活性炭化學(xué)組成

活性炭化學(xué)組成元素組成活性炭吸附特性不僅和它的孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與它的化學(xué)組成也有密切關(guān)系。活性炭所含主要元素是碳，一般含量在90%-95%左右。氧和氫大部分是以化學(xué)鍵和碳原子相結(jié)合形成有機(jī)官能團(tuán)，氧含量為4%-5%，氫含量在1%-2%左右?；钚蕴康谋砻婀倌軋F(tuán)在制備活性炭的活化反應(yīng)中，微孔進(jìn)一步擴(kuò)大形成了許多大小不同的孔隙，孔隙表面一部分被燒掉，化學(xué)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了缺陷或不完整，此外由于灰分及其他雜原子的存在，使活性炭的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷和不飽和鍵，使氧和其他雜原子吸附于這些缺陷上與層面和邊緣上的碳反應(yīng)形成的各種鍵，以至形成各種表面功能基團(tuán)，因而使活性炭產(chǎn)生了各種各樣的吸附性能。活性炭的表面官能團(tuán)對活性炭的吸附性質(zhì)產(chǎn)生重要影響的化學(xué)基團(tuán)主要是含氧官能團(tuán)和含氮官能團(tuán)。

Boehm等又把活性炭的表面官能團(tuán)分成三組：酸性、堿性和中性。酸基團(tuán)為羧基（－COOH）、羥基（-OH）和羰基（-C＝O）；堿性基團(tuán)為-CH2或-CHR基；-CH2或-CHR基能與強(qiáng)酸和氧反應(yīng)；中性基團(tuán)為醌型羰基。活性炭表面的含氧官能團(tuán)

活性炭表面的含氮官能團(tuán)

Boehm滴定法采用Boehm滴定法，可以對活性炭的表面含氧官能團(tuán)進(jìn)行定量分析。一般認(rèn)為NaHCO3僅中和炭表面的羧基，Na2CO3可中和炭表面的羧基和內(nèi)酯基，而NaOH可中和炭表面的羧基、內(nèi)酯基和酚羥基。根據(jù)堿的消耗量的不同，可以計算出相應(yīng)官能團(tuán)的量。澤塔電位在體系外部加上電場時，帶電的固體顆粒便向著與其電荷相反的電極方向移動(電泳)。此時，在雙電層上形成了從顆粒表面開始的一至幾個分子層的固定層，固定在表面上并與顆粒一起移動。處于其外側(cè)的液體稱作移動層，不固定在顆粒的表面上而停留在原處。該面定層與移動層的境界面稱作滑動面；此滑動面勺遠(yuǎn)離顆粒表面的均勻的溶液本體之間的電位差，便是澤塔電位(ζ電位)。固體表面的雙電層與澤塔電位X射線光電子能譜XPS（X-rayphotoelectronspectroscopy)

是一種有效的檢測表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析手段。光電效應(yīng)價電子、內(nèi)層電子結(jié)合能高能X射線原子光電子(逃逸深度0.5-2nm)表面的元素組成、及元素的結(jié)合形式X射線光電子能譜含氮表面官能團(tuán)的xps能譜X射線光電子能譜含氮表面官能團(tuán)的xps能譜傅立葉紅外變換光譜FT-IR(Fouriertransforminfraredspectroscopy)FT-IR分子的轉(zhuǎn)動態(tài)、振動態(tài)吸附物中心被吸附與表面間鍵合性質(zhì)活性炭的特殊性：黑色、吸光程序升溫脫附Temperatureprogrammeddesorption(TPD)熱重?zé)嶂谾T-IRMS質(zhì)譜MassSpectrometry活性炭的性能檢測物理性能檢測水分、灰分、揮發(fā)份、固定碳、強(qiáng)度（耐磨、抗碎）等。強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)、打擊組合耐磨、抗碎％裝填密度100ml量筒g/cm3

