活性炭的应用及发展

1 活性炭的发展及应用 2 主要内容 一 活性炭的简介二 活性炭的制备三 活性炭的表征四 活性炭的应用五 新型的碳材料 2 3 一 活性炭的简介 活性炭是一种多孔炭材料 具有高度发达的孔隙结构和巨大的比表面积 吸附能力强 化学稳定性好 机械强度高 使用失效后易再生等特点 广泛应用化学工业 食品加工 医疗卫生 农业 国防等领域 4 一 组成 结构与性质 组成 5 结构及孔的形状 结构 活性炭是非晶体物质 由排列成六边形的碳原子平面层组成 这些平面层的排列不是类似于石墨的结构 而是杂乱且无规律地排列成 螺层状结构 孔的形状 圆筒孔 狭缝孔 圆锥孔 锥形狭缝孔 墨水瓶孔 分类 1 按孔径 微孔 r50nm 气相吸附 液相吸附 催化剂载体 作为通道 6 2按形状分 3按原料分 a 植物类原料活性炭 木材 椰壳 核桃壳 杏核 竹材 稻草等 7 b 矿物类原料活性炭 煤 石油焦 煤焦油 煤沥青 石油残渣 石油沥青等 c 其他原料活性炭 塑料类 纸浆废液 旧轮胎 动物骨 蔗糖 糖蜜等 3按制备方法分 a 化学碳 以ZnCl2 H3PO4 KOH等为活化剂 化学活化法制备的活性炭 b 物理碳 以水蒸气 CO2等为活化剂制备的活性炭 8 二 国内外发展现状 国外活性炭生产国有美国 俄罗斯和日本等 世界活性炭的年产量约70万吨 其中一半以上是由美国 日本及西欧经济共同体等工业国生产 欧美等发达国家在活性炭制造技术方面已完成大型化 自动化 连续化 无公害化制造体系 而且对制造新工艺的研究与活性炭微孔结构和表面化学基团的关系研究 做到了品种的专用化和多样化 9 我国活性炭工业生产起步于20世纪50年代 80年代以后发展迅速 主要以煤质活性炭为主 我国目前有中小型活性炭生产企业1000余家 活性炭产量占世界产量的三分之一 已成为世界上最大的活性炭生产国 2007年生产量达到35万吨 出口量25万吨 但是我国活性炭行业在制造技术上不如欧美国家 存在生产规模小 产品质量参差不齐 资源浪费等问 10 二 活性炭的制备 活化机理 活化剂在高温下与碳发生氧化还原反应 生成气体 如CO H2 由于碳化物表面受到侵蚀 是碳化物的孔结构更加发达 11 影响因素 碳化温度 400 600 左右 碳化时间 1h左右 活化温度 800 1000 活化时间 1h左右 活化剂流量 12 活化机理 3 其他活化法 如物理 化学法 模板法等 13 4 成型活性炭的制备 由于活性炭的 螺层状结构 平面层之间都是以分子间力相互结合 因此 活性炭的耐磨损度 耐压强度都很差 成型活性炭的优点 1 具有一定的形状和尺寸 易于调变和加工 2 密度和强度较高 无粉尘污染 3 单位体积的吸附量远高于粉状活性炭 14 成型活性炭的制备方法 以碳质前驱物为原料制备成型活性炭 原料预处理 成型 碳化 活化 后处理 产品 特点 该种方法制备的成型活性炭 骨架易遭到破坏 难以制的高比表面积的成型活性炭 15 以粉状活性炭为原料制备成型活性炭 粉状活性炭 粘结剂 混合 压缩成型 加热处理 后处理 成型活性碳 该方法是制备高性能成型活性碳所必须的方法 16 粘合剂的分类 有机类粘结剂 腐植酸及其钠盐 黏结性木质素 煤焦油 聚乙烯醇及其衍生物和酚醛树脂等 无机粘合剂 氧化铝 二氧化钛 硅酸盐 蒙脱土等 用有机粘合剂易得到比表面积较高的成型活性炭 但是其机械强度不是很好 17 总的来说 成型活性炭的吸附性能和机械强度是相互矛盾的 要同时提高其吸附性能和机械强度是十分困难的 