（环境工程专业论文）微波改性活性炭及微波解吸二硫化碳工艺研究.pdf

ab s t r a c t abs tract b y o rt h o g o n a l e x p e r i m e n t , t h e t e c h n i c s o f m o d i f i c a t i o n o f a c t iv e d c a r b o n b y m i c r o w a v e h e a t in g a n d d e s o r p t i o n o f c s z f r o m m o d i f i e d a c t i v e c a r b o n ( m a c ) w e r e i n v e s t i g a t e d i n a b e n c h s c a l e . t h e o p t i m a l c r a ft c o n d it io n w a s g o t , t h e i n fl u e n c e f a c t o r s o f t h e c s z a d s o r p t i o n c a p a c i t y o f m a c a n d t h e d e s o r p t i o n o f c s z f r o m m a c w e r e a n a l y s e d r e s p e c t i v e l y . t h e e x p e r i m e n t r e s u lt s o f m o d i f i c a t i o n o f a c t i v e c a r b o n s h e w t h a t t h e m a i n f a c t o r s w h i c h a ff e c t e d t h e m o d i f i c a t i o n w e r e t h e p o w e r o f m ic r o w a v e , t h e r a d i a t i o n t i m e , t h e h i g h n e s s a n d d i a m e t e r o f a d s o r p t i o n c o l u m n . t h e m o s t i m p o r t a n t f a c t o r a ff e c t in g t h e c s z a d s o r p t i o n c a p a c i t y o f ma c w as t h e p o w e r o f m i c r o w a v e , t h e r a d i a t i o n t i m e , t h e d i a m e t e r o f a d s o r p t i o n c o l u m n , t h e h i g h n e s s o f a d s o r p t i o n c o l u m n o r d e r l y . t h e la r g e r a d s o r p t i o n c a p a c i t y w as o b t a i n e d u s i n g h i g h e r p o w e r o f m i c r o w a v e . t h e a d s o r p t i o n c a p a c i t y c o u l d b e i m p r o v e d w it h p r o l o n g a t io n o f r a d i a t i o n t i m e , b u t t h i s t r e n d w o u l d s t o p p e d a ft e r f o u r o r f i v e m i n u t e s c o n t i n u o u s l y r a d i a t i n g . t h e in fl u e n c e o f t h e h ig h n e s s a n d d i a m e t e r o f a d s o r p t i o n c o l u m n t o t h e a d s o r p t i o n c a p a c i t y w as n t o b v i o u s . t h e o p t i m a l c r a ft c o n d i t i o n w as