活性炭 活性炭(英文名稱:Carbon Active)是由含碳材料制成的外觀呈黑色、內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大、吸附能力強(qiáng)的一類微晶質(zhì)碳素材料。根據(jù)國(guó)際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)的定義,活性炭是指炭在炭化前、炭化時(shí)、炭化后經(jīng)與氣體或化學(xué)品作用以增加吸附性能的多孔的炭。
活性炭主要由碳元素組成,還含有少量的氫、 氧元素 ,熔點(diǎn)為3652℃,沸點(diǎn)為4827℃,相對(duì)密度為1.8~2.1,表觀相對(duì)密度0.08~0.45,含碳量10%~98%。因其具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、高比表面積、高表面活性和多樣的表面化學(xué)性質(zhì),吸附性能良好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、容易再生等優(yōu)點(diǎn),而作為吸附劑、催化劑、催化劑載體、雙電層電容器電極材料,廣泛應(yīng)用于制藥、化工、食品、加工、冶金工業(yè)、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。
相關(guān)歷史 公元前1550年埃及就在醫(yī)藥上使用活性炭。歐美在20世紀(jì)初開(kāi)始發(fā)展活性炭的生產(chǎn)。1911年在維也納附近的Fanto工廠首次用水蒸氣活化法生產(chǎn)出粉狀炭,1913年又用 氯化鋅 活化法生產(chǎn)出防毒面具用的粒狀活性炭。1929年以后,美國(guó)開(kāi)始將粉狀活性炭用于水處理。此時(shí)原料使用已相當(dāng)廣泛,擴(kuò)展到用果殼、核、泥煤等,活化方法也多種多樣,理論研究進(jìn)一步深化。 第二次世界大戰(zhàn) 后,活性炭工業(yè)的主導(dǎo)權(quán)已從歐洲轉(zhuǎn)到美國(guó),為保護(hù)環(huán)境和節(jié)省能源,活性炭用途已擴(kuò)大到空氣凈化、廢水處理、香煙濾嘴等方面。從20世紀(jì)70年代初開(kāi)始,隨著現(xiàn)代工業(yè)和環(huán)境科學(xué)的發(fā)展,出現(xiàn)了許多活性炭新品種和新應(yīng)用,如球形炭、浸漬炭、纖維活性炭等。
分類
按外形分
粉末活性炭 粉末狀活性炭顆粒極細(xì)呈粉末狀,其總表面積大,吸附力和吸附量也特別大,是活性炭中吸附力最強(qiáng)的一類。但因其顆粒太細(xì)影響過(guò)濾速度,過(guò)濾操作時(shí)常要加壓或減壓。
顆粒活性炭 顆粒狀活性炭是由粉末狀活性炭制成之顆粒,其總表面積相應(yīng)地有所減小,吸附力和吸附量?jī)H次于粉末狀活性炭。
錦綸活性炭 錦綸活性炭是以錦綸為黏合劑,將粉末狀活性炭制成顆粒,其總比表面積介于上述兩種活性炭之間,但吸附力較兩者都弱,因?yàn)殄\綸不僅起黏合作 用,而且還是一種活性炭的脫活性劑。它可用來(lái)分離因前兩種活性炭吸附力太強(qiáng)而不易洗脫的吸附物。
