活性炭

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化学概念

活性炭,是黑色粉末状或块状、颗粒状、蜂窝状的无定形碳,也有排列规整的晶体碳。活性炭中除碳元素外,还包含两类掺和物:一类是化学结合的元素,主要是氧和氢,这些元素是由于未完全炭化而残留在炭中,或者在活化过程中,外来的非碳元素与活性炭表面化学结合;另一类掺和物是灰分,它是活性炭的无机部分,灰分在活性碳中易造成二次污染。活性炭由于具有较强的吸附性,广泛应用于生产、生活中。

  • 中文名: 活性炭
  • 外文名: Activated Carbon
  • 成分: 碳元素
  • 特点: 比表面积大,吸附性强
  • 应用: 做吸附剂等

成分与制作

活性炭材料是经过加工处理所得的无定形碳,具有很大的比表面积,对气体、溶液中的无机或有机物质及胶体颗粒等都有良好的吸附能力。活性炭材料主要包括活性炭(Activated Carbon , A C )和活性炭纤维(Activated Carbon Fibers, ACF )等。活性炭材料作为一种性能优良的吸附剂,主要是由于其具有独特的吸附表面结构特性和表面化学性能所决定的。活性炭材料的化学性质稳定,机械强度高,耐酸、耐碱、耐热,不溶于水与有机溶剂,可以再生使用,已经广泛地应用于化工、环保、食品加工、冶金、药物精制、军事化学防护等各个领域 。目前,改性活性炭材料被广泛用于污水处理、大气污染防治等领域,在治理环境污染方面越来越显示出其诱人的美好前景。>

活性炭80%-90%以上由碳元素组成,这也是活性炭为疏水性吸附剂的原因。除了碳元素外,还包含有两类掺和物:一类是化学结合的元素,主要是氧和氢,这些元素是由于未完全炭化而残留在炭中,或者在活化过程中,外来的非碳元素与活性炭表面化学结合,如用水蒸气活化时,活性炭表面被氧化或水蒸气氧化;另一类掺和物是灰分,它是活性炭的无机部分。

活性炭的主要原料几乎可以是所有富含碳的有机材料,如煤、木材、果壳、椰壳、核桃壳、杏壳、枣壳等。这些含碳材料在活化炉中,在高温和一定压力下通过热解作用被转换成活性炭。在此活化过程中,巨大的表面积和复杂的孔隙结构逐渐形成, 而所谓的吸附过程正是在这些孔隙中和表面上进行的,活性炭中孔隙的大小对吸附质有选择吸附的作用,这是由于大分子不能进入比它孔隙小的活性炭孔径内的缘故。活性炭是由含炭为主的物质作原料,经高温炭化和活化制得的疏水性吸附剂。活性炭含有大量微孔,具有巨大无比的表面积,能有效地去除色度、臭味,可去除二级出水中大多数有机污染物和某些无机物,包含某些有毒的重金属。

分类简介

按原料来源分

1. 木质活性炭

2. 兽骨 / 血活性炭

3. 矿物质原料活性炭

4. 其它原料的活性炭

5. 再生活性炭

按制造方法分

1. 化学法活 性炭(化学炭)

2. 物理法活 性炭(物理炭)

3. 化学–物理法或物理–化学法活性炭

按外观形状分

1. 粉状活性炭

2. 颗粒活性炭

颗粒活性炭常常应用于吸附分子,颗粒活性炭吸附性决定应用性,而吸附性和各种炭型的孔大小分布相关。以水蒸气活化的泥煤基、 褐煤基和椰壳基粉状活性炭为例:泥煤基活性炭具有微孔和中孔,颗粒活性炭可供多种应用;褐煤基炭具中孔较多,颗粒活性炭而且还有较大的中孔,提供优良的可入性;椰壳基颗粒活性炭中主要是微孔,仅适用于低分子的去除。

利用化学品活化的颗粒活性炭是非常多孔的,多在微孔和中孔范围,但是,比较水蒸气活化的活性炭、化学品活化的活性炭的孔表面是较少疏水性和较多负电荷。以挤压型和破碎型粒状活性炭为例:泥煤基挤压型活性炭能制成各种不同孔大小分布的品种。颗粒活性炭微孔为主的品种主要用于气相应用的黄金回收。既有微孔又有中孔的品种大都用于液相应用,如水纯化中吸附小分子和大分子的杂质。

破碎型煤基颗粒活性炭兼有微孔和中孔,可供多种目的的应用。褐煤基或椰壳基的粒状活性炭与粉状炭一样具有相同的微孔和中孔结构。活性炭的技术指标非常重要:活性炭产品的性能指标可分为物理性能指标、活性炭化学性能指标、颗粒活性炭吸附性能指标。三种性能指标对活性炭的选择和应用都起到非常重要的作用。活性炭主要物理性能指标有:形状、外观、比表面积、孔容积、比重、目数、粒度、耐磨强度、漂浮率等。

颗粒活性炭主要化学性能指标有:PH值、灰分、水分、着火点、未炭化物、硫化物、氯化物、氰化物、硫酸盐、酸溶物、醇溶物、铁含量、锌含量、铅含量、砷含量、钙镁含量、重金属含量、磷酸盐等。活性炭主要吸附性能指标有:亚甲蓝吸附值、碘吸附值、苯酚吸附值、四氯化碳吸附值、焦糖吸附值、硫酸奎宁吸附值、饱和硫容量、穿透硫容量、水容量、 氯乙烷蒸汽防护时间、ABS值等。

3. 不定型颗料活性炭

4. 圆柱形活性炭

5. 球形活性炭

6. 其它形状的活性炭

按孔径分

大孔 孔径>500A°

过渡孔 孔径20 ~500A°

微孔 孔径 < 20A°活性炭的表面积主要是由微孔提供的

按材质分

1、木质活性炭

以木屑、木炭等制成的活性炭。以优质木材为原料,外形为粉末状,经高温炭化、活化及多种工序精制而成木质活性炭,具有比表面积大,活性高,微孔发达, 脱色力强,孔隙结构较大等特点,孔隙结构大,能有效吸附液体中的颜色等较大的各种物质、杂质。