漂浮率液相漂浮%活性炭的性能檢測吸附性能檢測碘值微孔的表征生產(chǎn)中應(yīng)用最廣mg/g

亞甲基藍(lán)中孔的表征分光光度計mg/g

四氯化碳吸附率氣相吸附能力％

一定溫度條件下，一定四氯化碳蒸汽濃度通過活性炭床層，60min/15min飽和此外，水容量、苯酚、飽和硫容量、穿透硫容量、防護(hù)時間等。分子探針－模型化合物活性炭的性能檢測化學(xué)性能檢測工業(yè)分析元素分析有害雜質(zhì)

pH值、水溶物含量、酸溶鐵、重金屬、微量元素等其它活性炭的制備－原材料選擇制備活性炭的原材料非常廣泛，主要可分為三大類：植物類、礦物類和樹脂類。植物類原材料有：木材、果殼、農(nóng)業(yè)廢棄物等；礦物類原材料有：煤、石油焦等；樹脂類原料主要有：酚醛樹脂等。對煤焦油、廢舊輪胎等工業(yè)廢棄物進(jìn)行適當(dāng)處理也可以生產(chǎn)出具有一定吸附能力的活性炭，還可以解決城市中部分廢棄物的處理問題，具有重要環(huán)保意義，并能創(chuàng)造出一定的經(jīng)濟(jì)效益活性炭的制備－制備方法制備工藝過程：活化炭化前處理粒度、灰分化學(xué)活化法物理－化學(xué)活化法物理活化法活性炭的制備－炭化炭化可以去除小分子有機(jī)物及揮發(fā)分，得到適宜于活化的初始孔隙和具有一定機(jī)械強(qiáng)度的炭化料。炭化實質(zhì)是原材料中有機(jī)物的熱解過程，包括熱分解反應(yīng)和縮聚反應(yīng)。F.Rodriguez-Reinoso

認(rèn)為，植物類原材料(如椰殼、橄欖核等)的炭化過程可大致分為三個階段：

①在300K-470K溫度范圍內(nèi)脫水；②470K-770K時初步熱解，大部分氣體和焦油揮發(fā)出來，形成基本炭框架；③770K-1120K時炭架結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，并有微小失重。隨著炭化溫度升高，燒失率顯著增加，同時顆粒也在收縮，炭化料堆密度略有降低?；钚蕴康闹苽洌罨?/p>

物理活化法用合適的氧化性氣體（水蒸氣、二氧化碳、氧氣或空氣）對炭化物進(jìn)行活化處理，通過開孔、擴(kuò)孔和創(chuàng)造新孔，形成發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)。一般活化過程中發(fā)生如下反應(yīng)：

C+H2O=H2+CO（△H=117KJ/mol）

C+CO2=2CO（△H=159KJ/mol）通過上述兩反應(yīng)消耗碳原子，從而創(chuàng)造出豐富的微孔?；钚蕴康闹苽洌罨锢砘罨挠绊懸蛩鼗钚蕴康目紫堵食伺c制備活性炭的原材料性質(zhì)有關(guān)外，還與炭化、活化條件（如炭化溫度、炭化時間、活化溫度、活化時間、等）有著密切的關(guān)系。利用物理活化法制備HSSAAC時往往添加催化劑進(jìn)行催化活化。如日本專利采用過度金屬化合物作催化劑，不僅減少了反應(yīng)時間，而且獲得了比表面積達(dá)到2000～2500m2/g的HSSAAC。有代表性的過渡金屬化合物有Fe(NO3)3、Fe(OH)3、FeBr3、Fe2(SO4)3、Fe2O3、Ni(NO2)2、Co(NO2)2等?；钚蕴康闹苽洌罨瘜W(xué)活化法化學(xué)活化法就是將化學(xué)藥品加入原料中，然后在惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行加熱，同時進(jìn)行炭化和活化的一種方法。常用的活化劑有堿金屬、堿土金屬的氫氧化物，無機(jī)鹽類以及一些酸類，目前應(yīng)用較多、較成熟的化學(xué)活化劑有KOH、NaOH、ZnCl2、CaCl2、H3PO4等，其中以KOH作為活化劑制得的活性炭吸附性能最優(yōu)異。活性炭的制備－活化KOH的活化機(jī)理立本英機(jī)曾研究過KOH與石油焦的混合物加熱升溫時所產(chǎn)生的氣體組成，所得結(jié)果如圖所示。

300℃左右開始產(chǎn)生大量的水蒸氣

400℃左右時，氣體產(chǎn)物中開始出現(xiàn)氫氣和甲烷，大于500℃時，才出現(xiàn)少量CO與CO2，這一點與水蒸氣活化時氣體產(chǎn)物的組成中存在大量CO和CO2是大不相同的?；钚蕴康闹苽洌罨碚摲治霰砻靼l(fā)生的主要反應(yīng)有：

2KOH→K2O+H2O脫水反應(yīng)

C+H2O→H2+CO水煤氣反應(yīng)

