活性炭

活性炭

活性炭,是黑色粉末狀或塊狀、顆粒狀、蜂窩狀的無定形碳,也有排列規整的晶體碳。活性炭中除碳元素外,還包含兩類摻和物:一類是化學結合的元素,主要是氧和氫,這些元素是由於未完全炭化而殘留在炭中,或者在活化過程中,外來的非碳元素與活性炭表面化學結合;另一類摻和物是灰分,它是活性炭的無機部分,灰分在活性碳中易造成二次污染。活性炭由於具有較強的吸附性,廣泛套用於生產、生活中。

基本信息

主要成分

活性炭材料是經過加工處理所得的無定形碳,具有很大的比表面積,對氣體、溶液中的無機或有機物質及膠體顆粒等都有良好的吸附能力。活性炭材料主要包括活性炭(ActivatedCarbon,AC)和活性炭纖維(ActivatedCarbonFibers,ACF)等。活性炭材料作為一種性能優良的吸附劑,主要是由於其具有獨特的吸附表面結構特性和表面化學性能所決定的。活性炭材料的化學性質穩定,機械強度高,耐酸、耐鹼、耐熱,不溶於水與有機溶劑,可以再生使用,已經廣泛地套用於化工、環保、食品加工、冶金、藥物精製、軍事化學防護等各個領域。目前,改性活性炭材料被廣泛用於污水處理、大氣污染防治等領域,在治理環境污染方面越來越顯示出其誘人的美好前景。
活性炭80%-90%以上由碳元素組成,這也是活性炭為疏水性吸附劑的原因。除了碳元素外,還包含有兩類摻和物:一類是化學結合的元素,主要是氧和氫,這些元素是由於未完全炭化而殘留在炭中,或者在活化過程中,外來的非碳元素與活性炭表面化學結合,如用水蒸氣活化時,活性炭表面被氧化或水蒸氣氧化;另一類摻和物是灰分,它是活性炭的無機部分。
活性炭的主要原料幾乎可以是所有富含碳的有機材料,如煤、木材、果殼、椰殼、核桃殼、杏殼、棗殼等。這些含碳材料在活化爐中,在高溫和一定壓力下通過熱解作用被轉換成活性炭。在此活化過程中,巨大的表面積和複雜的孔隙結構逐漸形成,而所謂的吸附過程正是在這些孔隙中和表面上進行的,活性炭中孔隙的大小對吸附質有選擇吸附的作用,這是由於大分子不能進入比它孔隙小的活性炭孔徑內的緣故。活性炭是由含炭為主的物質作原料,經高溫炭化和活化製得的疏水性吸附劑。活性炭含有大量微孔,具有巨大無比的表面積,能有效地去除色度、臭味,可去除二級出水中大多數有機污染物和某些無機物,包含某些有毒的重金屬。

