活性炭活化原理

1、活性炭的活化機(jī)理及應(yīng)用材研1407朱明83活性炭是一種非常優(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(guò)物理和化學(xué)方法對(duì)原料進(jìn)行破碎、過(guò)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。根據(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)活化法和物理一化學(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(duì)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(dá)，吸附性能好。但此法對(duì)設(shè)備腐蝕性大，環(huán)境污染嚴(yán)重。熱解能量循環(huán)利用困難。而且活性炭中殘留化學(xué)藥品.在應(yīng)用方面受到限制。一.活

2、性炭的活化機(jī)理1. 物理活化法物理活化法一般分兩步進(jìn)行，先將原料在500C左右炭化，再用水蒸汽或CO2等氣體在高溫下進(jìn)行活化。高溫下，水蒸汽及二氧化碳都是溫和的氧化劑，碳材料內(nèi)部C原子與活化劑結(jié)合并以CO+H2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(shí)間也更長(zhǎng)，因此耗能比較大，成本高。盡管有這些缺點(diǎn)，物理活化法在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用仍然十分廣泛，原因在于其制得的活性炭無(wú)需過(guò)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(wú)序炭部分氧化刻蝕成孔，在材料內(nèi)

3、部形成發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)。炭化溫度一般在600C,活化溫度一般在800Cs900C。其主要化學(xué)反應(yīng)式如下：C+2H2O2H2+CO2H=18kcalC+H2O*H2+COH=31kcalCO2+C*2COH=41kcal上述三個(gè)化學(xué)反應(yīng)均是吸熱反應(yīng),即隨著活化反應(yīng)的進(jìn)行,活化爐的活化反應(yīng)區(qū)域溫度將逐步下降，如果活化區(qū)域的溫度低于800C,上述活化反應(yīng)就不能正常進(jìn)行，所以在活化或通過(guò)補(bǔ)充外加爐的活化反應(yīng)區(qū)域需要同時(shí)通入部分空氣與活化產(chǎn)生的煤氣燃燒補(bǔ)充熱量,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(guò)程中包括物理和化學(xué)兩個(gè)過(guò)程，整個(gè)過(guò)程包括氣相中的活化劑向炭化料外

4、表面的擴(kuò)散、活化劑向炭化料內(nèi)表面的擴(kuò)散、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(lái)的反應(yīng)產(chǎn)物由炭化料內(nèi)表面向外表面擴(kuò)散等過(guò)活化反應(yīng)通過(guò)以下三個(gè)階段最終達(dá)到活化造孔的目的。第一階段是炭化時(shí)形成的但卻被無(wú)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(wú)序碳原子及雜原子發(fā)生反應(yīng)。第二階段是打開的孔隙不斷擴(kuò)大、貫通及向縱深發(fā)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(kuò)大和向縱深發(fā)展。第三階段是新孔隙的形成，隨著活化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，新的不飽和碳原子或活性點(diǎn)則暴露于微

5、晶表面，于是這些新的活性點(diǎn)又能同活化氣體的其它分子進(jìn)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(guò)將化學(xué)試劑嵌入炭顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷一系列的交聯(lián)縮聚反應(yīng)形成微孔?；瘜W(xué)活化可一步進(jìn)行，即直接升溫到700C左右進(jìn)行活化。在活化前，先將活化劑水溶液與原料以一定比例浸漬一段時(shí)間，烘干后再放入惰性氣氛中升溫進(jìn)行活化?；罨瘎┡c原料的浸漬比是影響活性炭性能的一個(gè)重要因素，因此可以通過(guò)控制浸漬比以及不同的活化溫度來(lái)制備所需的活性炭?；瘜W(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(dá)。按活化劑不同分ZnCI2法、KOH法、H3PO4法相對(duì)于物理活化，化

6、學(xué)活化有以下優(yōu)點(diǎn)：化學(xué)活化需要較低的溫度，活化產(chǎn)率高，通過(guò)選擇合適的活化劑控制反應(yīng)條件可制得高比表面積活性炭但化學(xué)活化對(duì)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，原料破碎t與KOH混合t低溫脫水(200500C高溫活化(600800C)t酸洗t熱水洗t蒸餾水洗t干燥t產(chǎn)品在300600C時(shí)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?fù)]發(fā)出來(lái)外，焦油類物質(zhì)的揮發(fā)是失重的主要原因。KOH的加入，抑制了焦油的生成，提高了反應(yīng)收率。同時(shí)，KOH的加入，使得活化反應(yīng)的實(shí)際溫度降低了大約100C,即在540C左右就可反應(yīng)。在此溫度下，KOH的加入也