as f o l l o w s : t h e p o w e r o f m i c r o w a v e w as 5 6 0 w , t h e r a d i a t i o n t i m e w as 5 m i n , t h e h i g h n e s s a n d d i a m e t e r o f a d s o r p t i o n c o lu m n w as 1 1 0 m m a n d 4 0 m m r e s p e c t i v e l y . t h e e x p e r i m e n t r e s u l t s o f d e s o r p t i o n o f c s z f r o m m a c i n d i c a t e d t h a t t h e m a in f a c t o r s w h i c h a ff e c t e d t h e d e s o r p t i o n w e r e t h e fl u x o f c a r r i e r g as( n z ) , t h e p o w e r o f m i c r o w a v e , t h e h i g h n e s s a n d d i a m e t e r o f a d s o r p t i o n c o l u m n . t h e m o s t i m p o r ta n t f a c t o r a f f e c t i n g t h e m a x i m a l c o n c e n t r a t i o n o f c s z i n c a r r i e r g as w as t h e fl u x o f c a r r i e r g as , t h e p o w e r o f m i c r o w a v e , t h e h i g h n e s s o f a d s o r p t i o n c o l u m n , t h e d i a m e t e r o f a d s o r p t i o n c o l u m n o r d e r l y . t h e h i g h e r t h e p o w e r o f m i c r o w a v e , t h e h i g h e r w as t h e m a x i m a l c o n c e n t r a t i o n o f c s z i n c a r r i e r g as ,a n d t h i s w as s a m e t o t h e r e c la m a t i o n r a t io o f c s z .wi t h t h e a u g m e n t o f t h e fl u x o f c a r r i e r g as, t h e m a x i m a l c o n c e n t r a t i o n o f c s z w o u l d f e l l , b u t t h e r e c l a m a t i o n r a t i o o f c s z w o u l d i n c r e a s e . t h e o p t i m a l c r a f t c o n d i t i o n o f d e s o r p t i o n o f c s z fr o m ma c w as as f o l l o w s : t h e p o w e r o f m i c r o w a v e w as 3 0 0 w , t h e fl u x o f c a r r ie r g as w as 0 . l m 3 / h , t h e h i g h n e s s a n d d ia m e t e r o f a d s o r p t i o n c o l u m n w as 1 1 0 m m a n d 6 0 m m r e s p e c t i v e l y . t h e d e s o r p t i o n p r o c e s s o f c s z a c c o r d e d w i t h t h e f i r s t o r d e r k i n e t i c s m o d e l , a n d t h e r a t e