2、果壳活性炭

以椰子壳、核桃壳、杏核壳等制成的活性炭。

果壳活性炭主要以果壳和木屑为原料,经炭化、活化、精制加工而成。具有比表面积大、强度高、粒度均匀、孔隙节构发达、吸附性能强等特点。并能有效吸附水中的游离氯、酚、硫、油、胶质、农药残留物和其他有机污染以及有机溶剂的回收等。适用于制药、石油化工、制糖、饮料、酒类净化行业,对有机物溶剂的脱色、精制、提纯和污水处理等方面。

果壳活性炭被广泛应用于饮用水、工业用水和废水的深度净化生活、工业水质净化及气相吸附,如电厂、石化、炼油厂、食品饮料、制糖制酒、医药、电子、养鱼、海运等行业水质净化处理,能有效吸附水中的游离氯、酚、硫和其它有机污染物,特别是致突变物(THM)的前驱物质,达到净化除杂去异味。还可用于工业尾气净化、气体脱硫 、石油催化重整,气体 分离、变压吸附、空气干燥、食品保鲜、防毒面具、解媒载体,工业溶剂过滤、脱色、提纯等。各种气体的分离、提纯、净化;有机溶剂回收;制糖、味精、医药、酒类、饮料的脱色、除臭、精制;贵重金属提炼;化学工业中的催化剂及催化剂载体。产品更具脱色、提纯、除杂、除臭、去异味、载体、净化、回收等功能。

椰壳活性炭以海南、东南亚等地的优质椰子壳为原料,原料经过筛选、水蒸气碳化后精制处理,然后再经除杂、活化筛分等系列工艺制作而成。椰壳活性炭为黑色颗粒状,具有发达的孔隙结构、吸附能力高、强度大、化学性能稳定、经久耐用。广泛应用于冶金化工、石油电力、食品饮料、饮用水、纯净水、工业用水的深度净化以及贵重金属的提炼,具有脱色除臭、吸附除浊之功效,和沸石、分子筛配用效果更佳,深受用户欢迎。

椰维炭是以椰壳为原料,经高温活化、碳化处理,同时负载光触媒、碳纤维而成的一种新型活性炭。其对有机气体吸附能力比普通活性炭高5倍至以上,吸附速率更快椰维炭具有发达的比表面积,丰富的微孔径。比表面积可达1000-1600m2/g,微孔体积90%左右,其微孔孔径为10A-40A。具有比表面积大、孔径适中、分布均匀、吸附速度快、杂质少等优点 。

3、煤质活性炭

以褐煤、泥煤、烟煤、无烟煤等制成的活性炭,外形分别为柱状、颗粒、粉末、蜂窝状、球形等形状,具有强度高,吸附速度快,吸附容量高,比表面积较大,孔隙结构发达,物理化学特性好,孔隙根据需求大小可控等特点。

主要用于高端空气净化、废气净化、高纯水处理、废水处理、污水处理、水族、脱硫、水处理活性炭脱硝并可有效去除气体与液体中的杂质和污染物以及各种气体分离和提纯,还可广泛用于各种低沸点物质的吸附回收,脱臭除油等。

4、石油类活性炭:例如以沥青等为原料制成的沥青基球状活性炭。

5、再生炭:以用过的废炭为原料,进行再活化处理的再生活性炭。

6、矿物质原料活性炭

例如纳米活矿石,以矿石为主要成分的活性炭。

以矿产地区为主要衍生地,其主要成分是活矿石成分。原料经过筛选,加入海泡石、凹凸棒土等精制而成,大大提升其吸附性能。以纳米活矿石性能最优。

柱状炭

采用优质木屑、椰壳等为原料,经粉碎、混合、挤压、成型、干燥、炭化、活化而制成。

独创性:采用非粘结成型活性炭专有技术。改变传统用煤焦油、淀粉等传统粘结剂成型的办法。不含粘结剂成份,完全靠炭分子之间的亲和力和原料本身的特殊性质。科学配方,制作而成,有效避免炭孔堵塞,充分发挥丰富发达炭孔的吸附功能。

先进性:由于采用优质木屑、椰壳为原料,制成的柱状活性炭灰份低、杂质少、气相吸附值、CTC占绝对优 势。产品孔径分布合理,达到最大吸附与脱附,从而大大提高产品的使用寿命(平均2-3年),是普通煤质炭的1.4倍。有柱状和球形颗粒等规格。

适用性:①气相吸附; ②有机溶剂回收(苯系气体甲苯、二甲苯、醋酸纤维行业中的丙酮回收) ;③杂质和有害气体去除,废气回收; ④炼油厂、加油站、油库过量汽油回收。

煤质柱状炭

煤质柱状活性炭选用优质无烟煤为原料,采用先进工艺精制加工而成,外观呈黑色圆柱状颗粒;具有合理的孔隙结构,良好的吸附性能,机械强度高,易反复再生,灰度低等特点;用于有毒气体的净化,废气处理,工业和生活用水的净化处理,溶剂回收等方面。

煤质柱状活性炭用于有毒气体的净化,并且广泛应用于工农业生产的各个方面,如石化行业的无碱脱臭(精制脱硫醇)、乙烯脱盐水(精制填料)、催化剂载体(钯、铂、铑等)、水净化及污水处理;电力行业的电厂水质处理及保护 ;化工行业的化工催 化剂及载体、气体净化、溶剂回收及油脂等的脱色、精制;食品行业的饮料、酒厂、味精母液及食品的脱色;黄金行业的黄金提取、尾液回收;环保行业的污水处理及有害气体的治理、净化;以及相关行业的香烟滤嘴、木地板防潮、吸味等。活性炭在未来将会有极好的发展前景和广阔的销售市场。

