活性炭的制备与应用.docx

北京林业大学活性炭的制备与应用宋阿娜1（北京林业大学，材料科学与技术学院林产化工系）摘要：近些年来，活性炭已经成为我们生活中以及工业中常见的吸附剂，它具有比表面积大，选择性吸附强等特点。活性炭的制备方法分为物理活化法（即气体吸附法）和化学活化法。气体活化中的气体活化剂有水蒸气、二氧化碳以及它们的混合气体，化学活化法中的化学药品活化剂有氯化锌、磷酸和碱。活性炭在工业、农业、食品、医药等领域都有广泛应用。根据吸附和运用对象的不同，可以分为气相吸附，液相吸附，作为催化剂和催化剂载体的应用以及在医疗方面的应用。活性炭可以多次重复再生使用，对环保起到了重要作用，并且有很好的发展前景。关键词：活性炭；制备；应用；活化；净化1. 概述活性炭是具有孔隙结构发达、比表面积大、选择性吸附能力强的碳质吸附材料。在一定的条件下，对液体或气体的某一或某些物质进行吸附脱除、净化、精制或回收，从而实现产品的精制和环境的净化（蒋剑春，2010）。时至今日，活性炭已经被广泛应用于工业、农业、国防、交通、食品、医药、环境保护等各个领域，并且活性炭使用失效后可以用各种办法进行多次反复再生。活性炭主要是以木炭、木屑、各种果壳、煤炭和石油焦等高含碳物质为原料，经碳化和活化而制得的多孔性吸附剂。活性炭的吸附大多数是物理吸附，即范德华吸附，也有化学吸附。活性炭基本上是非结晶性物质，它由微细的石墨状结晶和将它们联系在一起的碳氢化合物构成，固体部分之间的间隙形成孔隙，赋予活性炭特有的吸附功能。一般认为活性炭的孔由大孔、中孔和微孔组成，大孔孔径为502000nm，中孔为250nm，微孔孔径小于2nm。2. 活性炭的制备2.1制备原理活性炭是通过把木材、煤、泥炭等许多来自植物的、成为碳前驱体的原材料，在几百摄氏度的温度下炭化以后，在进行活化而制成的。炭化在惰性氛围气中进行，原材料经过热分解放出挥发分而变成炭化产物，此刻的炭化产物的比表面积只有每克几十平方米左右。而具有发达的孔隙及其相应比表面积的活性炭是再需将该炭化产物用水蒸汽、二氧化碳或化学药品（如氯化锌）在高温条件下进一步活化而制得（日立本英机，安部郁夫，2002）。活化后的活性炭再根据需要制成不同形状和大小的产品。其中活化是很重要的一步。2.2制备方法2.2.1气体活化法所谓的气体活化工艺，就是让炭化后的碳材料与活化气体进行反应以形成孔隙的工艺，这是一种物理活化法。最常见的活化气体是水蒸气、二氧化碳以及它们的混合气体。孔隙的生成与碳的氧化程度有密切的关系，而炭的氧化必然要消耗炭，因此常用烧失率，即活化期间炭减少的质量分数来度量炭的活化程度。杜比宁（Dubinin）认为，烧失率小于50%，得到微孔活性炭；烧失率大于75%，得到大孔活性炭；烧失率介于两者之间时，得到的是混合结构。水蒸气活化法的基本反应，也表示水煤气的反应。因为氧在活化温度下会侵蚀炭，使炭表面积烧失，从而降低活性炭的产率，所以它是在隔绝氧气和750950的条件下完成的。研究表明，碳与水蒸气的反应受炭材所含灰分中的金属及金属氧化物的催化作用影响，使气化反应显著提高，因此，反应时常加入金属催化剂。二氧化碳活化法实际上是使用烟道气作为活化剂，其中还混杂着大量的水蒸气，很少单独使用二氧化碳气进行活化。一般用碱金属的碳酸盐做催化剂，温度控制在8501100之间。混合气体活化法经常采用空气与水蒸气、烟道气与水蒸气、烟道气与氧气等混合气体进行活化或两种活化介质交替进行活化的方法。这种方法对气体进行适度比例混合，对不同的原料炭的不同活性点运用不同的混合气体，从而使活化温度稳定，活化均匀，活化产量提高（张世润，2002）。2.2.2化学活化法这是将各种含碳原料与化学药品均匀地混合或浸渍后，在适合的温度下，经过炭化、活化与回收化学药品等过程制取活性炭的一种方法。所用的化学药品一般是氯化锌、磷酸和碱。氯化锌法活性炭生产是用木屑原料经过氯化锌溶液浸渍、炭化、活化、回收氯化锌、烘干、粉磨等过程而成。比起气体活化法其原料消耗少，产品得率高，灰分低，控制锌屑比可以生产出不同孔径的活性炭，所以氯化锌法生产的活性炭产品受到用户欢迎。但从环保角度看，氯化锌法生产污染比较严重，但并非不可治理。影响氯化锌法活化过程的主要因素除了锌屑比，还有原料，活化温度和活化时间的影响。磷酸法生产活性炭和氯化锌法相比，污染较小且产量大。磷酸法炉温在400500，相比于氯化锌法的500600，工艺温度降低了不少。氯化锌法与磷酸法生产比较（黄河清，2009）活化方法氯化锌法磷酸法木屑含水量12%12%活化剂浓度57Be45Be液比6:14.5:1炉温520420活化时间50min42min灰分1.5%5.1%从表中可以分析出，磷酸法最大的缺点是灰分高，而磷酸法有产品得率高，活化温度低，消耗燃料省，成本比较低，污染少，这些都是磷酸法的优点，因此这些年来有不少原生产氯化锌法的活性炭厂家转向磷酸化生产。