c o n s t a n t r o s e w i t h t h e in c r e ase o f m i c r o w a v e p o w e r a n d t h e fl u x o f c a r r i e r g as . k e y wo r d s : m i c r o w a v e ; a c t i v e d c a r b o n ; m o d i f i c a t i o n ; c a r b o n b i s u l f i d e ; d e s o r p t i o n 11 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明 所呈交的 学位论文是本人在导师指导下进行的 研究工 作及取得的 研究成果。 据我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的 地方外， 论文中 不包含 其 他人己 经发表或 撰写 过的研究成果， 也不包 含为获得 南昌大学 或其 他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的 任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 手 写 ， : 刘 tw签 字 日 期 :l t7 7年 6 月 / 6 a 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解南昌大学有关保留、使 用学位论文的 规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。 本人授权南昌大李可以 将学位论文的 全部或部分内 容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 储签 “ (手 写 ，: w 导师签名 ( 手写) 种 日 ，/j 签 字 日 期 : ;r01年; “ / 日 学 位 论 文 作 者 毕 业 后 去 向 : l材 1 v-t 签 字 日期 :年份 月t 刁话编 2电邮 工作单位: 通讯 地址: 第 1 章 引言 第 1 章 引言 1 . 1微波加热原理及特点 微波是指电磁波谱中位于远红外和无线电波之间的电磁辐射，其波长在 l m - im m 范围， 频率约在3 0 0 mh z -3 0 0 g h z ， 是一种非电离的电磁能。 常用于加 热的 微波频率为 9 1 5 m h z 和2 4 5 0 m h z 。 因为磁控管输出功率高、 效率高且输出 微 / 波频率稳定， 故微波加热一般采用磁控管作为微波发生器。 1 . 1 . 1微波加热原理 微波与物质的相互作用可以用电磁波和电磁场理论处理。当微波遇到不同 材料时， 依材料性质不同，会产生反射、吸收和穿透现象，这取决于材料本身 的介电常数、介电 损耗系数、比热、形状和含水量等。大多数导体能够反射微 波， 故在微波系统中，导体以一种特殊的形态来传播和反射短波能量;绝缘体 可穿透并部分反射微波能量，通常它吸收的微波功率较小;介质的性能介于金 属和绝缘体之间的，则具有吸收穿透和反射微波的性能。微波能被这些物质吸 收， 产生非常有效的即时深层加热作用( 内 加热 ) ， 它的机理是物质接受微波辐 照时，在电磁场作用下，样品内微观离子可产生四种类型的介电极化:电子极 化、原子极化、定向极化和空间电荷极化，从而使样品产生两种吸收微波发热 的方式: ( 1 ) 离子迁移。 在电 场中， 正、负离子分别向阴、 阳极运动， 在微波交变 电 场中离子每秒改变运动方向几十亿次， 频繁摩擦，使电磁能变成机械能后又 变成热能; ( 2 ) 极性分子转动。 极性分子具有永久或由电 场诱导产生的电偶极矩， 其 取向由电场方向决定，外加电场改变方向，偶极矩也改变方向。由于微波场中 电场改变方向 达每秒几十亿次，极性分子也频繁改变方向，因而将微波能通过 机械运动又转化成热， 这就是微波的致热效应。 微波的这种内 加热作用的 特点 是可在不同的深度同时加热，不仅加热更迅速，而且更均匀，无温度梯度、无 滞后效应等， 大大缩短了样品的处理时间。 微波加热的效率只与两个因素有关: 第 章 引言 微 波电 磁 场的 能 量 密 度和 被 加 热 材料内 部 可 动 粒 子的 数 量。 对于 无 机非 金 属材 料， 可动粒子( 缺陷) 在一定的临界温度之上随温度升高按指数规律增加，在微 波作用下， 材料内部产生的热量以及温度也按指数规律上升. 