(shí)驗(yàn)確定酸洗過程中所用的鹽酸濃度為30%，加熱溫度為90℃～95℃,加熱時(shí)間為18～25min。（3）最佳活化溫度為950℃水蒸氣活化，活化時(shí)間為5h。（4）水蒸汽流量在0.4L/min時(shí)碘吸附值達(dá)到最高，但試驗(yàn)兼顧活性炭收率和吸附性能，選擇水蒸汽流量0.5L/min是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（5）制備的活性炭最終比表面積達(dá)到了830m2/g，碘吸附值為470mg/g，亞甲基藍(lán)值為47mg/g。4.2本課題的創(chuàng)新之處（1）本文以城市固體有機(jī)廢棄物作為制備活性炭原料，開展了活性炭性能的研究，但由于城市垃圾成分的多樣性，應(yīng)進(jìn)一步利用其它城市固體有機(jī)廢棄物的其它組分進(jìn)行熱解，開展這些熱解物制備活性炭研究，考察其相關(guān)組分變化對活性炭吸附性能、孔結(jié)構(gòu)的影響，以進(jìn)一步擴(kuò)大城市固體有機(jī)廢棄物制備活性炭原料。（2）垃圾的微波裂解不止可以制備活性炭，還可以制備硅鈣板等。（3）對于垃圾資源化利用的研究不會僅此于此，還有待于進(jìn)一步的發(fā)展。四川理工學(xué)院畢業(yè)論文參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]閏慶松．城市垃圾產(chǎn)生量的預(yù)測方法[J]．山東環(huán)境，1994，6：39．[2]陳海濱，陶華，等．我國城市垃圾處理現(xiàn)狀研究[J]．武漢城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，14(3)：40—44．[3]王中民．城市垃圾處理與處置[M]．北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，1992．[4]韓雷，池涌，溫俊明，吳旺明，倪明江，岑可法．城市固體廢棄物典型組分的快速熱分解產(chǎn)氣特性研究[J]．能源與環(huán)境，2004，6：1—5．[5]北京市環(huán)境衛(wèi)生科學(xué)研究所編著，固體廢棄物的處理與處置[M]．北京高等教育出版社，1993．[6]聶永豐主編，三廢處理工程技術(shù)手冊(固體廢物卷)[M]．北京化學(xué)工業(yè)出版社，2000．[7]國家統(tǒng)計(jì)局，中國統(tǒng)計(jì)年鑒(2000年)[M]．北京:中國統(tǒng)計(jì)出版社，2001．[8]趙由才，朱青山．城市生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)與管理手冊[M]．北京化學(xué)工業(yè)出版社，1999·[9]陳世和，張所明．城市垃圾堆肥原理與工藝[M]．上海復(fù)旦大學(xué)出版社，199