原理

过滤原理

活性炭过滤器是将水中悬浮状态的污染物进行截留的过程,被截留的悬浮物充塞于活性炭间的空隙。滤层孔隙尺度以及孔隙率的大小,随活性炭料粒度的加大而增大。即活性炭粒度越粗,可容纳悬浮物的空间越大。其表现为过滤能力增强,纳污能力增加,截污量增大。同时,活性炭滤层孔隙越大,水中悬浮物越能被更深地输送至下一层活性炭滤层,在有足够保护厚度的条件下,悬浮物可以更多地被截留,使中下层滤层更好地发挥截留作用,机组截污量增加。

从严格的理论上讲,活性炭所具有的对悬浮物的截留能力来自活性炭所提供的表面积。流速低时,机组的过滤能力主要地来自活性炭的筛除作用,而流速快时,过滤能力来自活性炭颗粒表面的吸附作用,在过滤过程中活性炭所提供的颗粒表面积越大,对水中悬浮物的附着力越强。

吸附原理

根据吸附过程中活性炭分子和污染物分子之间作用力的不同,可将吸附分为两大类:物理吸附和化学吸附(又称活性吸附)。在吸附过程中,当活性炭分子和污染物分子之间的作用力是范德华力(或静电引力)时称为物理吸附; 当活性炭分子和污染物分 子之间的作用力是化学键时称为化学吸附。物理吸附的吸附强度主要与活性炭的物理性质有关,与活性炭的化学性质基本无关。由于范德华力较弱,对污染物分子的结构影响不大,这种力与分子间内聚力一样,故可把物理吸附类比为凝聚现象。物理吸附时污染物的化学性质仍然保持不变。

由于化学键强,对污染物分子的结构影响较大,故可把化学吸附看做化学反应,是污染物与活性炭间化学作用的结果。化学吸附一般包含电子对共享或电子转移,而不是简单的微扰或弱极化作用,是不可逆的化学反应过程。物理吸附和化学吸附的根本区别在于产生吸附键的作用力。

吸附过程是污染物分子被吸附到固体表面的过程,分子的自由能会降低,因此,吸附过程是放热过程,所放出的热称为该污染物在此固体表面上的吸附热。由于物理吸附和化学吸附的作用力不同,它们在吸附热、吸附速率、吸附活化能、吸附温度、选择性、吸附层数和吸附光谱等方面表现出一定的差异。

活性炭吸附技术在国内用于医药、化工和食品等工业的精制和脱色已有多年历史。20世纪70年代开始用于工业废水处理。生产实践表明,活性炭对水中微量有机污染物具有卓越的吸附性,它对纺织印染、染料化工、食品加工和有机化工等工业废水都有良好的吸附效果。一般情况下,对废水中以BOD、COD等综合指标表示的有机物,如合成染料、表面性剂、酚类、苯类、有机氯、农药和石油化工产品等,都有独特的去除能力。所以,活性炭吸附法已逐步成为工业废水二级或三级处理的主要方法之一。

吸附是一种物质附着在另一种物质表面上的缓慢作用过程。吸附是一种界面现象,其与表面张力、表面能的变化有关。引起吸附的推动能力有两种,一种是溶剂水对疏水物质的排斥力,另一种是固体对溶质的亲和吸引力。废水处理中的吸附,多数是这两种力综合作用的结果。活性炭的比表面积和孔隙结构直接影响其吸附能力,在选择活性炭时,应根据废水的水质通过试验确定。对印染废水宜选择过渡孔发达的炭种。此外,灰分也有影响,灰分愈小,吸附性能愈好;吸附质分子的大小与炭孔隙直径愈接近,愈容易被吸附;吸附质浓度对活性炭吸附量也有影响。在一定浓度范围内,吸附量是随吸附质浓度的增大而增加的。另外,水温和pH值也有影响。吸附量随水温的升高而减少。

特性

吸附特性

活性炭吸附法是利用多孔性的活性炭,使水中一种或多种物质被吸附在活性炭表面而去除的方法,去除对象包括溶解性的有机物质,合成洗涤剂、微生物、病毒和一定量的重金属,并能够脱色、除臭、空气净化。

活性炭、磺化煤、沸石、焦炭等都是水处理常用的吸附剂,活性炭经过活化后碳晶格形成形状和大小不一的发达细孔,大大增加比表面积,提高吸附能力。活性炭的细孔有效半径一般为1-10000nm,小孔半径在2nm以下,过渡孔半径一般为2-100nm,大孔半径为100-10000nm。小孔容积一般为0.15-0.90mL/g,过渡孔面积一般为0.02-0.10mL/g; 大孔容积一般为0.2-0.5mL/g。

活性炭是一种很细小的炭粒,有很大的表面积,而且炭粒中还有更细小的孔——毛细管。这种毛细管具有很强的吸附能力,由于炭粒的表面积很大,所以能与气体(杂质)充分接触。当这些气体(杂质)碰到毛细管被吸附,起净化作用。活性炭的表面积研究是非常重要的,活性炭的比表面积检测数据只有采用BET方法检测出来的结果才是真实可靠的,国内有很多仪器只能做直接对比法的检测。现阶段国内外比表面积测试统一采用多点BET法,国内外制定出来的比表面积测定标准都是以BET测试方法为基础的,请参看中国国家标准(GB/T 19587-2004)-气体吸附BET原理测定固态物质比表面积的方法。

比表面积检测其实是比较耗费时间的工作,由于样品吸附能力的不同,有些样品的测试可能需要耗费一整天的时间,如果测试过程没有实现完全自动化,那测试人员就时刻都不能离开,并且要高度集中,观察仪表盘,操控旋钮,稍不留神就会导致测试过程的失败,这会浪费测试人员很多的宝贵时间。F-Sorb 2400比表面积测试仪是真正能够实现BET法检测功能的仪器(兼备直接对比法) ,更重要的F-Sorb 2400比表面积测试仪是迄今为止国内唯一完全自动化智能化的比表面积检测设备,其测试结果与国际一致性很高,稳定性也很好,同时减少人为误差,提高测试结果精确性。

