催化劑提供一個高濃度的場所,有利于催化的進行[23.24]。
活性炭的其他應用
隨著研究的逐漸深入,活性炭在其他領域出現一些特殊的應用,它的開發和利用給我們的生活帶來了許多積極的效果。
①藥用、醫用:活性炭作為高吸附材料,可以吸附藥物,口服進入人體后緩釋藥物成分,降低服藥頻率;也可將活性炭用做劑和降血脂藥物等。如治療胃腸失調、腹部膿毒癥、血液過濾、血液滲析等用于吸附對于人體有害有毒的物質。
②金屬的精選:如利用其與氫氧化鋁和氫氧化鐵混合物共同沉淀可以從海水中分離鈾。
③煙氣過濾凈化:香煙和煙斗的過濾嘴。
④分析技術:如高真空技術中用來吸附痕量殘余氣體。⑤溫度控制:用來制造吸附恒溫器和獲取低溫。
⑥農林種植:用于緩釋土壤中的農肥和農藥,改良土壤,調理土壤性能,提高土質和地溫。
能源領域:用作儲氫材料,作為電池、超級電容器的電極材料。
工業分析,對于活性炭及其原料炭化物中所含有的揮發分數量的測定,通常采用的方法是將試樣放在鉑金坩堝中,避免與空氣接觸,在900℃下加熱7min,求出加熱減量占原試樣的百分比,并從該百分比中減去同時進行測定得到的水分值(干燥減量)以后,便得到試樣的揮發分含量,灰分(強熱殘分)的測定方法是將干燥過的試樣放在瓷坩堝中,并置于高溫電爐內,將其溫度調至800~900℃對樣品進行灰化,殘留物質的質量分數作為灰分,固定碳確定是以干燥試樣作為,減去灰分與揮發分所得到的數值,
通常的活性炭由于是在溫度為900℃以上制得的,所以揮發分很少。另一方面,炭化溫度對原料炭化物的揮發具有很大影響。實驗表明,揮發分的含量隨著溫度的上升而減少,炭化反應在500℃以下劇烈進行,在600~700℃基本結束。固定碳含量在炭化反應結束的700℃以上基本不會再增加,該變化基本上與揮發分相對應,
灰分隨炭化得率的降低而增加。灰分是活性炭原料選擇方面的一個重要物標。原料中的無機成分在炭化過程中幾乎不減少而后殘留于木炭中,原料中的灰分含量即使只有1%,活性炭的灰分含量也將達到10%。由于于灰分不具有吸附能力,因此該單位質量的活性炭吸附能力要比灰分含量為零的活性炭的附能力下降10%左右。所以在活性炭的選擇過程中,盡可能選擇灰分含數量
活性炭基本上是非結晶性碳,它由微細的石墨狀微晶和將它們連接在一起的碳氫化合物部分組成。活性炭初的原料如木材、煤等,經炭化、活化等過程后,活性炭中部分碳原子之間已形成了微晶碳(活性炭的基本結晶),但是其面網結構卻沒有采取石墨那樣規則性的積層結構,而是形成圖1-1(b)那樣的亂層結構。除微晶碳外,活性炭前驅體經炭化、活化等過程后仍然有部分未晶化的碳,活性炭被認為是由微晶群和其他未組成平行層的單個網狀平面以及無規則碳組成的多相物質。
目前,在X射線衍射分析的基礎上,已發現活性炭的微晶碳有兩種不同的結構,一種是類石墨結構的微晶碳,其大小隨炭化溫度而變化,大小約由三個平行的石墨層所組成,其寬度約為一個碳六角形的九倍,它與石墨相比,微晶碳中平面面網之間排列不整齊,稱為“亂層結構”,與石墨結構的比較如圖1-1所示;另外一種微晶碳是由于石墨網結構之間的軸向不同,面網之間的間距也不整齊,或石墨層間扭曲,可能因雜原子(如氧、氮等)的進入而穩定,碳六面網被空間交聯而形成無序的結構。Riley認為,在大部分碳材料中(包括活性炭)均含有這兩種結構類型,而活性炭的終特性則取決于它是以哪種類型的結構為主。
富蘭克林把除金剛石以外的碳素物質分為容易石墨化的易石墨化碳素和難
1.活性炭原料的影響
(1)木屑樹種的影響 實驗證明,活性炭的吸附性能與木屑樹種有密切的關系,多數情況下,認為杉木屑較松木屑好,松木屑較硬雜木屑好,軟雜木屑較硬雜木屑好,材質硬的木屑會影響氯化鋅溶液的滲透速度。但通過選擇適當的生產條件,采用混合木屑作原料,也可以克服由原料所引起的不利影響,生產出合格的活性炭。