在临界温度以上， 高密度电 磁场能使任何材料熔化或分解挥发。控制适当功率与绝热条件，微波 加 热 可以 实 现 超 快 速 升 温 ( 4 0 0 0c / m in - 6 0 0 c / m i n ) 1 1 o 从现有的 研究结果分析， 在微波加热中， 电 磁场首先激发反应过程基元( 极 化、 化学键断 裂、 碰撞、 扩散 ) ， 然后再生热， 从而 微波加 热可使许多 化 学反 应 过程在较低温度下进行，大大加快了反应过程的速度，微波加热还能影响晶粒 的 发育过 程， 控制材料的 显 微结 构 2 1 1 . 1 . 2微波加热的特点 微波加热技术之所以发展快，主要原因是由于微波加热技术有明显的节能 特点 且为各方 面 所接受， 它的主 要优 越性表现在 1 . 3 1 ( 1 )微波加热为穿透性加热，加热速度快。 这表现为微波能转化为热能的即时性，宏观上表现为加热速度快。 ( 2 ) 选择性加热， 只能对吸收微波的物料( 介质体 ) 有加热效应。 微波能透入物料内部深层，被物料吸收转换成热能对物体直接加热，形成 物料独特的受热方式一物料整体被加热，即所谓无温度梯度加热。 ( 3 )只对物料加热，环境热损耗低，高效节能，无污染。 微波加热属介质加热范畴， 不同物料介质特性所吸收的微波能量是不同的。 这种介质吸收短波能量的选择性为微波利用率的提高提供了有利条件。由于微 波能透入物料加热，物料的温升不依靠热介质由 物料表面向里层传热，因此， 物料温升速率快，物料温度略高于表层的温度，这样对于活性炭的再生一类的 加热场合就比较有利。 ( 4 ) 加热过程操作简便， 适宜自 动控制。 由于微波加热物料无惰性，即只要有微波辐射，物料即 立刻被加热，反之 物料得不到微波能量而停止加热， 这种使物料能瞬时间得到或失 去加热动力( 能 量) 来源的 性能， 符合工业连续自 动化加热生产的要求。 ( 5 )环境温度低。 指的是工作环境和设备自 身的温度低( 接近常温) 以 及同样加工效果时被加 第 1 章 引言 热物料自 身 温度较 低。 1 . 2活性炭应用及表面改性研究现状及进展 1 . 2 . 1活性炭及其应用 活性炭是一 种含碳物质的 颗粒和粉末， 主要是生物有机物质( 如煤、 石油、 沥青、 术屑、 果壳 等 ) 经炭化和活化得到的 疏水性吸附 剂4 1 。由 于活 性炭 具有发 达的孔结构和巨大的比表面积，它具有吸附、催化，物质在其孔孔隙内积聚， 并 保持物理、 化学 的 稳定 性等 特征。 可以 在广泛的p h值范 用内 与多种溶剂 在 高温高压下便用。目 前， 活性炭已 广泛应用于环境保护、 化学工业、 食品加工、 湿法冶金、药物精制、军事化学防护等各个领域，是国民经济和国防建设以及 人们日常生活必不可少的产品。 1 .2 . 1 . 1 活 性 炭 在 气 ( 汽 ) 相 吸 附 方 面的 应 用:5 -8 活性炭在气( 汽) 相吸附方面的应用是从第一次世界大战中的防毒面具开始 的，以后逐渐推向化学工业、医药工业、溶剂回收、气体净化和分离等领域。 活性炭在气 ( 汽) 相吸附方面的应用主要有: ( 1 )毒气和有害气体的防护; ( 2 ) 气 ( 汽) 体净化、 精制、 分离和储存。 在化工生产过程中利用活性炭及其制品可以回收许多有机溶剂，如:丙 酮、苯、甲 苯、汽油等。 吸附天然气汽车技术。近年来，天然气汽车己 被世界许多国家重视与推 广。 据报道，汽车燃烧天然气与姗烧汽油，柴油相比，其中c 仇、 c o . h c i . s 0 2 、 苯、 铅粉末的 排放量可分别减少2 4 %. 8 5 %. 9 0 %以 上、 7 2 % . 9 0 %. 1 0 0 %0 因此可看出，天然气汽车对降低城市大气环境污染有明显的作用。活性炭有助 于提高 a n g ( a d s a r p e d n a t u r a l g a s ) 的 储气容量 和储 气密 度， 从 而使充气站建 立，储气瓶成本大大降低。我国已对a n g 进行了较为深入的研究，陈进富、娄 世松、路绍信等人(9 , 1 0 1 以 木质素为原料， 粉碎过筛，于 从下5 0 0 - 6 0 0 炭化处理 后， 再于 7 0 0 - 8 0 0 下活化， 活化比 ( 活化剂与炭料重量比 ) 4 : 1 - 5 : 1 . 活化时间为 0 .5 - 2 小 时， 可 得 到比 表面 积为 2 5 0 0 - 3 0 0 0 m 2 / g 的 活性 炭， 其微 孔 孔 径为1 .0 - 1 .5 n m 第 1 章 引言 在6 .o m p a , 2 5 时， 吸附储存天然气的容量可 达到同 体积储气瓶在1 5 .3 m p a , 2 5 时的高压压缩储气量，即1 4 0 v / v . 