影响活性炭吸附的因素有:活性炭的特性;被吸附物的特性和浓度;废水的PH值;悬浮固体含量等特性;接触系统及运行方式等。活性炭能有效吸附氯代烃、有机磷和氨基甲酸酯类杀虫剂,还能吸附苯醚、正硝基氯苯、萘、乙烯、二甲苯酚、苯酚、DDT、艾氏剂、烷基苯磺酸及许多酯类 和芳烃化合物。二级出水中也含有不被活性炭吸附的有机物,如蛋白质的中间降解物质,比原有的有机物更难被活性炭吸附,活性炭对THMS的去除能力较低,仅达到23-60%。活性炭吸附法与其他处理方法联用,出现了臭氧-活性炭法、混凝-吸附活性炭法、Habberer工艺、活性炭-硅藻土法等,使活性炭的吸附周期明显延长,用量减少,处理效果和范围大幅度提高。

化学特性

活性炭的吸附除了物理吸附,还有化学吸附。活性炭的吸附性既取决于孔隙结构,又取决于化学组成。

活性炭不仅含碳 ,而且含少量的化学结合、功能团开工的氧和氢,例如羰基、羧基、酚类、内酯类、醌类、醚类。这些表面上含有的氧化物和络合物,有些来自原料的衍生物,有些是在活化时、活化后由空气或水蒸气的作用而生成。有时还会生成表面硫化物和氯化物。在活化中原料所含矿物质集中到活性炭里成为灰分,灰分的主要成分是碱金属和碱土金属的盐类,如碳酸盐和磷酸盐等。

机械特性

1、粒度:采用一套标准筛筛分法,求出留在和通过每只筛子的活性炭重量,表示粒度分布。

2、静观密度或堆密度:应是孔隙容积和颗粒间空隙容积的单位体积活性炭的重量。

3、体积密度和颗粒密度:应是孔隙容积而不应是颗粒间空隙容积的单位体积活性炭的重量。

4、强度:即活性炭的耐破碎性。

5、耐磨性:即耐磨损或抗磨擦的性能。

这些机械性质直接影响活性炭应用,例如:密度影响容器大小;粉炭粗细影响过滤;粒炭粒度分布影响流体阻力和压降;破碎性影响活性炭使用寿命和废炭再生。

应用

水处理行业

活性炭作为一种环境友好型吸附剂,具有较强的吸附性和催化性能,原料充足且安全性高,耐酸碱、耐热、不溶于水和有机溶剂、易再生等优点,对水中溶解的有机污染物如苯类化合物、酚类化合物、石油及石油产品等具有较强的吸附能力,而且对用生物法和其他化学法难以去除的有机污染物,如色度、亚甲基蓝表面活性物质、除草剂、杀虫剂、合成染料及许多人工合成的有机化合物都有较好的去除效果;此外,活性炭对电镀废水和冶炼工业废水中的重金属也有较强的吸附能力;对水质浑浊有明显的澄清作用,可以除去水中的异臭、异味,对细菌也有极好的过滤作用。因此,活性炭在水处理中越来越受到重视。但是,由于普通活性炭存在灰分高、孔容小、微孔分布过宽、比表面积小和吸附选择性能差等特点,加上其表面官能团及电化学性质的一些限制,使其对污染物的吸附去除作用有限,远远不能满足国内外市场的要求。因此,有必要对其结构和性质进行改性,以增大其吸附能力,缓解水污染压力。

目前,改性活性炭材料被广泛用于污水处理领域,在水环境污染治理方面越来越显示出其诱人的美好前景。

(1)城市污水处理

废水中的一些有机物是难于为微生物或一般氧化法所氧化分解的,如酚、苯、石油及其产品、杀虫剂、洗涤剂、合成染料、胺类化合物以及许多人工合成有机物,经生化处理后很难达到对排放要求较高的水体中排放的标准,也严重影响废水的回用,因此需要深度处理。

由于活性炭对有机物的吸附能力大,在废水深度处理中得到广泛的应用,具有以下优点:

①处理程度高,城市污水用活性炭进行深度处理后,BOD可降低99%,TOC可降到1~3mg/L。

②应用范围广,对废水中绝大多数有机物都有效,包括微生物难于降解的有机物。

③适应性强,对水量及有机物负荷的变动有较强的适应性能,可得到稳定的处理效果。

④粒状炭可进行再生重复使用,被吸附的有机物在再生过程中被烧掉,不产生污泥。

⑤可回收有用物质,例如用活性炭处理含酚废水,用碱再生吸附饱和的活性炭,可以回收酚钠盐。

⑥设备紧凑、管理方便。

(2)饮用水深度处理

活性炭吸附是建立在 常规给水处理基础上,一般设置在砂过滤之后,也可与砂滤料组成双层滤料过滤或以活性炭过滤代替砂过滤。

在利用活性炭吸附进行饮用水深度处理的过程中,发现在活性炭滤料上生长有大量的微生物,使出水水质提高且再生延长,于是发展了一种经济有效的去除水中的微污染物质的生物活性炭工艺,流程为原水—(加入混凝剂)—澄清—过滤(加入臭氧)再利用活性炭吸附,最后是出水。