分類

按原料來源分

1.木質活性炭
2.獸骨/血活性炭
3.礦物質原料活性炭
4.其它原料的活性炭
5.再生活性炭

按製造方法分

1.化學法活性炭(化學炭)
2.物理法活性炭(物理炭)
3.化學–物理法或物理–化學法活性炭

按外觀形狀分

1.粉狀活性炭
2.顆粒活性炭
顆粒活性炭常常套用於吸附分子,顆粒活性炭吸附性決定套用性,而吸附性和各種炭型的孔大小分布相關。以水蒸氣活化的泥煤基、褐煤基和椰殼基粉狀活性炭為例:泥煤基活性炭具有微孔和中孔,顆粒活性炭可供多種套用;褐煤基炭具中孔較多,顆粒活性炭而且還有較大的中孔,提供優良的可入性;椰殼基顆粒活性炭中主要是微孔,僅適用於低分子的去除。
利用化學品活化的顆粒活性炭是非常多孔的,多在微孔和中孔範圍,但是,比較水蒸氣活化的活性炭、化學品活化的活性炭的孔表面是較少疏水性和較多負電荷。以擠壓型和破碎型粒狀活性炭為例:泥煤基擠壓型活性炭能製成各種不同孔大小分布的品種。顆粒活性炭微孔為主的品種主要用於氣相套用的黃金回收。既有微孔又有中孔的品種大都用於液相套用,如水純化中吸附小分子和大分子的雜質。
破碎型煤基顆粒活性炭兼有微孔和中孔,可供多種目的的套用。褐煤基或椰殼基的粒狀活性炭與粉狀炭一樣具有相同的微孔和中孔結構。活性炭的技術指標非常重要:活性炭產品的性能指標可分為物理性能指標、活性炭化學性能指標、顆粒活性炭吸附性能指標。三種性能指標對活性炭的選擇和套用都起到非常重要的作用。活性炭主要物理性能指標有:形狀、外觀、比表面積、孔容積、比重、目數、粒度、耐磨強度、漂浮率等。
顆粒活性炭主要化學性能指標有:PH值、灰分、水分、著火點、未炭化物、硫化物、氯化物、氰化物、硫酸鹽、酸溶物、醇溶物、鐵含量、鋅含量、鉛含量、砷含量、鈣鎂含量、重金屬含量、磷酸鹽等。活性炭主要吸附性能指標有:亞甲藍吸附值、碘吸附值、苯酚吸附值、四氯化碳吸附值、焦糖吸附值、硫酸奎寧吸附值、飽和硫容量、穿透硫容量、水容量、氯乙烷蒸汽防護時間、ABS值等。
3.不定型顆料活性炭
4.圓柱形活性炭
5.球形活性炭
6.其它形狀的活性炭