碱法生产活性炭和前两个化学法相比，它不直接采用木屑为原料，而是先将木屑炭化后而加以利用。在制备工艺上，原则上要求碱炭比23:1，活化温度600800，时间23小时。如氢氧化钾活化法制备活性炭时，活化后的洗涤是关键。未洗时，产品的孔很少，先后经过酸水洗，热水洗，蒸馏水洗，把产品中的非本体物质洗去，它们原来占据的空间就形成了孔（吴明铂，1999（4）。因此，虽然洗涤较复杂,但一定要反复洗涤，直到洗干净为止。2.2.3活性炭的再生活性炭的再生是活性炭吸附的逆过程，即将饱和吸附各种杂质的活性炭经过物理、化学或生物化学等处理方法，使其恢复吸附能力，从而延长活性炭的使用寿命，降低运行成本，从而减少资源的浪费。3. 活性炭的应用3.1气相吸附3.1.1工业气体分离工业气体分离是在含有主要有效成分的介质中，用活性炭吸附除去不需要的杂质，从而提高产品纯度和价值的操作。常用的方法有薄膜渗透法，吸收法，分凝法，精馏分离法和吸附法。这种气体分离技术在20世纪初就开始发展，现在已经被广泛利用。如用空气分离来制取氧气，氮气，氩气或稀有气体；天然气分离提取氦气；从重整尾气中制氢气等。随着对吸附分离研究吉利的不断深入，结合其他化工处理技术，活性炭必将在工业气体精制分离中发挥越来越重要的作用。3.1.2大气中有毒气体的净化通常将距地面约10km的对流层大气成为空气，尤其是9km以下的边界层，对人类的影响最大，是主要空气污染区域。大气中的空气污染物主要有二氧化碳，一氧化碳，硫化氢，二氧化硫等（郏其庚，2002）。而这些废气与具有比表面积大的多孔的活性炭接触，废气中的污染物被吸附，使其与气体混合物分离，从而达到净化目的。3.1.3室内活性炭的功能应用如今随着生活质量的提高，人们对室内的环境有了更高的诉求，不少人住上了新房子，装修后的有毒气体残留给健康带来了一定的隐患。活性炭作为室内有害气体吸附剂能很好地利用自身的微孔结构，把有害气体吸附进去，能较为彻底、长效的达到空气净化目的。活性炭对香烟的烟碱和焦油也有一定的效果，科学家们研究出了硝酸活化的碳纳米管，它对烟碱和焦油的吸附效果提高了12倍（沈曾民，2006）。由此可以看出，活性炭在我们的生活之中也随处可见。3.2液相吸附近些年来环境的污染，消费者对饮用水的反映以及对水循环状况恶化的深感不安，大家对饮用水的关心不断提高。由于活性炭的高吸附功能以及活性炭表面发生的还原反应，它常被用来作为水的净化剂使用。而且，活性炭也是优良的脱色剂，被大量运用于制糖工业，制酒工业以及其他食品工业中。3.3作为催化剂或催化剂载体活性炭中无定型碳和石墨碳具有不饱和键，有类似于结晶缺陷的表现。而很多金属和金属氧化物的催化活性取决于活性中心的存在，而活性中心多半是由于晶格的缺陷。因此，活性炭是理想的催化剂，同时活性炭具有较高的比表面积，所以也非常适合做催化剂的载体。如活性炭作为白液氧化的催化剂，以活性炭为载体负载酸催化剂合成各种脂类等等。3.4医疗方面的应用活性炭用于吸附出去人体代谢产物是利用活性炭在消化器官中吸附毒性物质随人体代谢废物一起排除体外的一种方法。它主要用于吗啡、阿托品、氯化亚汞等中毒症的解毒。活性炭还用于血液净化和抗癌药剂载体。它在身体内的化学性质非常稳定，这一点是活性炭作为药剂载体使用时非常有利的一点。但活性炭不能通过人体的代谢作用排泄出来，这是其缺点，但药物学家们正致力于开发能从人体代谢出来的活性炭吸附剂类型。4. 活性炭的发展前景传统活性炭大都用于废气废水处理。目前，随着高比面积超级活性炭的面世，人们也试图把它利用到人体上。活性炭无粉尘技术的开发及应用问题一直是业内人士特别关注的。但是，无论是以煤为原料，还是以果壳或是木材为原料所生产的不定型颗粒活性炭、圆柱形活性炭还是球形活性炭都无法彻底地清除掉其表面上附着的粉尘，特别是无法在基本保持活性炭原有的吸附特性的前提下清除活性炭表面上附着的粉尘。长期以来，市场一直在呼唤的活性炭无粉尘化技术至今未能研制成功。因此，这方面的发展也有一定的前景。这些年来，世界上主要活性炭生产国美国、日本等都已经把着眼点转向活性炭再生技术开发方面，活性炭使用一次后丢弃还是经再生利用已经成为反映一个国家活性炭工业水平的重要标志。参考文献1蒋剑春.活性炭应用理论与技术M.北京：化学工业出版社，2010:1-22日立本英机，安部郁夫著.活性炭的应用技术其维修管理及存在的问题M.高尚愚译.南京：东南大学出版社，2002:30-32 3张世润，胡勇，崔兆玉，罗思