7、加快了非碳原子N、H等的脫除，KOH活化反應(yīng)成孔機(jī)理就是通過(guò)KOH與原料中的碳反應(yīng)，把其中的部分碳刻蝕掉，經(jīng)過(guò)洗滌把生成的鹽及多余的KOH洗去，在被刻蝕的位置出現(xiàn)了孔。這一過(guò)程主要發(fā)生以下反應(yīng)：4KOH+CH2一K2CO3+K2O+3H2K2CO3+2Ck2K+3COK2O+C2K+CO2KOH*K2O+H2OC+H2OkH2+COCO+H20kH2+C02K2O+CO2K2CO3K2O+H22K+H2OK2O+C2K+CO在KOH活化法制備活性炭時(shí)，活化后的洗滌是關(guān)鍵。未洗時(shí)，產(chǎn)品的孔很少。先后經(jīng)過(guò)酸洗、熱水洗、蒸餾水洗，把產(chǎn)品中的非本體物質(zhì)洗去，它們?cè)瓉?lái)占據(jù)的空間就形成了孔因此，盡管洗滌比

8、較麻煩，但一定要反復(fù)洗滌，直到洗干凈為止。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(gè)方面，如石化行業(yè)的無(wú)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)處理及保護(hù)；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；食品行業(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)污染控制，各種浸漬劑液的制備等?；钚蕴吭谖磥?lái)將會(huì)有極好的發(fā)展前景和廣闊的銷售市場(chǎng)。1.活性炭在氣相上的應(yīng)用空氣凈化活

9、性炭空氣凈化活性炭，選用優(yōu)質(zhì)的木材或椰子殼，通過(guò)深度活化和獨(dú)特的孔徑調(diào)節(jié)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(duì)于苯，甲醛，氨氣等有毒有害氣體具有高效能吸附能力，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(jìn)而達(dá)到降低污染、凈化空氣的目的。工業(yè)上用于：各種作業(yè)場(chǎng)所的除臭去毒及空調(diào)過(guò)濾網(wǎng)，空氣凈化機(jī)，中央空調(diào)過(guò)濾系統(tǒng)，空氣過(guò)濾器，空氣凈化器，汽車濾清器等。其原理是：（1）自身獨(dú)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(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?jiàn)的微孔，1克活性炭材料中微孔，

10、將其展開后表面積可高達(dá)8003000平方米，特殊用途的更高。也就是說(shuō)，在一個(gè)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(gè)客廳面積的大小。正是這些高度發(fā)達(dá)，如人體毛細(xì)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(yùn)動(dòng)速度受溫度和材質(zhì)等原因的影響，但它在微環(huán)境下始終是不停運(yùn)動(dòng)的。由于分子之間擁有相互吸引的作用力，當(dāng)一個(gè)分子被活性炭?jī)?nèi)孔捕捉進(jìn)入到活性炭?jī)?nèi)孔隙中后，由于分子之間相互吸引的原因，會(huì)導(dǎo)致更多的分子不斷被吸引，直到添滿活性炭?jī)?nèi)孔隙為止?；钚蕴课接泻ξ镔|(zhì)的特性活性炭為物理吸附原理，在作用過(guò)程中，依靠空氣作為媒介，因此被界定為被動(dòng)空

11、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(jī)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、胺類化合物以及許多人工合成有機(jī)物，經(jīng)生化處理后很難達(dá)到對(duì)排放要求較高的水體中排放的標(biāo)準(zhǔn)，也嚴(yán)重影響廢水的回用，因此需要深度處理。由于活性炭對(duì)有機(jī)物的吸附能力大，在廢水深度處理中得到廣泛的應(yīng)用，具有以下優(yōu)點(diǎn)：處理程度高，城市污水用活性炭進(jìn)行深度處理后，生化需氧量BOD可降低99%，總有機(jī)碳量TOC可降到13mg/L。應(yīng)用范圍廣，對(duì)廢水中絕大多數(shù)有機(jī)物都有效，包括微生物難于降解的有機(jī)物。適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)水量及有機(jī)物負(fù)荷的變動(dòng)有較強(qiáng)的適應(yīng)性能，可得到穩(wěn)定的處理效果。粒狀炭可進(jìn)行再生重復(fù)使用，被吸附的有機(jī)物在再生過(guò)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、管理方便。3. 活性炭在催化上的應(yīng)用(1) 制造過(guò)氧化氫用活性炭覆蓋的多孔管作陰極，使從陰極上放出的氫同壓入的氧作用生成過(guò)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