按孔隙分 蘇聯(lián) 學(xué)者杜比寧提出了下述的孔隙分類方法:孔隙直徑為100nm~2000nm時(shí),稱大孔;孔隙直徑為2nm~100nm時(shí),稱中孔(或稱 過(guò)渡孔 );孔隙直徑為2nm以下時(shí),稱微孔。國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)的分類與上述方法有所差別,將活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)分為:微孔(2nm以下)、中孔(2nm~50nm)和大孔(50nm以上)。
其他分類 按使用場(chǎng)合分,活性炭的種類有:氣相炭、液相炭等。
按用途分,活性炭的種類有:溶劑回收炭、氣體凈化炭、脫色炭、藥用炭、催化劑炭、變壓吸附炭、黃金炭、脫硫炭、 血液灌流 炭、水處理炭等。 按制造方法分,活性炭的種類有:物理法炭、化學(xué)法炭(包括 氯化鋅 炭、磷酸炭等)。
按原料分,活性炭的種類有:木質(zhì)炭、煤質(zhì)炭、生物質(zhì)炭、樹(shù)脂炭、 瀝青 炭等。
主要性能
吸附 活性炭的主要功能是吸附。吸附作用可分為物理吸附和化學(xué)吸附。
物理吸附 物理吸附主要是由于分子之間的物理作用力―范德華力。范德華力作用強(qiáng)度小,所以吸附不牢固,是可逆的,特別是升溫時(shí)容易解吸,但其作用范圍較大,如果吸附層厚度超過(guò)一分子則形成多分子層吸附。此外,活性炭和溶質(zhì)間還有靜電引力。
化學(xué)吸附 化學(xué)吸附是由于化學(xué)鍵力的作用,化學(xué)鍵合力的強(qiáng)度較大,被吸附物固定吸附在某些活性點(diǎn)上,不易脫離且可逆性差,被吸附物質(zhì)常發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而改變其性狀?;瘜W(xué)鍵力是在特定原子間產(chǎn)生,因此化學(xué)吸附具有選擇 性?;瘜W(xué)吸附的作用力范圍不超過(guò)分子大小,因而只形成單分子吸附層。
催化作用 活性炭不但本身有催化作用,也可以作各種催化劑的載體?;钚蕴烤哂写呋⒀趸痛呋€原作用,水的脫氯和氯酸的去除都是由于活性炭的催化作用。
離子交換作用 活性炭氧化表面的水解可以使其具有弱酸 陽(yáng)離子 的交換性質(zhì)。使炭成為部分離子交換劑,從溶液中吸引微量金屬。
過(guò)濾作用 活性炭也是多孔的過(guò)濾介質(zhì),可以截留水中的懸浮物。當(dāng)水中微生物在炭上形成生物膜時(shí),還有過(guò)濾、吸附、生物化學(xué)等作用。
結(jié)構(gòu)
微晶結(jié)構(gòu) 活性炭被稱為 無(wú)定形碳 。研究表明,作為無(wú)定形碳,活性炭結(jié)構(gòu)中含有石墨微晶,這些微晶是尺寸為1nm~3nm的結(jié)晶。石墨微晶類似于石墨的二向結(jié)構(gòu),但又與石墨不太相同,活性炭中的結(jié)構(gòu)一般被稱為亂層結(jié)構(gòu)。 X射線衍射分析表明,活性炭存在有序的石墨結(jié)構(gòu),通常具有明顯的導(dǎo)電性。在某種程度上,導(dǎo)電性與活化溫度有關(guān),并在高溫下導(dǎo)電性會(huì)增強(qiáng)。因?yàn)樵诟邷厍闆r下氧化物的絕緣性消失,并生成較大的單元晶粒。