用于吸附制冷。由于吸附是一个吸热过程。所以 活性炭也可以用于吸附 制冷，吸附制冷是一项清洁的制冷技术，这顶技术的开发将使制冷和空调发生 革命性的变化。 核工业中的 应用。 用浸渍碘的 活性炭可以 吸附 放射性的碘和消除受核污 染的气体。 其他方面的应用。活性炭可用于水果保鲜，在高效气体扩散泵中，活性 炭可用于微量气体吸附剂。/ 1 .2 . 1 .2活性炭在液相吸附方面的应用 u - 1 4 1 活性炭在液相中作吸附剂使用是从精制糖的 脱色开始。 活性炭表面的疏水 性使它能从水溶液中吸附各种物质，因此广泛应用于水溶液的净化中。 ( 1 ) 食品工业的液相脱色精制。 儿乎所有的食品工业都会用活性炭进行精 致脱色如糖类、食品添加剂、食用油、酒类及饮料等的脱色、除杂，脱臭等。 ( 2 ) 制药工业中的液相精制。 制药工业利用活性炭进行吸附处理， 其目 的 除脱色、脱臭外，还可提高药品的纯度，增加药品的稳定性和减少或避免副作 用。 ( 3 ) 化学工业和其它工业的液相精制。 在石油化学工业中， 许多产品如精 制石油、溶剂石油、高级润滑油等的脱色、去除有机硫化物，都要用有机活性 炭处理。在无机工业中，磷酸、盐酸、硼酸、明矾等也必须用活性炭处理。在 冶金工业中， 特别是在湿法冶金中， 如金、 银、 镍、 钻、 铀( 特别是从海水中提 取有铀) 等贵金属的 提取中， 都广泛使用活性炭。 1 .2 . 1 . 3活性炭在环境保护中的 应用p 4 - 1 7 1 当今世界，环境保护和发展已成为人类社会的两大主题。环境保护已成为 人类共同面临的世界性难题。环境保护离不开活性炭已逐渐成为人们的共识。 活性炭在环境保护中主要应用于: ( 1 ) 水处理。 在净化方面，活性炭主要应用于消除臭味，去除着色物质、 游离氯、a b s 及其它有机物。而在处理工业废水中，活性炭广泛应用干处理石 油精制废水、石油化工废水、印染废水、制药废水等。 此外，活性炭还可用于 工业用水 如高纯度水) 的处理及城市污水的处理。 第 1 章 引言 ( 2 ) 大气污染的防治， 如生活环境的空气污染、 烟气脱硫以及汽车尾气处 理等。 1 . 2 . 1 .4活性炭做催化剂载体 1 8 -2 0 1 活性炭是无定型炭和石墨炭的混合物。由于活性炭中小尺寸的结晶体具有 大量的不饱和价键具有类似于结晶缺陷的结构。而且石墨层平面本身由于n 电 子结构的存在也能够显示催化活性。 在光气合成，氯化硫酸的合成，水解反应，异构化反应和环烷化反应上都 有其催化的功能，活性炭是理想的催化剂载体，它具有可伸展的内表面积，多 用于贵金属化合物的浸溃，另外，也曾有人将活性炭用于金属硫化物催化剂的 载体上，也曾得到很好的效果.最近的研究，活性炭还可以用作光催化的催化 剂载体。 1 .2 . 1 .5活性炭材料在电 双层电 容中的应用3 ,2 1 1 碳有许多物理化学及其它形态的性质，常见的是化学稳定性，活性炭之类 的多孔碳材料本身固有的基本性质。应用最广泛的是基于高的表面积而用作吸 附剂，它的一个更重要的性质是碳质材料电解质，以石墨为代表的电子材料在 电 子方面已 得到广泛应用。但是将碳质材料的导电 性和高吸附性结合起来，应 用却很少研究，研究高吸附性和导电性的科学即电吸附科学刚刚发展， 用于锰 电 池中 做导电 极 的 乙 炔炭 黑 的 表 面 积 仅6 0 0 m 2 / g ， 而 期 待 用 作 成型 活 性 炭电 极 的 是 表 面 积 超 过3 0 0 0 m 2 / g 的 高 表 面 积 活 性 炭 粉 末。 多 孔 态 的 形 态己 从 原 有 粉 状 和颗粒状活性炭发展到活性碳纤维、活性炭织物和毡，活性炭纸以及块状活性 炭等。成型活性炭可用来制造电 双层电 容的电极，高表面活性炭有适宜的 微孔 结构和巨大的电容最，是作为电容电极的益佳材料之一。 1 . 2 . 2活性炭性质 1 .2 .2 . 1活性炭的 表面特性2 2 . 2 3 1 活性炭的性能主要是由活性炭的空隙结构和表面化学性质两方面决定的， 活性炭的吸附特性不仅决于它的空隙结构，而且也决于其表面化学性质， 表面 化学性质决定了 活性炭的化学吸附。化学性质主要由表面的化学官能团，表面 杂原子和化合物确定，不同的表面官能团，杂原子和化合物对不同的吸附质有 第 1 章 引言 明 显的 吸附 差别。 活性炭表面 官能团 大致可分为 含氧官能团 和含氮官能团， 此 外还有含卤素，硫等元素的官能团。 