按孔徑分

大孔孔徑>500A°
過渡孔孔徑20~500A°
微孔孔徑<20A°活性炭的表面積主要是由微孔提供的

按材質分

1、木質活性炭
以木屑、木炭等製成的活性炭。以優質木材為原料,外形為粉末狀,經高溫炭化、活化及多種工序精製而成木質活性炭,具有比表面積大,活性高,微孔發達,脫色力強,孔隙結構較大等特點,孔隙結構大,能有效吸附液體中的顏色等較大的各種物質、雜質。
2、果殼活性炭
以椰子殼、核桃殼、杏核殼等製成的活性炭。
果殼活性炭主要以果殼和木屑為原料,經炭化、活化、精製加工而成。具有比表面積大、強度高、粒度均勻、孔隙節構發達、吸附性能強等特點。並能有效吸附水中的游離氯、酚、硫、油、膠質、農藥殘留物和其他有機污染以及有機溶劑的回收等。適用於製藥、石油化工、製糖、飲料、酒類淨化行業,對有機物溶劑的脫色、精製、提純和污水處理等方面。
果殼活性炭被廣泛套用於飲用水、工業用水和廢水的深度淨化生活、工業水質淨化及氣相吸附,如電廠、石化、煉油廠、食品飲料、製糖制酒、醫藥、電子、養魚、海運等行業水質淨化處理,能有效吸附水中的游離氯、酚、硫和其它有機污染物,特別是致突變物(THM)的前驅物質,達到淨化除雜去異味。還可用於工業尾氣淨化、氣體脫硫、石油催化重整,氣體分離、變壓吸附、空氣乾燥、食品保鮮、防毒面具、解媒載體,工業溶劑過濾、脫色、提純等。各種氣體的分離、提純、淨化;有機溶劑回收;製糖、味素、醫藥、酒類、飲料的脫色、除臭、精製;貴重金屬提煉;化學工業中的催化劑及催化劑載體。產品更具脫色、提純、除雜、除臭、去異味、載體、淨化、回收等功能。
椰殼活性炭以海南、東南亞等地的優質椰子殼為原料,原料經過篩選、水蒸氣碳化後精製處理,然後再經除雜、活化篩分等系列工藝製作而成。椰殼活性炭為黑色顆粒狀,具有發達的孔隙結構、吸附能力高、強度大、化學性能穩定、經久耐用。廣泛套用於冶金化工、石油電力、食品飲料、飲用水、純淨水、工業用水的深度淨化以及貴重金屬的提煉,具有脫色除臭、吸附除濁之功效,和沸石、分子篩配用效果更佳,深受用戶歡迎。
椰維炭是以椰殼為原料,經高溫活化、碳化處理,同時負載光觸媒、碳纖維而成的一種新型活性炭。其對有機氣體吸附能力比普通活性炭高5倍至以上,吸附速率更快椰維炭具有發達的比表面積,豐富的微孔徑。比表面積可達1000-1600m2/g,微孔體積90%左右,其微孔孔徑為10A-40A。具有比表面積大、孔徑適中、分布均勻、吸附速度快、雜質少等優點[2]。
3、煤質活性炭
以褐煤、泥煤、煙煤、無煙煤等製成的活性炭,外形分別為柱狀、顆粒、粉末、蜂窩狀、球形等形狀,具有強度高,吸附速度快,吸附容量高,比表面積較大,孔隙結構發達,物理化學特性好,孔隙根據需求大小可控等特點。
主要用於高端空氣淨化、廢氣淨化、高純水處理、廢水處理、污水處理、水族、脫硫、水處理活性炭脫硝並可有效去除氣體與液體中的雜質和污染物以及各種氣體分離和提純,還可廣泛用於各種低沸點物質的吸附回收,脫臭除油等。
4、石油類活性炭:例如以瀝青等為原料製成的瀝青基球狀活性炭。
5、再生炭:以用過的廢炭為原料,進行再活化處理的再生活性炭。
6、礦物質原料活性炭
例如納米活礦石,以礦石為主要成分的活性炭。
以礦產地區為主要衍生地,其主要成分是活礦石成分。原料經過篩選,加入海泡石、凹凸棒土等精製而成,大大提升其吸附性能。以納米活礦石性能最優。
柱狀炭採用優質木屑、椰殼等為原料,經粉碎、混合、擠壓、成型、乾燥、炭化、活化而製成。
獨創性:採用非粘結成型活性炭專有技術。改變傳統用煤焦油、澱粉等傳統粘結劑成型的辦法。不含粘結劑成份,完全靠炭分子之間的親和力和原料本身的特殊性質。科學配方,製作而成,有效避免炭孔堵塞,充分發揮豐富發達炭孔的吸附功能。
先進性:由於採用優質木屑、椰殼為原料,製成的柱狀活性炭灰份低、雜質少、氣相吸附值、CTC占絕對優勢。產品孔徑分布合理,達到最大吸附與脫附,從而大大提高產品的使用壽命(平均2-3年),是普通煤質炭的1.4倍。有柱狀和球形顆粒等規格。
適用性:①氣相吸附;②有機溶劑回收(苯系氣體甲苯、二甲苯、醋酸纖維行業中的丙酮回收);③雜質和有害氣體去除,廢氣回收;④煉油廠、加油站、油庫過量汽油回收。
煤質柱狀炭
煤質柱狀活性炭選用優質無煙煤為原料,採用先進工藝精製加工而成,外觀呈黑色圓柱狀顆粒;具有合理的孔隙結構,良好的吸附性能,機械強度高,易反覆再生,灰度低等特點;用於有毒氣體的淨化,廢氣處理,工業和生活用水的淨化處理,溶劑回收等方面。
煤質柱狀活性炭用於有毒氣體的淨化,並且廣泛套用於工農業生產的各個方面,如石化行業的無鹼脫臭(精製脫硫醇)、乙烯脫鹽水(精製填料)、催化劑載體(鈀、鉑、銠等)、水淨化及污水處理;電力行業的電廠水質處理及保護;化工行業的化工催化劑及載體、氣體淨化、溶劑回收及油脂等的脫色、精製;食品行業的飲料、酒廠、味素母液及食品的脫色;黃金行業的黃金提取、尾液回收;環保行業的污水處理及有害氣體的治理、淨化;以及相關行業的香菸濾嘴、木地板防潮、吸味等。活性炭在未來將會有極好的發展前景和廣闊的銷售市場。

原理

過濾原理

活性炭過濾器是將水中懸浮狀態的污染物進行截留的過程,被截留的懸浮物充塞於活性炭間的空隙。濾層孔隙尺度以及孔隙率的大小,隨活性炭料粒度的加大而增大。即活性炭粒度越粗,可容納懸浮物的空間越大。其表現為過濾能力增強,納污能力增加,截污量增大。同時,活性炭濾層孔隙越大,水中懸浮物越能被更深地輸送至下一層活性炭濾層,在有足夠保護厚度的條件下,懸浮物可以更多地被截留,使中下層濾層更好地發揮截留作用,機組截污量增加。
從嚴格的理論上講,活性炭所具有的對懸浮物的截留能力來自活性炭所提供的表面積。流速低時,機組的過濾能力主要地來自活性炭的篩除作用,而流速快時,過濾能力來自活性炭顆粒表面的吸附作用,在過濾過程中活性炭所提供的顆粒表面積越大,對水中懸浮物的附著力越強。