孔隙結(jié)構(gòu) 由石墨晶粒和無(wú)定形碳所組成的多相物質(zhì)決定著活性炭獨(dú)特的結(jié)構(gòu),單個(gè)微粒間呈現(xiàn)眾多的裂縫和孔隙。故將活性炭分為大孔、過(guò)渡孔和微孔。大孔的內(nèi)表面能發(fā)生多層吸附,在活性炭中,由于它的比例很少,所以大部分只能起著作為被吸附質(zhì)進(jìn)入吸附部位的通路作用。但它作為支配吸附速度的因素,在實(shí)際應(yīng)用中也是非常重要的。過(guò)渡孔的作用不是單純的,在許多情況下和大孔作用相同,作為被吸附質(zhì)的通路而支配著吸附速度,對(duì)不能進(jìn)入微孔的大分子也起中孔著吸附部位的作用。活性炭的吸附作用大部分是在微孔進(jìn)行的,吸附量受微孔的支配。微孔的生成,使得微量的重量損失就能形成非常大的比表面積,而比表面積是衡量活性炭性能的一個(gè)主要指標(biāo)。
化學(xué)結(jié)構(gòu) 在空氣中灼燒活性炭時(shí),可得到一定數(shù)量的殘燼,即通常所稱的灰分。原料和不完全洗滌后所殘留的活性添加劑或催化劑成為上述無(wú)機(jī)組分的來(lái)源。元素分析表明,在活性炭的碳骨架 中還存在一定數(shù)量的雜原子,其中的雜原子與 碳原子 間通過(guò)化學(xué)鍵相互聯(lián)系。在活性炭的結(jié)構(gòu)中還含有不飽和的化學(xué)鍵,活性炭的活性來(lái)源于和其他雜原子相連的碳原子所呈現(xiàn)的強(qiáng)烈吸附能力。
化學(xué)組成 活性炭的有機(jī)組成部分中,氧含量在3%~5%,氫含量在1%~2%左右?;钚蕴坑袡C(jī)質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)除了碳骨架之外,還有由碳、氧等元素形成的原子基團(tuán),稱為官能團(tuán)。這些官能團(tuán)的存在對(duì)于活性炭的吸附過(guò)程有重要的影響?;钚蕴康挠袡C(jī)官能團(tuán)主要是含氧官能團(tuán)?;钚蕴恐苽浞椒ê凸に噷?duì)產(chǎn)物含氧官能團(tuán)的種類和含量有很大的影響。水蒸氣法制備的活性炭中,氧主要以羥基和羧基的形式存在;氯化鋅法生產(chǎn)的活性炭,碳基氧和醚基氧占的比例較大?;钚蕴恐谐R?jiàn)的官能團(tuán)有羧基、羥酚基、醌型羥基,以及醚、過(guò)氧化物、酯、 熒光素 內(nèi)酯、酸酸酐和環(huán)狀過(guò)氧化物。 活性炭的主要無(wú)機(jī)組分是碳,還含有氫、氧、氮、硫等元素?;钚蕴渴且环N疏水性的非極性吸附劑,能選擇性地吸附非極性物質(zhì)。但是,當(dāng)活性炭表面上有表面氧化物和礦物質(zhì)存在時(shí),對(duì)極性物質(zhì)的吸附能力就會(huì)增強(qiáng)。因?yàn)榧嬗形锢砦胶突瘜W(xué)吸附的作用,所以活性炭能吸附多種物質(zhì)。活性炭中的礦物質(zhì)組成十分復(fù)雜,主要是硅、鐵、鈣、鎂、鋁、鈉、鉀的氧化物和鹽?;钚蕴咳紵没曳种械膲A金屬化合物一般溶于水; 堿土金屬 如鐵的化合物溶于醋酸;最難處理的是酸性化合物,它們只能用 氫氟酸 除去。產(chǎn)品活性炭的灰分受原料、活化工藝、產(chǎn)品炭后處理方法等的影響很大。
制備方法 制備活性炭主要包括以下步驟:原材料選擇→預(yù)處理→炭化一冷卻→活化→洗滌→翻炒→烘干→粉碎過(guò)篩→成品。最主要的是原料選擇、炭化和活化等步驟,其中活化最為關(guān)鍵。
物理活化法