其他行业

石化行业

无碱脱臭(精制脱硫醇)—— 重催的精制装置

乙烯脱盐水(精制填料)——乙烯装置

催化剂载体(钯、铂、铑等)——苯乙烯、连续重整装置

水净化及污水处理——上水及下水的深度处理

电力行业

电厂水质处理及保护— —锅炉装置

对NO、NOx等有害气体的吸附——锅炉尾部烟道

化工行业

化工催化剂及载体、气体净化、溶剂回收、及油脂等的脱色、精制

食品行业

饮料、 酒类、味精母液及食品的精制、脱色、提纯、除臭、香烟滤嘴

黄金行业

黄金提取——适用炭浆法、堆浸法提金工艺

尾液回收——金矿的废物利用及环境保护

环保行业

用于污水处理、废气及有害气体的治理、气体净化

我国的煤炭燃烧过程中排放出的 SO2和 NOx 是主要的大气污染物,而改性后活性炭材料的脱硫、脱硝处理效果好,投资运行费用低,且易于再生利用等优点而引起人们的关注。

家用

活性炭吸附法去除室内污染是应用最广泛、最成熟、最安全、效果最可靠、吸收物质种类最多的一种方法。活性炭作为一种优良的物理、化学吸附剂,越来越受到人们的重视。

高效环保活性炭包能够吸附空气中的甲醛、氨、苯、二甲苯、氡等室内所有有害气体分子,快速消除装修异味,均匀调节空间湿度,对于居室、家具衣橱、书柜、鞋柜、鞋内、冰箱、卫生间、地板、鱼缸、汽车、空调、电脑、办公、宾馆及娱乐场所,都有 很好的效果,它是甲醛的克星,杀毒的专家。

空气净化:用活性炭摆放在室内有效的吸收空气中含有的甲醛\二甲苯等有害物质(特别是新装修的房子)。

家具去异味:活性炭可适用于新买的家具放于橱柜\抽屉\冰箱中,也可放在鞋子里面除臭味。

汽车除味:新车一般都含有很多的有害物质\难闻刺鼻的气味,用活性炭可以有效的去除。

木地板防潮、吸味、汽车汽油蒸发污染控制,各种浸渍剂液的制备等,比如活性炭可以作为活性碳罐的填充物用来生产摩托车碳罐、汽车碳罐等。

应用历史

历史记载

⑴公元前1550年,埃及有作为医用的记载;

⑵公元前460~359年,希腊医生Hippocrate用以治羊癫疯;

⑶ 1518~1593年,中国李时珍的《本草纲目》中提及用于治病;

⑷ 1993年有外用于溃疡;

⑸ 1794年,英国有家糖厂用于加速脱色。上述例证应用的都是木炭,不是活性炭。

活性炭作为人造材 料,是在1900年和1901年才发明的,发明者Raphael von Ostrejko,取得英国专利B.P.14224(1900) ;英国专利B.P.18040(1900)德国专利Ger.P.136792(1901)。

他发明将金属氯化物炭化植物源原料或用二氧化碳或水蒸气与炭化材料反应制造活性炭。1911年在奥地利维也纳附近的工厂首次用于工业生产,当时产品是粉状活性炭,商品名使Epomit;同年在荷兰有Norit上市;1912年在捷克斯洛伐克有Carboraffin出售。(Ger.Pat.290656)。

历史阶段

回顾百年来世界活性炭应用的历史,不妨粗略划分为三个阶段:

⑴第一阶段,从20世纪初到约20世纪20年代为萌芽阶段:

⑵第二阶段 ,从约20世纪20年代中期为成长阶段;

⑶第三阶段,从20世纪中期到20世纪末期为发展阶段,发展成为环保大应用阶段。

这三个阶段可用活性炭应用历程中两件历史性大事。作为划分的界限。

历史事件

第一件大事是活性炭防毒面具,在20世纪20年代在第一次世界大战中的应用。可以以此作为划分活性炭应用历史的第一阶段和第二阶段的界限。

活性炭在初期主要应用是粉炭在糖业中逐步代替了原来的骨炭。在20世纪20年代的第一次世界大战中出现的颗粒大量应用于防毒面具。这是工业化学史上辉煌的一页。当时荷兰的Norit和捷克斯洛伐克、德国、法国、瑞士等国的制造商和批发商曾成立一个联合公司,说明在欧洲萌芽的活性炭也是被广为看好的新兴产业。

通过防毒面具应用的推动,活性炭历史进入了第二阶段,活性炭市场不断扩大,活性炭的吸附和催化功能在众多行业的精制、回收、合成上的应用陆续开发,美国等的活性炭厂陆续开设。在20世纪中叶不断拓展应用面的活性炭,被视为“万能吸附剂”。

第二件大事是活性炭除臭作用,在20世纪40年代数以百计的自来水厂中采用了活性炭除臭。以此作为划分活性炭应用历史的第二阶段与第三阶段的界限。

1927年,美国芝加哥自来水厂发生了广大居民难以接受的自来水恶臭事故,这是由于原水中的苯酚和消毒用的氯生成异臭所致。德国等地的自来水厂也发生了同样的事故,这些事故都是用活性炭来解决的。

此后,随着环境保护日益受到重视,政府法令的日趋严格。活性炭不仅在净水方面,而且在净气等方面的用量剧增,使得在20世纪的后半叶,环保产业成为活性炭应用的大户。由此活性炭历史进入了第三阶段,即发展阶段

中国活性炭应用史

1、第一阶段是20世纪40年代以前,中国制药工业、化学工业中使用活性炭量大,都用进口货,例如用Carboraffin牌的活性炭。

2、第二阶段自20世纪50年代初开始,国产活性炭上市。1951年沈阳和抚顺的单管炉厂、青岛的反射炉闷烧法厂、上海的电热活化法厂,接 着有氯化锌活化法厂,1958年福建、杭州、广州、烟台、东北等地纷纷建厂,1966年太原开创斯列普活化法厂,随后中国陆续开设数以百计的斯列普炉厂。此外,还有不少的转炉、粑式炉等工厂。总生产能力从1951年的三五十吨猛增到20世纪80年代的近十万吨。

生产与应用相互促进,活性炭的应用范围被迅速开拓。从原来单一的通用炭向多种的专用炭发展,例如净水炭、糖炭、味精炭、油脂炭、黄金炭、载体炭、药用炭、针剂炭、试剂炭等等,足见活性炭因国内经济蒸蒸日上而应用量速增,又因产量扩大、成本降低而使出口量上升。中国活性炭的应用,不仅在国内市场发展,而且进入了国际市场。