1 . 2 . 2 . 2活性炭的孔隙结构 活性炭的 孔隙结构是指孔隙容积、孔径分布、表面积和孔的形状。活性炭 的孔径分布范围很宽， 孔的形状也多种多样。 通常把半径小于2 n m 的孔叫微孔， 2 h 2 s 0 4 h c i h n 0 3 ， 用 磷酸在低温活化得到的主要为微孔活性炭，高温活化时，中孔增加而微孔减少 3 5 1 。 近年 来， 以 h 3 p o 4 为 活 化 剂， 煤为 原 料 制备 活 性炭 的 研 究表 明 ， h 3 p 0 4 的 活 化作用随着煤化程度的提高而降低。 煤的品质越高， 活化得到的比表面积越低。 另外， 由于煤中的金属物质作用形成 f e p 0 4 . a 1 2 ( p o 4 ) 3 , s i p 2 0 7 等物质， 所以 制 得的活性炭灰分较高，而灰分会降低炭的机械强度、对于颗粒炭，高灰分是不 适宜的。/ h s i s h e n t e n g 等 人 3 6 研 究 了 z n c 1 2 活 化 烟 煤 ， 发 现 z n c 1 2 5 0 0 活 化 产 品 平 均 孔径比 c 0 2 9 0 0 活化的 产品的平均孔径更大，得到的 z n c 1 2 活化产品中孔所占 比 例较大。 根据 z n c 1 2 脱水温度在7 0 0 k 左右， 一 般活化温度控制在该 温度之上， 随温度升高比表面和微孔体积减少，这主要是由于高温下碳层结构的变化引起 了 颗 粒 的 收 缩。 j u n ic h i h a y a s h i 等 人 13 4 1通 过 z n c 1 2 和 h 3 p o 4 活 化 纤 维 素 炭 化 物 发 现， z n c l 2 和h 3 p 0 4 活化在低于5 0 0 反应效果较为明显的作用。 当温度达到6 0 0 1c 得到的产品具有最大的比 表面。 采用z n c 1 2 , h 3 p o 4 活化时， 发现产品的 微孔体 积与活化温度下化学试剂所占的体积相一致，当载量较高时，颗粒外存在的活 化剂浓度高，接近表面层的有机物分解速度快，孔被拓宽，出现中孔和大孔。 因 此， z n c 1 2 , h 3 p 仇活化剂的作用表现在两个方面: 促进热解过程， 形 成基于乱层石墨结构的初始孔隙;充满在形成的孔内， 避免了焦油的生成， 清洗后除去活化剂可得到孔结构发达的活性炭。 可见通过z n c 1 2 , h 3 p o 4 活化剂 的量及活化温度，较容易控制活性炭的孔结构。 1 .2 .3 .3催化物理活化 催化物理活化是对物理活化的进一步改进，添加催化剂能够有效的提高反 应速度，但同时也会对孔结构产生不同的影响。碱金属和碱土金属己被发现均 能提高 c 0 2 活化和水蒸汽活化的速度。 d .c a z o r l a - a m o r o s 等人3 7 研究了 c a o 催化剂在水蒸气活化和在c q活化过 程中的作用，活化结果表明 c a o 能够显著提高 c 0 2 活化速度， c a o 烧结速度慢， 催化剂活性高， 得到的产品具有发达的大孔和中孔;而采用水蒸气活化时，催 化作用不显著，c a o 烧结速度大于反应速度，堵塞0 . 7 n m以下的微孔，0 .7 - 2 n m 第 1 章 引言 的微孔增加，对中孔大孔影响不大。 以 钾 盐 作 为 催 化 剂 的 研 究 较 多 ， j o r g e l a in e 等 人 3 8 1研 究 了 不同 钾 盐 催 化 剂 对椰壳活性炭比表面的影响，用c 0 2 活化 ，比表面大小的顺序 为:k 3 p 0 4 k 2 c o 3 k o h 空白 k c i . k 2 c o 3 的活化速度最大: 还发现k 3 p 0 4 浸渍 溶 液， 碱 性 越 强 ， 得 到 的 活 性 炭比 表 面 越高( 1 5 5 5 m 2 / g ) 。 在 另 一 篇 文 献 中 报道， 采用肠p 氏催化活 化得到的 活性炭土要以 徽孔为主3 9 1磷酸 根与 石墨边角杂原 子一 o h . - h 作用， 形成表面保护层， 能避免过度表面烧火， 在一定程度上可以提 高活性炭 收率， 但是碳孔的孔尺寸大 于不加催化剂的活 性炭. 李梦青等人2 1 对 椰壳炭进行气相氧化活化时，发现添加f e 和磷酸钾催化样品，能够显著提高气 相氧化的速度，但是磷酸钾催化不利于产生发达的微孔，有助于中孔的生成。 几乎所有金属对炭的 气化有催化效果4 0 1 ， 然而根据活化剂的不同， 其相应 的催化活性也不尽相同，影响碳的金属催化气化反应的因素很多，如催化剂的 形态 包 括不同 价 态金属的 化合 物 ) ， 催化剂与炭基体的结合 状态以 及 催化剂的 大小等.