化學(xué)活化法 化學(xué)試劑活化是指通過(guò)化學(xué)試劑鑲嵌到原料的內(nèi)部,使原料中的碳?xì)浠衔锼臍浜脱跻运魵獾男螒B(tài)分解脫離出去,通過(guò)一系列的交聯(lián)或縮聚反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生豐富的微孔?;瘜W(xué)試劑活化法的特點(diǎn)是:炭化和活化過(guò)程可以同步進(jìn)行,而且活化溫度較低在生產(chǎn)過(guò)程中可以通過(guò)控制活化劑的種類、用量及濃度,在一定程度上來(lái)控制成品活性炭的孔徑分布,其孔隙結(jié)構(gòu)比物理活化法更加發(fā)達(dá),活性炭的收率較高?,F(xiàn)在經(jīng)常用到的活化劑種類有各種 無(wú)機(jī)鹽 類、堿金屬及一些酸類。目前比較成熟并且被廣泛應(yīng)用的化學(xué)活化劑主要有氫氧化物、 碳酸鉀 、氯化鋅、硫酸、磷酸等。
活性炭再生 再生 :采用一些特殊的方法,可以是物理、化學(xué)、生物方法等等,將吸附在活性炭表面的吸附質(zhì)除去,恢復(fù)活性炭吸附能力。
再生的方法有:加熱再生法、化學(xué)藥劑再生法、化學(xué)氧化再生法、生物再生法、濕式再生法、超聲波再生法等等。
化學(xué)藥劑再生 無(wú)機(jī)藥劑再生:無(wú)機(jī)酸(H 2 SO 4 、HCl)或堿( NaOH )等無(wú)機(jī)藥劑是吸附在活性炭上的污染物脫附。 有機(jī)溶劑再生:采用苯、丙酮及 甲醇 等有機(jī)溶劑萃取吸附在活性炭上的有機(jī)物。
化學(xué)氧化再生 濕式氧化再生法:在液相狀態(tài)下,用空氣中的氧在高溫、高壓下將吸附的有機(jī)物氧化的過(guò)程。一般用于粉末狀活性炭再生。在連續(xù)完全封閉系統(tǒng)中進(jìn)行,操作要求嚴(yán)格,設(shè)備復(fù)雜。
電解氧化法:將碳作陽(yáng)極,進(jìn)行水的電解,在活性炭表面產(chǎn)生的氧氣把吸附質(zhì)氧化分解。
臭氧氧化法:利用強(qiáng)氧化劑(O 3 ),將吸附在活性炭上的有機(jī)物加以分解。
生物再生 是對(duì)飽和炭接種經(jīng)過(guò)驅(qū)化培養(yǎng)的菌種,在微生物的作用下,吸附在活性炭上的有機(jī)物解吸并被微生物分解,從而使得飽和炭得到再生。優(yōu)點(diǎn):成本低,設(shè)備簡(jiǎn)單。缺點(diǎn):需要的時(shí)間比較長(zhǎng),再生過(guò)程受溫度影響大,而且再生效率比較低。此外,降解過(guò)程中,還有可能產(chǎn)生毒性更大的物質(zhì)。
超聲波再生 在超聲波空化作用下水中可以形成瞬時(shí)的高溫高壓氣泡,這些氣泡有利于有機(jī)物的分解。特點(diǎn):能量大多集中 在活性炭局部,能耗比較小,再生設(shè)備簡(jiǎn)單,活性炭再生損失小。
高頻脈沖再生 無(wú)需將活性炭先干燥,然后通過(guò)升溫的方式來(lái)逐步去除揮發(fā)性及不揮發(fā)性有機(jī)物,而是將含水的活性炭直接放在再生爐中,對(duì)再生爐施加以交替的電磁場(chǎng)作用,所吸附的有機(jī)物在這種作用下不斷運(yùn)動(dòng),在孔隙內(nèi)產(chǎn)生局部高溫,從而產(chǎn)生分解作用。
應(yīng)用領(lǐng)域
食品工業(yè)和飲用水等領(lǐng)域 活性炭在飲用水處理上用于吸附有毒物質(zhì)( 三鹵甲烷 、農(nóng)藥等)、異味的脫除等;在酒類生產(chǎn)中用于脫除不正氣味、改善顏色、降低粗餾物中的醛、油等的含量和加速酒的發(fā)酵;在啤酒釀造的過(guò)程中,用于水處理、空氣的凈化和糾正啤酒的顏色,脫除酚、著色劑等產(chǎn)生的臭氣;在油脂工業(yè)用于浸出溶劑的回收、油脂中有毒雜質(zhì)和色素的脫除、油脂的氫化加工等;在制糖業(yè)中用于糖液的脫色;在香煙中用于吸附煙氣中的 尼古丁 、焦油等有毒物質(zhì)。
醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 活性炭可用做外敷或內(nèi)服藥物,如將干粉活性炭放入繃帶中敷裹于傷處,可治療潰瘍、化膿性創(chuàng)傷、燒傷等;在內(nèi)科上主要用于治療腸道疾病,如痢疾、傷寒等,還可用做許多毒物的急救解毒藥:活性炭可作為其他藥物的載體,使藥物緩慢釋放,延長(zhǎng)作用時(shí)間;活性炭可用于人造肝,吸附血液中的尿酸等有害物質(zhì);活性炭用于 人工腎 ,主要對(duì) 透析液 中的尿酸、血尿素和 肌酸酐 吸附脫除,是滲透液循環(huán)使用。
制藥領(lǐng)域 活性炭對(duì)許多生物化學(xué)藥品具有脫色、除臭和凈制作用,廣泛應(yīng)用于抗生素、維生素、解熱藥、磺胺藥、抗結(jié)核病藥、生物堿、激素、注射液等藥物的脫色和凈制,以消除藥物中的重金屬和有害物質(zhì),消除熱源等。
催化劑和催化劑載體 活性炭本身具有一定的催化活性,可單獨(dú)作為催化劑使用,也可作為催化劑的載體,如用于 葡萄糖 制 葡萄糖酸鈉 、鈣催化劑Pd-Bi/C的載體,選擇性好、糖轉(zhuǎn)化率高;合成醋酸乙烯催化劑 醋酸鋅 的載體;氯乙烯單體合成用催化劑 升汞 (氯化汞)的載體等。
煤氣脫硫 在煤或石油制取 合成氣 的過(guò)程中,煤氣中的H 2 S和COS是 甲醇 、甲烷化、氨合成等 催化劑中毒 的主要因素。活性炭用于煤氣的精脫硫效果良好,可以將H 2 S脫至0.2×10 以下,大大低于合成氣小于1×10 的要求。
煙道氣脫硫脫硝 煤炭是我國(guó)最主要的能源,在煤炭燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的SO 2 和NO x ,這兩種 酸性氧化物 是大氣污染的主要成分。利用活性炭的高吸附能力脫除 煙道氣 中的SO 2 和NO x 成為研究的熱點(diǎn)之一。
溶劑回收 在橡膠、塑料、紡織、印刷、油漆、軍工等工業(yè)領(lǐng)域內(nèi),均需使用大量的有機(jī)溶劑。如油漆工業(yè)中的 信那水 、發(fā)射藥生產(chǎn)中的 乙醇 、 乙醚 等。為了安全生產(chǎn)、保證工人健康、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染,必須進(jìn)行溶劑回收,其最有效的方法是用活性炭吸附。
污水處理 在幾乎所有的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生廢水,特別是化工產(chǎn)品的制造,污水的產(chǎn)生更是不可避免?;钚蕴吭谔幚淼蜐舛任鬯畷r(shí)顯示出極佳的效果。
呼吸器材 活性炭在呼吸器材的應(yīng)用始于軍事上防毒面具的需要。
安全事宜 活性炭被列入危險(xiǎn)化學(xué)品名錄,屬于自燃物品,必須存放在盡可能防火的建筑內(nèi),不可以與氧化劑混放;應(yīng)儲(chǔ)存于陰涼干燥處,防止內(nèi)外包裝袋破裂,防止受潮和吸附空氣中其他物質(zhì),影響使用效果;嚴(yán)禁與有毒有害氣體或易揮發(fā)物質(zhì)混放,存放要遠(yuǎn)離污染源。
活性炭在運(yùn)輸過(guò)程中,不得用鐵鉤拖拽。應(yīng)防止與堅(jiān)硬物質(zhì)混裝,不可強(qiáng)烈振動(dòng)、摩擦、踩、砸,嚴(yán)禁拋挪,應(yīng)輕裝輕卸,以減少炭粒破碎,影響使用。