吸附原理

根據吸附過程中活性炭分子和污染物分子之間作用力的不同,可將吸附分為兩大類:物理吸附和化學吸附(又稱活性吸附)。在吸附過程中,當活性炭分子和污染物分子之間的作用力是范德華力(或靜電引力)時稱為物理吸附;當活性炭分子和污染物分子之間的作用力是化學鍵時稱為化學吸附。物理吸附的吸附強度主要與活性炭的物理性質有關,與活性炭的化學性質基本無關。由於范德華力較弱,對污染物分子的結構影響不大,這種力與分子間內聚力一樣,故可把物理吸附類比為凝聚現象。物理吸附時污染物的化學性質仍然保持不變。
由於化學鍵強,對污染物分子的結構影響較大,故可把化學吸附看做化學反應,是污染物與活性炭間化學作用的結果。化學吸附一般包含電子對共享或電子轉移,而不是簡單的微擾或弱極化作用,是不可逆的化學反應過程。物理吸附和化學吸附的根本區別在於產生吸附鍵的作用力。
吸附過程是污染物分子被吸附到固體表面的過程,分子的自由能會降低,因此,吸附過程是放熱過程,所放出的熱稱為該污染物在此固體表面上的吸附熱。由於物理吸附和化學吸附的作用力不同,它們在吸附熱、吸附速率、吸附活化能、吸附溫度、選擇性、吸附層數和吸附光譜等方面表現出一定的差異。
活性炭吸附技術在國內用於醫藥、化工和食品等工業的精製和脫色已有多年歷史。20世紀70年代開始用於工業廢水處理。生產實踐表明,活性炭對水中微量有機污染物具有卓越的吸附性,它對紡織印染、染料化工、食品加工和有機化工等工業廢水都有良好的吸附效果。一般情況下,對廢水中以BOD、COD等綜合指標表示的有機物,如合成染料、表面性劑、酚類、苯類、有機氯、農藥和石油化工產品等,都有獨特的去除能力。所以,活性炭吸附法已逐步成為工業廢水二級或三級處理的主要方法之一。
吸附是一種物質附著在另一種物質表面上的緩慢作用過程。吸附是一種界面現象,其與表面張力、表面能的變化有關。引起吸附的推動能力有兩種,一種是溶劑水對疏水物質的排斥力,另一種是固體對溶質的親和吸引力。廢水處理中的吸附,多數是這兩種力綜合作用的結果。活性炭的比表面積和孔隙結構直接影響其吸附能力,在選擇活性炭時,應根據廢水的水質通過試驗確定。對印染廢水宜選擇過渡孔發達的炭種。此外,灰分也有影響,灰分愈小,吸附性能愈好;吸附質分子的大小與炭孔隙直徑愈接近,愈容易被吸附;吸附質濃度對活性炭吸附量也有影響。在一定濃度範圍內,吸附量是隨吸附質濃度的增大而增加的。另外,水溫和pH值也有影響。吸附量隨水溫的升高而減少。

