活性炭棒的产业应用现状及未来发展趋势分析

1、活性炭棒的产业应用现状及未来发展趋势分析轻纺工业与技术2012年第41卷第1期活性炭棒的产业应用现状及未来发展趋势分析兰慧芳,邹专勇,喻佳丽,朱卫红,支佳雯(绍兴文理学院纺织服装学院,浙江绍兴312000)【摘要】首先基于活性炭颗粒,活性炭纤维吸附机理,对活性炭棒过滤吸附过程进行了比较和分析;然后详细阐述了活性炭棒制备原料及所需粘合剂的种类与特点,并介绍了活性炭棒的不同制备途径,分析了各自存在优势与缺点;最后对活性炭棒的应用领域做了介绍与展望.【关键词】活性炭棒;吸附机理;粘合剂;制备;应用中图分类号:TQ424.1文献标识码:A文章编号:20950101(2012)01003804活性炭的过

2、滤吸附作用产生于两个方面:一是物理过滤吸附,主要依靠范德华力,由于活性炭内部分子在各个方向都受着同等大小的力,而表面的分子则受到不平衡的力,这就使其它分子吸附于其表面上,同时也因活性炭内部的大量微孑L存在阻碍大粒径杂质通过而达到净化的目的;这些被吸附杂质的分子直径必须是要小于活性炭的孔径;另一个是化学过滤吸附,即活性炭与被吸附物质之间因产生化学作用而达到吸附,过滤和净化.当吸附过程温度处于较高情况时,对于多孔活性炭而言,通常化学吸附比物理吸附显得更加重要E2.活性炭的过滤吸附是上述两种过滤吸附综合作用的结果,广泛用于除臭,脱色,干燥和过滤等各个领域.活性炭根据其存在形态可分为粉末活性炭,粒状活

3、性炭,活性炭纤维及活性炭棒四大类.不同存在形态下的活性炭其用途及性能存在差异,如粉末活性炭广泛应用于食品,医药,脱色,结晶,过滤,物质提纯等领域,粒径越小,其比表面积越大,过滤吸附效果越好,但存在二次污染且不能再生复活等缺点口.随着生态环境的恶化及人们生活品质的提高,对不同存在形态的活性炭应用需求越来越广泛,如何最佳地发挥不同存在形态的活性炭的过滤吸附效果及拓展应用领域是我们面临的重要课题.如下将通过对活性炭棒过滤吸附机理,产业应用现状进行分析,从而提出该产业发展趋势,为活性炭棒的产业发展提供一定思考方向.收稿日期:2011-11-20基金项目:浙江省大学生科技创新项目(No.2011R426

4、015)作者介绍:兰慧芳(1991一),女,在读本科生,主要从事印染废水处理研究.通讯作者:邹专勇1活性炭棒的过滤吸附过程分析1.1粒状活性炭的过滤吸附粒状活性炭,粒径为5005000m,其孔径结构一般是具有三分散态的孔分布,孔径大小分三类,即大孔(>50nm),中孑L(2.050nm)和微孑L(<2.0nm).粒状活性炭粒径较粉末活性炭大,其过滤吸附机理同样包括物理及化学过滤吸附,因颗粒成形不易流动,水中有机物等杂质在活性炭过滤层中也不易阻塞,相对粉末活性炭其吸附能力强,携带更换方便.但由于粒状活性炭的孔状结构所致,其吸附速率较慢,分离率不高,尤其是它的物理形态使

5、其在应用和操作上的诸多不便,限制了粒状活性炭的应用范围E53.1.2活性炭纤维的过滤吸附活性炭纤维,出现于20世纪70年代,是继粉末与粒状活性炭之后的第三代活性炭产品,是一种新型,高效的吸附剂.相比于粒状活性炭,活性炭纤维具有比表面积大,微孔丰富,孔径小且分布窄,吸附量大,吸附速度快等优点,且以物理吸附为主,受温度的影响比较小,在水及废水处理等方面有着广泛的应用前景tso.活性炭纤维易再生,不易粉化和沉降,具有较快的吸,脱附速度,且可根据需要制备成纱,布,毡和纸以满足各类用途,但存在价格较贵,易繁殖细菌,不能吸附悬浮固体和不溶性染料等缺点.1.3活性炭棒的过滤吸附活性炭棒是利用某种粘合剂通过烧