3、第三阶段2003-至今;活性炭应用于装修污染治理,利用先进的造孔技术将活性炭,使其具备与室内有害气体分子大小相匹配的孔隙结构,专用于吸附甲醛、苯系物、氨、氡等所有对人体有害的气体及空气中的浮游细菌。具有吸味、去毒、除臭、去湿、防霉、杀菌、净化等综合功能,有效清除室内环境污染成功应用于装修污染治理。各大市场和超市的家用活性炭众多,活性炭已走进千家万户,成为健康时尚的环保产品。

检测与鉴别

鉴别方法

1、 直接看厂家提供的指标。活性炭常用吸附指标主要有:碘吸附值、四氯化碳(CTC)吸附值、亚甲蓝吸附值,碘吸附值用来表示活性炭对液体物质的吸附能力,四氯化碳吸附值用来表示活性炭对气体物质的吸附能力,亚甲蓝吸附值是用来表示活性炭脱色能力的。这三种指标越高,表明活性炭的吸附能力越强。因此大家在购买活性炭时可根据自己的使用情况结合厂家提供的这些指标来选购适合自己用途的活性炭。

2、看体积:同样12包*50g=1盒为什么侨波活性炭要比别家的体积大呢?上面已经介绍过了,要想提高活性炭的吸附性能,只有尽可能多地在活性炭上制造孔隙结构,孔隙越多,活性炭越酥松,相对密度也就会越轻,因此好的活性炭手感上会比较轻,在同等重量包装的情况下,性能好的活性炭会比劣质活性炭体积大许多。

3、看脱色能力。活性炭吸附能力的另一个表现就是脱色能力,活性炭具有能将有色液体变成浅色或无色的神奇能力,这其实就是因为活性炭吸附了有色液体里的色素分子的原因造成的。正因为活性炭的这种特性,被广泛应用于制糖工业领域中红糖变白糖的生产过程中。取两只透明杯子,在一只杯子里放入纯净水,然后滴入一滴红墨水(这里可以用任何一种便于观察但不改变水的性质的色素都可以,例如蓝墨水、打印机彩色墨水,但不能使用墨汁和碳素墨水),搅拌均匀后将一半有色水倒入另一个杯子中留作对比样。将活性炭放入有色水中,数量应达到水的一半或更多,这样效果会比较明显,静置10—20分钟后与对比水样进行对照,在同等条件下,脱色效果越强说明活性炭吸附性越好。

质量鉴别

1、将活性炭放置在水中,看其是否会产生气泡

把活性炭放置在水中,如果它产生一连串小气泡,并且有气泡声,那就说明这个活性炭的吸附能力强,质量特别好。

2、把活性炭放在手中,感受其重量

优质的活性炭是吸附能力强的活性炭,而吸附能力强的活性炭必须具有很多孔隙,以方便吸取空气中的有害物质,因此优质的活性炭手感会比较轻。如果你所选购的活性炭特别重,那就说明它的吸附能力不强。

3、把活性炭放置在有色液体里,看液体颜色是否会变浅

优质的活性炭有极强的吸附能力,可以让有色液体的颜色变浅甚至变为无色,所以业主在选购活性炭时,可以用样品试验一下,将活性炭放置到一瓶滴有黑墨水的液体中,放置20分钟后,看黑色液体的颜色是否会变淡,颜色变得越淡,活性炭的吸附能力就越强。

椰壳活性炭的鉴别

选用优质绿色环保的椰子壳为原料,经过高温活化及特殊孔径调节工艺处理,外观呈黑色颗粒状。它的孔隙结构发达,是普通活性炭的5倍,其比表面积为1500m2/g(一般活性炭比表面积为700m2/g),特别是孔结构与众不同,孔隙直径大于0.45nm且小于2nm微孔占总数90%以上。

因椰壳活性炭比煤质活性炭成本高许多,而且成品活性炭材质一般不容易被普通大众所识别。市场上常有不法销售商利用消费者无法识别材质的弱点,用 煤质活性炭假冒椰壳活性炭销售,不管是民用还是工业用领域,此现象都较为严重。

1、椰壳活性炭属于果壳活性炭类别,其主要特点是密度小、手感轻,拿在手里的重量 明显比煤质活性炭轻。相同重量的活性炭,椰壳活性炭体积一般大于煤质活性炭。

2、椰壳活性炭形状一般为破碎颗粒状、片状,而成型活性炭,如柱状、多为煤质炭,球状、多为泥炭。

3、因椰壳活性炭密度小,手感轻,因此可以将活性炭放到水里,煤质炭一般沉底较快,而椰壳活性炭浮在水中的时间更长,随着活性炭吸附水分子达到饱和,加重自身重量才会逐步全部沉入水底,当活性炭全部沉底后,会看见每颗活性炭外面都包裹着一个小气泡,晶莹剔透,非常有趣。

4、椰壳活性炭为小分子孔隙结构,将活性炭放到水里,其吸附水分子时所排空气会产生许多非常细小的水泡(肉眼刚好能看见),密密麻麻的不停浮向水面。而煤质活性炭孔隙结构可控,所产生的气泡也大小不同。

5、碘值:碘值是活性炭的一个性能参数,果壳、竹炭、煤制的碘值都在几百,活性炭原料碘值从800、850、900、950、1000、1100mg/g等多种,吸附能力也不同,成本价格也不同,同碘值的活性炭也只有椰壳的效果最好。

参数标准

颗粒活性炭 参考值 柱粒活性炭 参考值
碘值 ≥950(mg/g) 碘值 ≥850(mg/g)
苯吸附 ≥450(mg/g)    
比表面积 900-1100㎡/g 比表面积 500-900㎡/g
充填密度 0.45-0.55g/cm³; 充填密度 0.45-0.55g/cm³;
强度 ≥90% 强度 ≥90%
水分 ≤10% 水分 ≤10%