(2)木屑含水率的影響木屑含水率對炭活化過程沒有直接影響,但會影響氯化鋅溶液的滲透速度,因而影響氯化鋅溶液浸漬的時間。對連續浸漬或混合過程尤為重要。含水率高(在纖維飽和點以上)的木屑不僅會降低氯化鋅溶液的滲透速度,而且要降低氯化鋅溶液濃度,從而影響炭活化效果。因此,當木屑含水率超過30%時,浸漬時間要求在8h以上,當木屑含水率在纖維飽和點以下時,氯化鋅溶液的滲透速度要快一些。木屑含水率在15%以下時,混合時間短(15min)。木屑含水率還影響其對氯化鋅溶液的吸收量。例如,生產顆粒活性炭,吸收一定數量的濃度較低的氯化鋅溶液,因此要求木屑含水率不超過 5%。當生產糖用活性炭時,吸收足夠數量的高濃度的氯化鋅溶液,如果木屑含水率過高,就會降低氯化鋅溶液的濃度,從而影響鋅屑比,終影響活性炭的孔徑分布。
活性炭活化溫度的影響
活化溫度是指活化時活化料的高溫度,是活性炭孔性能的重要影響因素之一。Saka 等[33]采用氯化鋅法活化橡子殼制備活性炭發現,在活化溫度分別為300℃、400℃、500℃和600℃時,得到活性炭的比表面積分別為98㎡801m2/g、988m2/g和1289m2/g。Sayg山等[34]采用葡萄工業加工剩余物為原料,以氯化鋅活化法制備了活性炭,研究表明活化溫度由400℃升到600元比表面積SBET、總孔隙體積Vr、中間層次的孔隙體積Vmes、平均孔徑D,別由819.40m2/g增加至1455m/g,0.556cm3/g增加至2.318cm/g.74.645增加至94.61%,2.71nm增加至6.81nm,但微孔容積Vme由25.36%降低至5.39%。由以上分析可知,氯化鋅法活性炭制備的較佳溫度為600℃,過高的話化溫度會導致已經生成的孔塌陷,且氯化鋅的揮發量也會增加,不僅造成活就劑的浪費,生成成本提高,還導致嚴重的環境污染問題。
活化時間的影響
活化時間是指一定的活化溫度下的保溫時間,是活性炭質量的重要影響素之一。Saygh等[35]采用番茄工業加工剩余物為原料,以氯化鋅活化法制備了活性炭,研究表明活化時間由0.5h升到1h,SBET、VT、V、D,分融522m2/g增加至1093m2/g,0.662cm/g增加至1.569cm/g.71%增加至92%,5.02nm 增加至5.92nm,但隨著活化時間的延長,由于已生成孔幕幕
為提高產品得率、降低生產過程中的能源消耗并同時產品質量,中國林業科學研究院林產化學工業研究所活性炭研究室開發出了原料熱解自活化的新工藝,該工藝的基本原理是在密閉反應容器中,原料在高溫下熱解產生出大量氣體、這些氣體即可作為活化反應的氣體、同時由于體系的壓力增高,椰殼觸織細胞內的氣體強制逸出時、會對椰殼組織結構產生一定沖擊,這種沖擊作用可以改善椰殼組織結構,從而促進高溫自活化時活性炭微孔的形成與發展。
該工藝與傳統工藝制備的活性炭性能比較如表3-1所示。
物理法工藝活化一活性炭椰殼一炭化一工藝復雜8消耗大量水蒸氣、煙道氣等氣體活化劑粉塵污染
曝殼一炭化一 消耗數信的
化學法工藝粉種一與活化劑混合一活化一工藝復雜6低鋅、氫氧化鉀磷酸、氯化氣、液橙污染大
洗滌一活性炭
劉雪梅等以椰殼為原料、采用熱解活化法于900℃下密閉處理4h后制備了活性炭,實驗結果表明所制的活性炭比表面積為994m2/g,微孔容積為0.43cm’/g、微孔率達到85%、平均孔徑為2nm,該活性炭碘吸附值為1295mg/g、亞甲基藍吸附值為135mg/g、亦說明其孔徑分布以微孔為主之后劉雪梅等又進一步延長活化時間至8h、雖然得率降為9.4%,但活性炭比表面積達到1723m/g、微孔容積為0.68cm/g、碘吸附值與亞甲基藍吸附值分別達到了1628mg/g和375mg/g、均優于市售凈水用活性炭,作者認為反應機理是在密閉空間中、物料發生熱解反應生成大量的CO、H.O.H、
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