无机类物质作为黏结剂 可以大幅提高成型活性炭的机械强度 但添加量较少 则不能成型 而添加量过多 又会导致成型活性炭中炭含量减少 比表面积下降 因此 该类方法适合生产某些具有特殊吸附性能的成型活性炭 18 三 活性炭的表征 分析与检测 1 孔径分布压汞法主要用于测定较大的中孔和大孔 并可确定这部分孔的孔径分布 毛细管凝聚法是物理吸附法中测定孔径分布最常用的一种方法 分子吸附法用来测微孔 如77K的氮气吸附 19 2 表面化学性质活性炭表面可能含有酸性 碱性 中性基团 最常见的基团是羧基 羟基 内酯基和酚羟基 常用的测定方法有 Boehm滴定 零电荷点 PZC X射线光电子能谱 XPS 傅里叶变换红外光谱 FT IR 和热重分析 20 3 微观结构结构SEM和TEM 4 理论模型 21 5 性能检测指标物理性能 活性炭的水分含量 灰分含量 强度 粒度分布 表观密度 漂浮率 着火点 挥发分含量等 吸附性能 包括水容量 亚甲基蓝吸附值 碘值 苯酚吸附值 四氯化碳吸附 脱附率 饱和硫容量 防护时间等 化学性能 元素组成 含工业分析 元素分析 和有害杂质分析 表面氧化物 泽塔电位等 22 四 活性炭的应用 活性炭作为优良的吸附剂 常用于水体净化 空气的净化 工业废气回收 贵重金属的回收及提炼等 其应用范围涉及化学工业 食品加工 医疗卫生 农业 国防等领域 催化及电化学电源 在环境保护和人类生活中起着重要作用 23 1 在液相吸附中的应用活性炭在液相中主要用于包括水处理 食品工业脱色及贵金属回收等 其中 水处理主要应用在饮用水的净化 废水处理 工业用水处理这三大方面 2 在气相吸附中的应用活性炭在气相吸附中的应用主要包烟道气 工业废气的处理和净化 生活空气净化 油气回收及毒气防护等 24 3 在催化方面的应用活性炭本身就具有催化活性 一般可单独作为催化剂使用 也可以作为催化剂载体 负载活性离子 此外 活性炭还可用于土壤的污染治理 储氢 作为新型储能器件的电极材等 25 五 新型的碳材料 一 活性炭微球球形活性炭是20世纪70年代后期由日本 美国 联邦德国和苏联等工业发达的国家研制开发成功的一种高档活性炭新品种 80年代后后期逐渐进入工业化阶段 26 日本大阪瓦斯公司以中间相沥青为原料微球为原料 以KOH为活化剂 制的比表面积高达3000 4600m2 g的超高比表面积活性炭微球 制备球型活性炭的原料有 煤 高分子和沥青 其 球形活性炭具有均匀的球形外表 表面光滑 力学强度高 比表面积大 耐磨损 耐腐蚀 长期使用掉屑少 产品杂质含量低等优点 27 制备方法 压条成球法 介质分散法 喷雾法 反响乳液法和热缩聚法 乳液法 悬浮法等 应用 化工 石化 医药 防毒防护 能源环保等领域 制备工艺流程如下 煤沥青或石油渣油 高软化点沥青 沥青球 不熔化沥青球 球型活性炭 调制 球形化 添加剂 不熔化 氧化介质250 400 碳化 活化 N2 活化剂 900 28 二 活性炭纳米管 活性炭纳米管可以看成是单层或多层石墨片层卷曲而成的无缝中空管状结构 因此 具有管状孔隙 层间孔隙等 此外 还具有表面原子密度大 比表面积大 孔结构和表面结构可修饰等特点 29 这些特点使其在催化剂载体 储氢材料 超级电容 锂离子二次电池和隐形材料等领域都得到广泛的研究 制备方法 气相氧化法 液相氧化法和固相氧化法 无论那一种方法 都是将碳纳米管经活化处理及后处理得到活性炭纳米管 30 三 活性炭纤维 活性炭纤维 ACF 是继粉末活性炭 PAC 和粒状活性炭 GAC 之