化学活化法所用的金属一般为碱金属或碱土金属的盐类，如k o h , n a o h 等 ( 也有利用 z n c 1 2 的 ) ， 制得的 活性炭主要含有微孔， 所以 制备中 孔活性 炭一般不采用碱金属及碱土金属化合物。 1 . 2 . 4活性炭的表面改性 活性炭的纯碳晶体表面是非极性的，因此有利于吸附非极性化合物。但如 果通过工艺控制及后处理方法，增加炭表面的非碳元素基团，或添加进不同化 学成分，使活性炭表面改性，活性炭能同时吸附极性或可极化化合物，与相应 的化学成分起化学反应或催化作用，因而能进一步适合各种特殊用途的要求。 1 .2 .4 . 1氟化处理 氧化处理是常用的改性活性炭的方法，主要是利用强氧化剂在适当的温度 下对活性炭表面的官能团进行氧化处理， 从而提高表面的含氧酸性基团的含量， 增强表面的极性，显著增强活性炭的吸附选择性能力。常用的氧化剂大多为 h n o 3 . h 2 0 2 . ( n h 4 ) 2 s 2 0 8 等氧化物 质。 不同的氧 化剂处理后， 含氧官能团的 数 量和种 类不同， 氧化 程度越高， 含氧官能团 越多 4 1 1氧化处理也 可以改 变活 性 炭的孔隙结构，比 表面积、 容积降低，孔隙变宽。 第 1 章 引言 1 . 2 . 4 . 2还原处理 强还原改性主要是通过还原剂在适当的温度下对活性炭表面官能团进行还 原改性，从而提高含氧碱性基团的比含量，增强表面的非极性，这种活性炭对 非极性物质具有更强的吸附性能。 有人认为， 活性炭的碱性主要是由于其无氧的l e w i s 碱表面， 可以通过在还 原 性 气 体 h 2 或 n 2 等 惰性 气体下高 温处理得到 碱性 基团 含 量 较多的 活 性炭4 2 1 1 .2 .4 .3添加活化剂 国内 外学者在活性炭主体结构上的 表面碳原子添 加杂原子( o . s , n 、 c l 等 ) 和酸性或 碱性以 及无机盐和金属氧 化物4 3 - 5 0 1 ， 形成各 种表 面化学 基团， 改变 活性炭的疏水特性，提高活性炭的吸附能力和选择性。 添加化学物质的方法有以下几种:活性炭在一定浓度溶液中浸渍，使细孔 内被药液浸透:使活性炭与药液蒸汽接触，药液吸附于活性炭内孔中:氧化活 性炭表面，赋于官能基团，然后以 化学键力吸收药液。 1 . 2 . 4 . 4低温等离子体处理 低温等离子技术既能改变活性炭表面化学性质又能控制材料的界面物性， 在活性炭材料的表面处理方面显示独到的优势。用于炭材料表面改性的低温等 离子体主要是电 晕放电、辉光放电和微波放电 产生. 材料的表面改性需要通过断开或激活材料表面的旧化学键并形成新的化学 键才能实现，利用低温等离子体处理完全可以破坏材料表面的旧 化学键而形成 新 键， 从 而 赋 予 材 料表面 新的 特性 5 i 1 .2 . 4 . 5微波处理技术 活性炭在微波辐照下， 吸收了 微波能量， 体系的 温度迅速上升， 使得活性炭 表面的 官能团 ( 酸性和碱性 ) 与改 性剂 ( 还原 性 气体 n 2 , 玩等， 金属化 合物 c u n 0 3 等， 低浓度的 氧 气或 低氧 化性气体) 发生 化学 反 应， 结 果 使孔表面的 官能团的 结 构 发生 变化 5 2 . 5 3 1 ， 同时， 体系的 温度升高会 进一 步炭化， 使孔结构 会发生一定 的改变。 用浸泡化学试剂加微波辐照的方法改性的过程为，活性炭样品经过浸渍改 性 剂 后 ， 用 微 波 辐 照 样品 ， 同 时 通 入 保 护 气 ( n 2 ) o m e n e n d e z j a 等 5 4 1用 微 波 辐 照 - n 2 法处理两类不同的木质活性炭， 前者是用水蒸气活化法制得活性炭样品， 后 第 1 章 引言 者 是在 前 者的 基 础 上 浸 渍 硝 酸， 使 其带酸 性 基团 的 样品。 发 现微波 辐照 去除了 活性炭表面的大多数含氧基团，使得活性炭的碱性增强:当把两者放在空气中 氧化时，发现浸渍硝酸的活性炭改性样品的抗氧化能力比没有浸渍硝酸的要强 得多。 另一 类改性的 过 程为， 活性炭经 微波 辐照， 同 时 通入改性气体( 还原 性气体 n 2 . h z 等， 低浓度的 氧气或低 氧化性气体 ) 。 若 通入的改 性气体是还原性的， 改 性后的活性炭表面酸性基团受到破坏，碱性基团受到保护，活性炭表现为碱性 增强:若通入的气体是氧化性的，活性炭表面碱性基团被破坏，改性后的活性 炭 表 现 为 酸 性 增 强 。 