CO+H2O→H2+CO2水煤氣轉(zhuǎn)移反應(yīng)

K2O+CO2→K2CO3轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}

K2O+H2→2K+H2O生成金屬鉀

K2O+C→2K+CO生成金屬鉀氣體產(chǎn)物中主要成分是H2，僅觀察到極少量的CO、CO2、CH4及焦油狀的物質(zhì)。活化過程中選擇性反應(yīng)消耗掉的碳主要生成了K2CO3，選擇性反應(yīng)的結(jié)果使產(chǎn)物具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和很大的比表面積。當(dāng)溫度上升到800℃左右時，反應(yīng)體系中出現(xiàn)金屬鉀蒸汽（金屬鉀的沸點為762℃），這是由于高溫下，K2O被H2或碳還原的結(jié)果。顯然金屬鉀的蒸汽不斷的擠入已生成的微孔和石墨微晶的層間還會繼續(xù)對活性炭起催化活化作用?；钚蕴康闹苽洌罨钚蕴康闹苽洌罨罨^程中，活化劑首先會選擇原料煤中非碳原子（灰分）和一些活性較強(qiáng)的無序碳進(jìn)行反應(yīng)，形成初步的微孔結(jié)構(gòu)。隨著活化的進(jìn)行，除了生成新的微孔以外，KOH還可通過刻蝕已形成的微孔壁上的碳原子而起到擴(kuò)孔作用。因而孔徑分布逐漸變寬，孔容增大?；钚蕴康闹苽洌罨锢?化學(xué)聯(lián)合活化法物理-化學(xué)聯(lián)合活化法就是將物理活化中的氣體和化學(xué)活化中的化學(xué)物質(zhì)相結(jié)合共同對炭材料進(jìn)行活化，使炭材料具有發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)的方法，這種方法可以得到性能較高的活性炭材料。采用物理-化學(xué)聯(lián)合活化法可以制備具有較高中孔率的HSSAAC。化學(xué)活化法活性炭的制備及其影響因素1.高純氮,2.氮氣減壓閥,3.氣體轉(zhuǎn)子流量計,4.活化爐,5.活化釜,6.熱電偶,7.控溫儀,8.尾氣處理裝置活性炭的制備裝置活性炭的制備－活化劑用量不同用量的活化劑所制活性炭的N2吸附等溫線

活性炭的制備－活化劑用量不同用量的活化劑所制活性炭的孔徑分布

活性炭的制備－活化劑用量活性炭的比表面積、孔容與活化劑用量的關(guān)系

活性炭的制備－活化劑用量活性炭收率、表觀密度與活化劑用量的關(guān)系

SampleChemicalratioYield/%Density/g/cm3Iodinevalue/mg/gMethylenebluevalue/mg/gTACK1182.030.60139850TACK2279.030.382386328TACK3372.010.282697486TACK4462.040.212843508TACK5554.500.192956528不同堿炭比下活性炭的收率、表觀密度及吸附性能

活性炭的制備－活化劑用量活性炭的制備－活化溫度活性炭的比表面積、孔容與活化溫度的關(guān)系

活性炭的制備－活化溫度活性炭收率、表觀密度與活化溫度的關(guān)系

樣品溫度℃SBETm2/gVtcm3/g收率/%密度/g/cm3碘值/mg/g亞甲基藍(lán)/mg/gH175028431.5869.240.272602362H280030591.6662.040.212843508H385032031.7360.530.202870532H490033111.7859.890.192880543不同活化溫度下活性炭的孔結(jié)構(gòu)、收率、表觀密度及吸附性能

活性炭的制備－活化溫度活性炭的比表面積、孔容與活化時間的關(guān)系

活性炭的制備－活化時間活性炭的制備－活化時間活性炭收率、表觀密度與活化時間的關(guān)系

活性炭的制備－活化時間樣品溫度℃SBETm2/g中孔率％收率/%密度g/cm3碘值/mg/g亞甲基藍(lán)/mg/gT10.5298760.2363.270.212838494T21305963.8662.040.212843508T32452688.6660.140.193030568T43363190.1359.590.192865527不同活化時間下活性炭的孔結(jié)構(gòu)收率、表觀密度及吸附性能

活性炭的制備－活化劑不同組成的活化劑所制活性炭的N2吸附等溫線

活性炭的制備－活化劑活性炭比表面積、孔容與活化劑組成的關(guān)系

活性炭的制備－活化劑不同組成的活