6、结压缩,热熔挤压等各种物理机械形式将某种粒径或几种粒径组合的活性炭固结成棒状,以用于空气,水净化,有机物吸附净化等领域的一种过滤吸附材料.活性炭棒的过滤吸附机理同样包括物理过滤吸附和化学过滤吸附,但与粒状活2012年第41卷第1期轻纺工业与技术39性炭和活性炭纤维过滤吸附过程相比,易受粘合剂种类,加工成型工艺类型和活性炭颗粒间空隙等因素影响.如对高密活性炭棒而言,成型过程大量活性炭颗粒问无效单元的减少或消除,对提高单位体积的活性炭棒过滤能力最为有效_l0.同时介质在通过活性炭棒时,与活性炭棒接触时间较长,使杂质能较充分被过滤吸附.活性炭棒具有制备成本区性低,且克服了粉末活性炭二次污染问题,能广

7、泛应用于生活污水,工业废水等的处理等优点.然而固结粘合剂的引入将使活性炭颗粒比表面积下降,导致其过滤吸附活性降低.如何在保证活性炭棒成型粘结牢度的基础上,提高活性炭棒的过滤吸附能力,是制备高效,高寿命活性炭棒亟待解决的重要课题2活性炭棒制备原料,所需粘合剂种类及特点2.1活性炭棒制备原料种类及特点不同原材料的活性炭的吸附眭能和孔径分布不同口.因此活性炭棒的制备原料选择对活性炭棒的过滤吸附效果提升极为重要.活性炭棒的制备原料来源主要有煤质活性炭,木质活性炭(如薪材,木屑),竹质活性炭(如毛竹),椰壳活性炭,果壳活性炭(如稻壳,杏核,桃壳,核桃壳和枣壳等).张巍等在前人研究基础上给出了表征活性炭对

8、不同大小分子化合物的吸附性能及表面化学性能的吸附指标,即苯酚,碘,甲基蓝和丹宁酸等的吸附值.表1口"给出了不同种类的活性炭的吸附性能,表明不同原料的活性炭及不同加工工艺获得的同类活性炭对不同大小分子化合物的吸附能力不同,这就要求我们应根据活性炭棒的不同应用领域选择适合的活性炭原料种类.表1不同种类的活性炭各项吸附性能指标造成不同原材料的活性炭吸附性能差异很重要的原因在于不同原料的活性炭孔径结构,分布存在差异.章建等人13比较分析了不同活性炭样品的物理结构参数(见表2),并结合扫描电镜研究表明,竹质活性炭的表面面积和孔结构数据接近椰壳活性炭水平,优于木质活性炭和煤质活性炭;结构上竹质活

9、性碳与木质活性炭相似,具有较开放的致密结构,存在较多的大孔(5lOm),从大孔延伸出中孔及微孔,孔大都呈现针形形态;椰壳活性炭与其他活性炭结构上存在较大差别,具有更为致密的结构,呈现纤维状的孔分布.表2不同活性炭样品的物理结构参数删常见的椰壳,果壳及煤质的活性炭原料特点如下.2.1.1椰壳活性炭椰壳活性炭微孔结构发达,具有最小的孔隙半径,其对小分子(芳环类)和极性有机物的吸附性能较好;同时椰壳活性炭具备吸附速率快,吸附周期短,吸附容量大,脱色,除臭快,强度高,使用寿命长的特点.但是目前国内椰壳资源短缺,炭化强度偏低,水分,挥发份含量较高,活性炭制备工艺不精,进口原料价格偏高.2.1.2果壳活性

10、炭果壳活性炭孔隙结构发达,比表面积很大,中小孔数量较多,对于中型分子的吸附能力强,机械强度高,床层阻力小,化学稳定性及热稳定性好,吸附后固液分离简单,不存在二次污染,且原料来源比较充足,在饮用水净化和废水深度处理方面,果壳活性炭具有非常重要的实用价值.2.1.3煤质活性炭煤质活性炭原料丰富,其碘值指标较高,但因原料煤品种多,如无烟煤,肥煤,黄化煤等,使得制备的活性炭质量不稳定,灰分很多,质量较差,因此需通过改变活化工艺参数制备高比表面积活性炭ll5.而通过KOH,NaOH活化的方法制备高比表面积活性炭容易腐蚀设备,清洗产品的酸液还会造成环境污染.2.2活性炭棒制备所需粘合剂种类及特点粘合剂的种