特性

吸附特性

活性炭吸附法是利用多孔性的活性炭,使水中一種或多種物質被吸附在活性炭表面而去除的方法,去除對象包括溶解性的有機物質,合成洗滌劑、微生物、病毒和一定量的重金屬,並能夠脫色、除臭、空氣淨化。
活性炭、磺化煤、沸石、焦炭等都是水處理常用的吸附劑,活性炭經過活化後碳晶格形成形狀和大小不一的發達細孔,大大增加比表面積,提高吸附能力。活性炭的細孔有效半徑一般為1-10000nm,小孔半徑在2nm以下,過渡孔半徑一般為2-100nm,大孔半徑為100-10000nm。小孔容積一般為0.15-0.90mL/g,過渡孔面積一般為0.02-0.10mL/g;大孔容積一般為0.2-0.5mL/g。
活性炭是一種很細小的炭粒,有很大的表面積,而且炭粒中還有更細小的孔——毛細管。這種毛細管具有很強的吸附能力,由於炭粒的表面積很大,所以能與氣體(雜質)充分接觸。當這些氣體(雜質)碰到毛細管被吸附,起淨化作用。活性炭的表面積研究是非常重要的,活性炭的比表面積檢測數據只有採用BET方法檢測出來的結果才是真實可靠的,國內有很多儀器只能做直接對比法的檢測。現階段國內外比表面積測試統一採用多點BET法,國內外製定出來的比表面積測定標準都是以BET測試方法為基礎的,請參看中國國家標準(GB/T19587-2004)-氣體吸附BET原理測定固態物質比表面積的方法。
比表面積檢測其實是比較耗費時間的工作,由於樣品吸附能力的不同,有些樣品的測試可能需要耗費一整天的時間,如果測試過程沒有實現完全自動化,那測試人員就時刻都不能離開,並且要高度集中,觀察儀錶盤,操控鏇鈕,稍不留神就會導致測試過程的失敗,這會浪費測試人員很多的寶貴時間。F-Sorb2400比表面積測試儀是真正能夠實現BET法檢測功能的儀器(兼備直接對比法),更重要的F-Sorb2400比表面積測試儀是迄今為止國內唯一完全自動化智慧型化的比表面積檢測設備,其測試結果與國際一致性很高,穩定性也很好,同時減少人為誤差,提高測試結果精確性。
影響活性炭吸附的因素有:活性炭的特性;被吸附物的特性和濃度;廢水的PH值;懸浮固體含量等特性;接觸系統及運行方式等。活性炭能有效吸附氯代烴、有機磷和氨基甲酸酯類殺蟲劑,還能吸附苯醚、正硝基氯苯、萘、乙烯、二甲苯酚、苯酚、DDT、艾氏劑、烷基苯磺酸及許多酯類和芳烴化合物。二級出水中也含有不被活性炭吸附的有機物,如蛋白質的中間降解物質,比原有的有機物更難被活性炭吸附,活性炭對THMS的去除能力較低,僅達到23-60%。活性炭吸附法與其他處理方法聯用,出現了臭氧-活性炭法、混凝-吸附活性炭法、Habberer工藝、活性炭-硅藻土法等,使活性炭的吸附周期明顯延長,用量減少,處理效果和範圍大幅度提高。

化學特性

活性炭的吸附除了物理吸附,還有化學吸附。活性炭的吸附性既取決於孔隙結構,又取決於化學組成。
活性炭不僅含碳,而且含少量的化學結合、功能團開工的氧和氫,例如羰基、羧基、酚類、內酯類、醌類、醚類。這些表面上含有的氧化物和絡合物,有些來自原料的衍生物,有些是在活化時、活化後由空氣或水蒸氣的作用而生成。有時還會生成表面硫化物和氯化物。在活化中原料所含礦物質集中到活性炭里成為灰分,灰分的主要成分是鹼金屬和鹼土金屬的鹽類,如碳酸鹽和磷酸鹽等。

機械特性

1、粒度:採用一套標準篩篩分法,求出留在和通過每隻篩子的活性炭重量,表示粒度分布。
2、靜觀密度或堆密度:應是孔隙容積和顆粒間空隙容積的單位體積活性炭的重量。
3、體積密度和顆粒密度:應是孔隙容積而不應是顆粒間空隙容積的單位體積活性炭的重量。
4、強度:即活性炭的耐破碎性。
5、耐磨性:即耐磨損或抗磨擦的性能。
這些機械性質直接影響活性炭套用,例如:密度影響容器大小;粉炭粗細影響過濾;粒炭粒度分布影響流體阻力和壓降;破碎性影響活性炭使用壽命和廢炭再生。