柱状炭

木质柱状活性炭合格品典型指标:

CTC 吸附值 % 100-140%
苯吸附Benzene adsorption % 45-65%
碘吸附值Iodine adsorption Mg/g 1100-1300
比表面积 Surface area ㎡/g 1400~2400
表观密度 Bulk density g/ml 0.33~0.38
着火点Ignition temperature 400~450
强 度Hardness % 95-99.9%
灰 分Ash % 3-6
水 分Moisture content % 5
粒 度 Particle size mesh 2,3,4mm

煤质炭

煤质柱状活性炭物理、化学性能分析(GB/T 7701.7-1997)

分析项目 测试数据 分析项目 测试数据
碘值 ≥850mg/g 机械强度 ≥90%
比表面积 500-900㎡/g 水分 ≤10%
充填密度 0.45-0.55g/cm PH值 按要求生产
苯吸附 ≥400mg/g 亚甲蓝值 ≥8ml/g

活性炭再生

方法

1.热再生法

热再生法是应用最多,工业上最成熟的活性炭再生方法。活性炭热再生法始于20世纪初,当时是采用回转炉对骨炭进行再生;30年代开始引用多层炉;40~50年代再生炉技术已基本成熟;70年代活性炭开始大量应用于水处理领域。热再生法的原理是在加热条件下,使被吸附的有机物以解析、炭化、氧化的形式从活性炭基质上消除。

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、高温炭化及活化三个阶段。在干燥阶段,主要去除活性炭上的可挥发成分。高温炭化阶段是使活性炭上吸附的一部分有机物沸腾、汽化脱附,一部分有机物发生分解反应,生成小分子烃脱附出来,残余成分留在活性炭孔隙内成为“固定炭”。在这一阶段,温度将达到800~900°C,为避免活性炭的氧化,一般在抽真空或惰性气氛下进行。接下来的活化阶段中,往反应釜内通入CO2、CO、H2或水蒸气等气体,以清理活性炭微孔,使其恢复吸附性能,活化阶段是整个再生工艺的关键。热再生法虽然有再生效率高、应用范围广的特点,但在再生过程中,须外加能源加热,投资及运行费用较高。

2.生物再生法

生物再生法是利用经驯化过的细菌,解析活性炭上吸附的有机物,并进一步消化分解成H2O和CO2的过程。生物再生法与污水处理中的生物法相类似,也有好氧法与厌氧法之分。由于活性炭本身的孔径很小,有的只有几纳米,微生物不能进入这样的孔隙,通常认为在再生过程中会发生细胞自溶现象,即细胞酶流至胞外,而活性炭对酶有吸附作用,因此在炭表面形成酶促中心,从而促进污染物分解,达到再生的目的。生物法简单易行,投资和运行费用较低,但所需时间较长,受水质和温度的影响很大。

3.湿式氧化再生法

在高温高压的条件下,用氧气或空气作为氧化剂,将处于液相状态下活性炭上吸附的有机物氧化分解成小分子的一种处理方法,称为湿式氧化再生法。实验获得的活性炭最佳再生条件为:再生温度230°C,再生时间1h,充氧pO20.6MPa,加炭量15g,加水量300mL。再生效率达到(45±5)%,经5次循环再生,其再生效率仅下降3%。活性炭表面微孔的部分氧化是再生效率下降的主要原因。

传统的活性炭再生技术除了各自的弊端外,通常还有三点共同的缺陷:⑴再生过程中活性炭损失往往较大;⑵再生后活性炭吸附能力会有明显下降;⑶再生时产生的尾气会造成空气的二次污染。因此,人们或对传统的再生技术进行改进,或探索全新的再生技术。

技术

1.溶剂再生法

溶剂再生法是利用活性炭、溶剂与被吸附质三者之间的相平衡关系,通过改变温度、溶剂的pH值等条件,打破吸附平衡,将吸附质从活性炭上脱附下来。

溶剂再生法比较适用于那些可逆吸附,如对高浓度、低沸点有机废水的吸附。它的针对性较强,往往一种溶剂只能脱附某些污染物,而水处理过程中的污染物种类繁多,变化不定,因此一种特定溶剂的应用范围较窄。

2.电化学再生法[4]

电化学再生法是一种正在研究的新型活性炭再生技术。该方法将活性炭填充在两个主电极之间,在电解液中,加以直流电场,活性炭在电场作用下极化,一端成阳极,另一端呈阴极,形成微电解槽,在活性炭的阴极部位和阳极部位可分别发生还原反应和氧化反应,吸附在活性炭上的污染物大部分因此而分解,小部分因电泳力作用发生脱附。该方法操作方便且效率高、能耗低,其处理对象所受局限性较小,若处理工艺完善,可以避免二次污染。

实验结果表明,电化学再生活性炭具有较高的再生效率,可达到90%。此外,对工艺参数的研究表明,再生位置是活性炭再生工艺中最重要的影响因素,电解质NaCl浓度是较重要的影响因素,再生电流和再生时间对活性炭的电化学再生也有一定的影响。

3.超临界流体再生法

据最近的研究资料表明,在CO2的临界点附近,再生效率的变化很大;对未被烘干的活性炭,则需要延长其再生时间。对氨基苯磺酸而言,CO2超临界流体法再生的最佳温度为308K,当温度超过308K时,再生不受影响;当流速大于1.47×10-4m/s时,流速不影响再生;用HCl溶液处理后,会使活性炭再生效果明显改善。对苯而言,再生效率在低压下随温度的下降而降低;在16.0MPa压力时的最佳再生温度为318K;在实验流速下,再生效率会随流速加快而提高。