11、类繁多,按化学成分可分为天然类粘合剂和合成类粘合剂.常见的天然类粘合剂有淀粉,动物胶和天然树脂等,然而天然粘合剂往往需要经过改性才能达到预期的效果,如淀粉经水溶性改性后可用作活性炭棒的粘合剂n.合成类粘合剂,种类较多,有超高相对分子量聚乙烯(UHMWPE),高密度聚乙烯(HDPE),低密度聚乙烯(LDPE),聚丙烯,聚酰胺,聚酯,乙烯一醋酸乙烯共聚物(EVA)和聚醚等粘合剂EI7-193.下面对几种常用于活性碳棒制备的粘合剂进行简单介绍.2.2.1乙烯一醋酸乙烯共聚物(EVA)粘合剂它是由EVA乳液经喷雾干燥后所形成的一种可自由流动的再乳化性白色粉末.EVA乳液表面张力低,具轻纺工业与技术20

12、12年第41卷第1期有永久的柔韧性,较好的润湿性和粘合性,可用于制备粘合强度较高的胶粘剂E2o.EVA乳液呈乳白色或微黄色,共聚物固含量为55%左右,pH值为4.06.5,粘度范围在5004000mPa.s,乳液粒径范围在0.22.0lxm,乳液密度范围在1.031.08g/cm3_.EVA乳液及其胶粘剂具有干燥速度较快,胶膜柔韧性好,粘接强度高,耐水性较好,耐酸碱,耐油等优异性能22.EVA及改性EVA粘合剂具有的较高粘接强度,且易在活性炭颗粒表面形成一层柔韧的胶膜,使制成的活性炭棒具有较高的强度,改善了活性炭棒的脆性,使其具有较好的韧性,备受活性炭棒制备企业的青睐.2.2.2低密度聚乙烯(

13、LDPE)粘合剂低密度聚乙烯(LDPE)粘合剂是在高压力(100300MPa),高温(190210C),过氧化物催化条件下自由基聚合而成的,具有支链结构.与线性低密度聚乙烯(LLDPE)粘合剂相比,LDPE具有熔点较低,在较低温度情况下能达到优异的粘结性;同时LDPE较宽的相对分子质量分布使其具有较强的熔体强度;另外,LDPE还具有较均衡的物理性能,韧性较好,冲击强度高,脆化温度低,水的渗适率低,稳定性好,耐化学品尤其是耐极性化合物性能好等特点233.与高密度聚乙烯(HDPE)相比,其结晶度(55%65%)和软化点(90100(2)较低,有良好的柔软性,延伸性,透气性和加工性,其化学稳定性较好

14、,可耐酸,碱和盐类水溶液.低密度聚乙烯的熔点低,能在较低温度下熔融,并与活性炭颗粒混合制得活性炭棒,工艺要求较低,但使用受环境条件(如温度)的制约较多.2.2.3高密聚乙烯(HDPE)粘合剂高密聚乙烯(HDPE)粘合剂是一种颗粒状白色粉末,它是在中等压力(1530大气压)有机化合物催化条件下进行ZieglerNatta聚合而成的,具有较高的刚性及韧性,良好的力学性能及较高的使用温度.与低密度聚乙烯比较,高密聚乙烯有较好的耐温,耐油性,抗环境应力开裂性和抗冲击性.由于其支链化程度较小,分子能紧密地堆砌,结晶度高,所以在强度和劲度方面比LDPE好,韧性也比LDPE高243.HDPE化学稳定性较好,

15、且具有良好的加工性能.HDPE粉的良好机械性能,耐热蠕变性能和耐收缩性利于生产烧结活性炭棒制品,但部分活性碳颗粒间易出现未粘结的现象.2.2.4超高相对分子量聚乙烯(UHMWPE)粘合剂超高相对分子量聚乙烯粘合剂具有线性结构,分子链长度是高密度聚乙烯的1020倍,分子量达到100600万,具有优异的耐冲击,耐磨损,自润滑性,耐化学腐蚀等性能.由UHMWPE为粘合剂制备的常规活性碳棒具有结构紧密的特点,很少适合制备高多孔结构的活性碳棒J.2.2.5改性聚乙烯粘合剂EVA,LDPE和HDPE等粘合剂因具有高的流动性,导致粘合剂在活性碳棒内分布出现不均匀分布等现象,Haftka等针对这一现象制备了一

16、种新颖的改性聚乙烯粘合剂,其熔体流动指数(MFI190/15)为1.210.Og/10min,多分散性MffM为330,堆积密度为0.050.50cm和粒度为5-300lxm的聚乙烯均聚物_l.该粘结剂具有高粘度,较低的涂敷活性炭的倾向,高多孑L性,低堆积密度和良好的热稳定性.它在很大程度上减少了对活性炭棒中活性炭活性表面的遮蔽,使其充分发挥多孔结构的作用,从而可以制得具有高吸附I生以及具有良好的机械强度的活性炭棒.2.2.6水溶性改性淀粉粘合剂水溶性改性淀粉粘合剂是一种水溶性丙烯酸和动物胶改性的淀粉粘合剂1.由于其选用天然原料,所以对环境基本无污染,而且成本廉价,制得活性炭棒后,在处理印染废