套用

水處理行業

活性炭作為一種環境友好型吸附劑,具有較強的吸附性和催化性能,原料充足且安全性高,耐酸鹼、耐熱、不溶於水和有機溶劑、易再生等優點,對水中溶解的有機污染物如苯類化合物、酚類化合物、石油及石油產品等具有較強的吸附能力,而且對用生物法和其他化學法難以去除的有機污染物,如色度、亞甲基藍表面活性物質、除草劑、殺蟲劑、合成染料及許多人工合成的有機化合物都有較好的去除效果;此外,活性炭對電鍍廢水和冶煉工業廢水中的重金屬也有較強的吸附能力;對水質渾濁有明顯的澄清作用,可以除去水中的異臭、異味,對細菌也有極好的過濾作用。因此,活性炭在水處理中越來越受到重視。但是,由於普通活性炭存在灰分高、孔容小、微孔分布過寬、比表面積小和吸附選擇性能差等特點,加上其表面官能團及電化學性質的一些限制,使其對污染物的吸附去除作用有限,遠遠不能滿足國內外市場的要求。因此,有必要對其結構和性質進行改性,以增大其吸附能力,緩解水污染壓力。
目前,改性活性炭材料被廣泛用於污水處理領域,在水環境污染治理方面越來越顯示出其誘人的美好前景。[3]
(1)城市污水處理
廢水中的一些有機物是難於為微生物或一般氧化法所氧化分解的,如酚、苯、石油及其產品、殺蟲劑、洗滌劑、合成染料、胺類化合物以及許多人工合成有機物,經生化處理後很難達到對排放要求較高的水體中排放的標準,也嚴重影響廢水的回用,因此需要深度處理。
由於活性炭對有機物的吸附能力大,在廢水深度處理中得到廣泛的套用,具有以下優點:
①處理程度高,城市污水用活性炭進行深度處理後,BOD可降低99%,TOC可降到1~3mg/L。
②套用範圍廣,對廢水中絕大多數有機物都有效,包括微生物難於降解的有機物。
③適應性強,對水量及有機物負荷的變動有較強的適應性能,可得到穩定的處理效果。
④粒狀炭可進行再生重複使用,被吸附的有機物在再生過程中被燒掉,不產生污泥。
⑤可回收有用物質,例如用活性炭處理含酚廢水,用鹼再生吸附飽和的活性炭,可以回收酚鈉鹽。
⑥設備緊湊、管理方便。
(2)飲用水深度處理
活性炭吸附是建立在常規給水處理基礎上,一般設定在砂過濾之後,也可與砂濾料組成雙層濾料過濾或以活性炭過濾代替砂過濾。
在利用活性炭吸附進行飲用水深度處理的過程中,發現在活性炭濾料上生長有大量的微生物,使出水水質提高且再生延長,於是發展了一種經濟有效的去除水中的微污染物質的生物活性炭工藝,流程為原水—(加入混凝劑)—澄清—過濾(加入臭氧)再利用活性炭吸附,最後是出水。

其他行業

石化行業
無鹼脫臭(精製脫硫醇)——重催的精製裝置
乙烯脫鹽水(精製填料)——乙烯裝置
催化劑載體(鈀、鉑、銠等)——苯乙烯、連續重整裝置
水淨化及污水處理——上水及下水的深度處理
電力行業
電廠水質處理及保護——鍋爐裝置
對NO、NOx等有害氣體的吸附——鍋爐尾部煙道
化工行業
化工催化劑及載體、氣體淨化、溶劑回收、及油脂等的脫色、精製
食品行業
飲料、酒類、味素母液及食品的精製、脫色、提純、除臭、香菸濾嘴
黃金行業
黃金提取——適用炭漿法、堆浸法提金工藝
尾液回收——金礦的廢物利用及環境保護
環保行業
用於污水處理、廢氣及有害氣體的治理、氣體淨化
我國的煤炭燃燒過程中排放出的SO2和NOx是主要的大氣污染物,而改性後活性炭材料的脫硫、脫硝處理效果好,投資運行費用低,且易於再生利用等優點而引起人們的關注。
家用
活性炭吸附法去除室內污染是套用最廣泛、最成熟、最安全、效果最可靠、吸收物質種類最多的一種方法。活性炭作為一種優良的物理、化學吸附劑,越來越受到人們的重視。
高效環保活性炭包能夠吸附空氣中的甲醛、氨、苯、二甲苯、氡等室內所有有害氣體分子,快速消除裝修異味,均勻調節空間濕度,對於居室、家具衣櫥、書櫃、鞋櫃、鞋內、冰櫃、衛生間、地板、魚缸、汽車、空調、電腦、辦公、賓館及娛樂場所,都有很好的效果,它是甲醛的剋星,防毒的專家。
空氣淨化:用活性炭擺放在室內有效的吸收空氣中含有的甲醛\二甲苯等有害物質(特別是新裝修的房子)。
家具去異味:活性炭可適用於新買的家具放於櫥櫃\抽屜\冰櫃中,也可放在鞋子裡面除臭味。
汽車除味:新車一般都含有很多的有害物質\難聞刺鼻的氣味,用活性炭可以有效的去除。
木地板防潮、吸味、汽車汽油蒸發污染控制,各種浸漬劑液的製備等,比如活性炭可以作為活性碳罐的填充物用來生產機車碳罐、汽車碳罐等。