4.超声波再生法

由于活性炭热再生需要将全部活性炭、被吸附物质及大量的水份都加热到较高的温度,有时甚至达到汽化温度,因此能量消耗很大,且工艺设备复杂。其实,如在活性炭的吸附表面上施加能量,使被吸附物质得到足以脱离吸附表面,重新回到溶液中去的能量,就可以达到再生活性炭的目的。超声波再生就是针对这一点而提出的。超声再生的最大特点是只在局部施加能量,而不需将大量的水溶液和活性炭加热,因而施加的能量很小。

研究表明经超声波再生后,再生排出液的温度仅增加2~3℃。每处理1L活性炭采用功率为50W的超声发生器120min,相当于每m3活性炭再生时耗电100kWh,每再生一次的活性炭损耗仅为干燥质量的0.6%~0.8%,耗水为活性炭体积的10倍。但其只对物理吸附有效,再生效率仅为45%左右,且活性炭孔径大小对再生效率有很大影响。

5.微波辐照再生法

微波辐照再生法是在热再生法基础上发展起来的活性炭再生技术。其原理是以电为能源,利用微波辐照加热实现再生。试验中的最佳再生效率出现在功率为HI(W),辐照时间约为80s时。比较极差S可知,对再生后活性炭碘值恢复影响最大的是微波功率,其次是辐照时间,最后是活性炭的吸附量。微波辐照法再生活性炭的时间短。能耗低、设备构造简单,具有较好的应用前景。然而,在微波加热使有机物脱附过程中,是否有其它的中间产物产生等问题还有待于进一步研究。

6.催化湿式氧化法

传统湿式氧化法再生效率不高,能耗较大。再生温度是影响再生效率的主要原因,但提高再生温度会增加活性炭的表面氧化,从而降低再生效率。因此,人们考虑借助高效催化剂,采用催化湿式氧化法再生活性炭。同济大学水环境控制与资源化研究国家重点实验室的科研人员正在开展此方面的研究。随着可持续发展观念的深入人心,活性炭再生工艺与技术日益得到人们的重视。一些传统的活性炭再生技术与工艺在近些年有了新的改进与突破。同时新再生技术也在不断涌现 。虽然这些新兴技术在工艺路线上还不成熟,尚无法投入工业使用。但它们的出现为活性炭的再生带来了新思路与新探讨。

7、物理活化法

也叫做气体活化,此过程是将炭化产物于高温(800-950℃),通以水蒸气、二氧化碳或空气与炭质做选择性炭的氧化,以清除堆积在孔洞的反应生成物。

8、化学活化法

化学活化系将原料炭与活化剂直接调和、炭化与活化同时进行反应,此种方法能产生较少炭氢化合物或氧化物,但化学活化剂之污染与回收则是另一项需要考虑的问题。常用的活化剂有氯化锌及磷酸。

注意事项

1、运输与装卸:活性炭在运输过程中,不得用铁钩拖拽,应防止与坚硬物质混装,不可强烈振动、磨擦、踩、砸,严禁抛掷,应轻装轻卸,以减少炭粒破碎,影响使用。

2、储存:应储存于阴凉干燥、尽可能防火的建筑内,防止内外包装袋破裂,防止受潮和吸附空气中其它物质,影响使用效果。严禁与有毒有害气体或易挥发物质混放,存放要远离污染源。不可与氧化剂混放;贮放处禁止明火,火花和吸烟。

3、严禁水浸:活性炭属于多孔性吸附类物质,所以在运输、储存和使用过程中,都要绝对防止水浸,因水浸后,水填充了活性孔隙,减少了活性炭比表面与气体的直接接触,严重影响使用效果。

4、防止焦油类物质:在使用过程中,应禁止焦油类粘稠物质进入活性炭床,以免堵塞活性炭孔隙或遮盖了活性炭展开表面,使气体不 能与活性炭展开表面接触,失去应用效果,如气体中含有此类物质,应在气体进入活性炭床前进行清除(最好有除焦设备)以达到好的应用效果。

5、防火:活性炭列入危险化学品名录,属自燃物品,编号42521,可燃的。着火后不会发生有焰燃烧,只是阴燃。活性炭燃烧时如果通风不足,会生成有毒的一氧化碳。活性炭在储存或运输时,防止与火源直接接触,以防着火。活性炭再生时避免进氧并再生彻底,再生后必须用蒸气冷却降至800℃以下,否则温度高,遇氧,活性 炭自燃。灭火剂:水、泡沫、二氧化碳、砂土、火场周围可用的灭火介质。

6、使用:装填时应先筛去因搬运产生的碎粒与粉尘。然后层层均匀铺开,不得从进料孔处直接倒入,以免使大小颗粒装填不均,最终造成气体偏流,影响使用效果。装填结束,开车前应先吹空,吹出活性炭表面粘附粉尘,避免开车后粉尘带入后工段而影响正常生产。

影响活性炭使用寿命的关键因素:使用环境中有害物质的总量大小以及脱附的频率。由于活性炭吸附有害气体的质量可以接近甚至达到其本身的质量,而在普通家庭空间空气中,有害气体的质量远远小于活性炭的使用量。因此,只要经常将活性炭放置在太阳下爆晒,能增加活性炭的寿命,使其使用期限更长。

7、安全需知:湿的活性炭需要从空气中除去氧,在安全密闭的容器内氧的消耗会造成有毒的环境,假如工人进到含有活性炭的容器内适当取样或低含氧空间作业,应遵守国家相关标准及作业规范。

泄漏:隔离泄漏污染区,限制出入。切断火源。建议应急处理人员戴自给式呼吸器,穿防毒服。

吸入:迅速脱离现场至新鲜空气处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难,给输氧。如呼吸停止,立即进行人工呼吸。就医。

误食:误服者用水漱口。就医。

皮肤接触:立即脱去被污染衣着,用大量流动清水冲洗,至少15分钟。就医。

眼睛接触:立即提起眼睑,用大量流动清水或生理盐水彻底冲洗至少15分钟,就医,环球净水。

标签:活性炭

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