17、水的过程中不会造成二次污染,符合绿色环保的理念.经改性后的淀粉比天然淀粉的糊化热要小,粘度增高,满足使用少量的粘合剂也能使活性炭棒具有一定的强度又尽量不会堵塞颗粒活性炭的表面微孔的要求,从而又保证了活性炭棒具有良好的吸附性能.3活性炭棒制备途径及存在的问题活性炭棒的制备途径一般分两种,一种为热压型活性炭棒,即将颗粒活性炭与特定粘合剂以一定的比例混合经热熔挤压后,切成一定长度的段状活性炭棒;另一种为烧结型活性炭棒,即将颗粒活性炭与粘合剂以一定比例混合后灌注到特定的模具中,将模具两端加端盖,用压力机械将混合材料压实,并放人干燥箱中烧结冷却后脱模制得.活性炭棒的两种制备途径均利弊共存.对热压型活性炭

18、棒制备而言,粘合剂在碳棒成型中的均匀分布不易控制,且滤芯粘结剂含量过少,吸附过程中会出现漏粉现象.滤芯粘结剂含量过大,堵塞活性炭的孔隙,会明显降低活性炭的比表面积,使其吸附,脱色,除异味等性能大大地降低,但该制备方法具有效率高,制备成本低等优势;而烧结型活性炭棒制备而言,同样存在粘合剂在碳棒成型中的均匀分布控制问题,且制备所需模具数量多,生产成本较高,不利于规模化生产,但相对热压型活性炭棒而言具有较好的过滤吸附I眭能.活性炭棒制备过程表明:活性炭颗粒种类及粒径的选择,粘合剂种类与含量以及炭棒成型模式均会影响到其过滤吸附性能.如何解决活性炭棒制备过程中粘合剂在活性炭颗粒表面均匀分布,引入粘合剂后

19、活性炭颗粒比表面积下降现象,炭棒物理机械性能提升,成型模式优化与制备效率提高等关键问题是活性炭棒制造业面2012年第41卷第1期轻纺工业与技术41临的重要课题.4活性炭棒的应用领域及展望活性炭棒克服了或大大降低了活性炭颗粒过滤吸附中的二次污染问题,提升了颗粒活性炭的过滤性能,广泛应用在水处理,空气净化,溶剂回收,吸附分离,催化反应和储能等领域16,18,26.活性炭棒在空气净化中应用主要是利用活性炭的物理吸附将空气中非极性有害气体及微小固体颗粒物进行吸附.目前,活性炭棒滤芯主要应用于饮用水及其它洁净水净化领域,如在常压净水器中,用于吸附水中的异色,异物和有机物,提高出水口感.在水处理上,很少有

20、用于染整废水处理领域的相关报道,这将是一个较为重要的应用方向.纺织工业是我国的重要基础工业,印染行业又是纺织工业用水量较大的行业,染整废水水量大,色度高,成分复杂,废水中含有染料,浆料,助剂,油剂,酸碱,纤维杂质及无机盐等,严重污染着环境.因此如何改进活性炭棒的制备工艺参数,提高其过滤吸附效果,探索印染废水处理的新途径,降低印染行业废水处理的成本,减轻印染行业废水处理的压力,是今后活性炭棒在印染废水处理应用中应探讨的内容.5结语未来要充分发挥活性炭棒的过滤吸附性能,扩大其应用领域,需扩展和探索更多适合制备高效高比表面活性炭棒的粘合剂,优化活性炭棒制备成型工艺,探索活性炭棒的不同成型模式,弄清影

21、响活性炭棒过滤吸附的因素及内在规律,研究活性炭棒的再生复活技术,缩短与国外该领域的差距,相信通过这一系列方向的努力,可以获得高效过滤吸附,耐久,宽使用条件的活性炭棒,必将使活性炭棒具有良好的社会应用前景和巨大的经济社会效益.参考文献1任芸芸,傅成诚.改性活性炭治理室内空气污染物机理与现状研究J.气体净化,2009,9(6):9-11.2SchneiderR.M.,CavalinC.F.,BarrosM.A.S.D.,eta1.,AdsorptionofchromiumionsinactivatedcarbonJ.ChemicalEngineeringJournal,2007,132:355-3

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