套用歷史

歷史記載
⑴公元前1550年,埃及有作為醫用的記載;
⑵公元前460~359年,希臘醫生Hippocrate用以治羊癲瘋;
⑶1518~1593年,中國李時珍的《本草綱目》中提及用於治病;
⑷1993年有外用於潰瘍;
⑸1794年,英國有家糖廠用於加速脫色。上述例證套用的都是木炭,不是活性炭。
活性炭作為人造材料,是在1900年和1901年才發明的,發明者RaphaelvonOstrejko,取得英國專利B.P.14224(1900);英國專利B.P.18040(1900)德國專利Ger.P.136792(1901)。
他發明將金屬氯化物炭化植物源原料或用二氧化碳或水蒸氣與炭化材料反應製造活性炭。1911年在奧地利維也納附近的工廠首次用於工業生產,當時產品是粉狀活性炭,商品名使Epomit;同年在荷蘭有Norit上市;1912年在捷克斯洛伐克有Carboraffin出售。(Ger.Pat.290656)。
歷史階段
回顧百年來世界活性炭套用的歷史,不妨粗略劃分為三個階段:
⑴第一階段,從20世紀初到約20世紀20年代為萌芽階段:
⑵第二階段,從約20世紀20年代中期為成長階段;
⑶第三階段,從20世紀中期到20世紀末期為發展階段,發展成為環保大套用階段。
這三個階段可用活性炭套用歷程中兩件歷史性大事。作為劃分的界限。
歷史事件
第一件大事是活性炭防毒面具,在20世紀20年代在第一次世界大戰中的套用。可以以此作為劃分活性炭套用歷史的第一階段和第二階段的界限。
活性炭在初期主要套用是粉炭在糖業中逐步代替了原來的骨炭。在20世紀20年代的第一次世界大戰中出現的顆粒大量套用於防毒面具。這是工業化學史上輝煌的一頁。當時荷蘭的Norit和捷克斯洛伐克、德國、法國、瑞士等國的製造商和批發商曾成立一個聯合公司,說明在歐洲萌芽的活性炭也是被廣為看好的新興產業。
通過防毒面具套用的推動,活性炭歷史進入了第二階段,活性炭市場不斷擴大,活性炭的吸附和催化功能在眾多行業的精製、回收、合成上的套用陸續開發,美國等的活性炭廠陸續開設。在20世紀中葉不斷拓展套用面的活性炭,被視為“萬能吸附劑”。
第二件大事是活性炭除臭作用,在20世紀40年代數以百計的自來水廠中採用了活性炭除臭。以此作為劃分活性炭套用歷史的第二階段與第三階段的界限。
1927年,美國芝加哥自來水廠發生了廣大居民難以接受的自來水惡臭事故,這是由於原水中的苯酚和消毒用的氯生成異臭所致。德國等地的自來水廠也發生了同樣的事故,這些事故都是用活性炭來解決的。
此後,隨著環境保護日益受到重視,政府法令的日趨嚴格。活性炭不僅在淨水方面,而且在淨氣等方面的用量劇增,使得在20世紀的後半葉,環保產業成為活性炭套用的大戶。由此活性炭歷史進入了第三階段,即發展階段
中國活性炭套用史
1、第一階段是20世紀40年代以前,中國製藥工業、化學工業中使用活性炭量大,都用進口貨,例如用Carboraffin牌的活性炭。
2、第二階段自20世紀50年代初開始,國產活性炭上市。1951年瀋陽和撫順的單管爐廠、青島的反射爐悶燒法廠、上海的電熱活化法廠,接著有氯化鋅活化法廠,1958年福建、杭州、廣州、煙臺、東北等地紛紛建廠,1966年太原開創斯列普活化法廠,隨後中國陸續開設數以百計的斯列普爐廠。此外,還有不少的轉爐、粑式爐等工廠。總生產能力從1951年的三五十噸猛增到20世紀80年代的近十萬噸。
生產與套用相互促進,活性炭的套用範圍被迅速開拓。從原來單一的通用炭向多種的專用炭發展,例如淨水炭、糖炭、味素炭、油脂炭、黃金炭、載體炭、藥用炭、針劑炭、試劑炭等等,足見活性炭因國內經濟蒸蒸日上而套用量速增,又因產量擴大、成本降低而使出口量上升。中國活性炭的套用,不僅在國內市場發展,而且進入了國際市場。
3、第三階段2003-至今;活性炭套用於裝修污染治理,利用先進的造孔技術將活性炭,使其具備與室內有害氣體分子大小相匹配的孔隙結構,專用於吸附甲醛、苯系物、氨、氡等所有對人體有害的氣體及空氣中的浮游細菌。具有吸味、去毒、除臭、去濕、防霉、殺菌、淨化等綜合功能,有效清除室內環境污染成功套用於裝修污染治理。各大市場和超市的家用活性炭眾多,活性炭已走進千家萬戶,成為健康時尚的環保產品。