氧 化 性 气 体 对 活 性 炭 的 孔 结 构 参 数 的 改 变 比 还 原 性 气 体 的 大。 四川大学的蒋文举等 1 将颗粒状活性炭放入通有n 2 的石英玻璃反应器中， 用 微波辐照反应器， 控制微波功率和时间， 发现微波辐照后的样品的s 0 2 吸附能力 大为提高， 微波功率是影响改性活性炭的脱硫能力的主要影响因素。微波辐照 活性炭，使得活性炭表面酸性基团分解，表面含氧量减少，碱性增强，因此吸 附s 0 2 的 能力增强。 b o u d o u j .p .等1 5 5 用微波辐照 处理颗 粒活性 炭， 同 时通入低压 o z ，实验对比了 处理前后活性炭的表面酸性基团的含量、孔参数，发现活性炭 在微波辐射作用下， o z 只与活性炭表面官能团发生反 应， 而活性炭内部受到了 保护不起反应，反应的结果使活性炭表面带上大量的显酸性的拨基。还发现在 较高的功率下，活性炭的孔径明显变大。 1 . 2 . 5活性炭的再生 活性炭的再生，就是将饱和吸附各种污染物的活性炭经过特殊处理，使活 性炭恢复绝大部分的吸附能力，以便重新用于吸附过程，降低生产成本，减少 资源的浪费。 人们对活性炭的有效再生与利用进行了 大量的研究1 3 ,5 -2 0 .5 6 -5 8 1 ，提 出了各种活性炭再生工艺技术，如加热再生法、化学药品再生法、电化学再生 法、 超临界萃取再生法、光催化再生法、生物再生法、微波再生法等。几种主 要的再生方法的机理及理论简述如下: 1 .2 . 5 . 1加热再生法 根据有机物在加热过程中分解脱附的温度不同，加热再生分为低温加热再 生和高温加热再生。 ( 1 ) 低温加热再生法。对于吸附沸点较低的低分子碳氢化合物和芳香族有 第 1 章 引言 机物的饱和炭， 一般用1 0 0 2 0 0 0c 蒸汽吹脱使炭再生， 再生可在吸附塔内 进行。 脱附后的有机物蒸汽经冷凝后可回收利用。常用于气体吸附的活性炭再生。 ( 2 ) 高温加热再生法。常用于水处理的活 性炭的 再生， 在水处 理中，活 性 炭吸附的多为热分解型和难脱附型有机物，且吸附周期长。高温加热再生法通 常经过8 5 0 高温加热， 使吸附在活性炭上的有机物经碳化、 活化后达到再生目 的，吸附恢复率高、且再生效果稳定。 1 .2 .5 . 2化学药品再生法 药品再生法可分为反应再生法和溶剂萃取法。 使用酸或碱改变溶液 p h 值进 / 行操作的 方法， 称为反 应再生。 它只适用于活 性炭吸 附 量受 p h 值影 响很大的 场 合。使用溶剂对废炭进行萃取再生的方法，即溶剂再生或溶剂萃取法。 通常使 用的溶剂有乙醇、丙酮、甲醇和四氢吠喃等。药品再生法的优点是吸附质易于 回收，活性炭的损失不大.其缺点是溶剂使用后处理不当易产生二次污染，且 由 于废液与再生炭分离困 难，对粉状活性炭难于再生。 周妃杰、 程浪泉等1 5 9 1 把 热再生和药品再生结合起来取得了很好的再生效果。 1 . 2 . 5 . 3电化学再生法 电 化学再生是在电解质存在的条件下将吸附质脱附并氧化，使活性炭得以 再生。电化学再生操作既可以采用间歇搅拌槽电 化学反应器，也可以采用固定 床反应器， 并可以进行在线操作， 其处理对象比化学药品再生所受局限小许多。 如果处理工艺选择得当，处理就会比较完全，可以避免二次污染。电化学再生 活 性炭的 再生 效率高， 可以 接 近9 0 % 6 0 . 6 p . 1 . 2 . 5 . 4超临界萃取再生法 ( 1 ) 超临界c 0 2 萃取再生 利用超临界c 0 2 具有较低的临界温度和适宜的临 界 压力、密 度大、 对有机 物的溶解度大、粘度小、传质速率高、扩散性能好和表面张力极低的特点，从 而便子表面渗透进入活性炭的微孔体系，活化微小孔径进行再生。超临界c 0 2 萃取再生的优点是消耗能量少，再生过程中活性炭损失较少。缺点是对与活性 炭结合紧密的 有机物， 这种方法不能完 全再生 16 2 1 ( 2 ) 临界或亚临界液态水脱附再生 利用液态水在高 温( 1 2 0 0c 一1 5 0 0c ) 和高 压( 1 2 .o m p a -1 5 . o m p a ) 的条 件下， 第 章 引言 对有机物的极强的溶解能力而进行的再生，高温下的液态水是有机化合物良 好 的萃取剂，当温度升高的时候，水的介电常数降低，可以溶解所有类型的有机 化合物。并且由 于别的物理化学性质如密度、粘度和表面张力都随温度的升高 而降低，使得它的动力学性质得以改善，对多孔固体有较强的穿透力。临界或 亚临界水脱附再生法再生后活性炭的吸附效率没有明显的降低，一次再生后稍 有提高。临界或亚临界液态水