檢測與鑑別

鑑別方法

1、直接看廠家提供的指標。活性炭常用吸附指標主要有:碘吸附值、四氯化碳(CTC)吸附值、亞甲藍吸附值,碘吸附值用來表示活性炭對液體物質的吸附能力,四氯化碳吸附值用來表示活性炭對氣體物質的吸附能力,亞甲藍吸附值是用來表示活性炭脫色能力的。這三種指標越高,表明活性炭的吸附能力越強。因此大家在購買活性炭時可根據自己的使用情況結合廠家提供的這些指標來選購適合自己用途的活性炭。
2、看體積:同樣12包*50g=1盒為什麼僑波活性炭要比別家的體積大呢?上面已經介紹過了,要想提高活性炭的吸附性能,只有儘可能多地在活性炭上製造孔隙結構,孔隙越多,活性炭越酥鬆,相對密度也就會越輕,因此好的活性炭手感上會比較輕,在同等重量包裝的情況下,性能好的活性炭會比劣質活性炭體積大許多。
3、看脫色能力。活性炭吸附能力的另一個表現就是脫色能力,活性炭具有能將有色液體變成淺色或無色的神奇能力,這其實就是因為活性炭吸附了有色液體裡的色素分子的原因造成的。正因為活性炭的這種特性,被廣泛套用於製糖工業領域中紅糖變白糖的生產過程中。取兩隻透明杯子,在一隻杯子裡放入純淨水,然後滴入一滴紅墨水(這裡可以用任何一種便於觀察但不改變水的性質的色素都可以,例如藍墨水、印表機彩色墨水,但不能使用墨汁和碳素墨水),攪拌均勻後將一半有色水倒入另一個杯子中留作對比樣。將活性炭放入有色水中,數量應達到水的一半或更多,這樣效果會比較明顯,靜置10—20分鐘後與對比水樣進行對照,在同等條件下,脫色效果越強說明活性炭吸附性越好。

質量鑑別

1、將活性炭放置在水中,看其是否會產生氣泡
把活性炭放置在水中,如果它產生一連串小氣泡,並且有氣泡聲,那就說明這個活性炭的吸附能力強,質量特別好。
2、把活性炭放在手中,感受其重量
優質的活性炭是吸附能力強的活性炭,而吸附能力強的活性炭必須具有很多孔隙,以方便吸取空氣中的有害物質,因此優質的活性炭手感會比較輕。如果你所選購的活性炭特別重,那就說明它的吸附能力不強。
3、把活性炭放置在有色液體裡,看液體顏色是否會變淺
優質的活性炭有極強的吸附能力,可以讓有色液體的顏色變淺甚至變為無色,所以業主在選購活性炭時,可以用樣品試驗一下,將活性炭放置到一瓶滴有黑墨水的液體中,放置20分鐘後,看黑色液體的顏色是否會變淡,顏色變得越淡,活性炭的吸附能力就越強。

椰殼活性炭的鑑別

選用優質綠色環保的椰子殼為原料,經過高溫活化及特殊孔徑調節工藝處理,外觀呈黑色顆粒狀。它的孔隙結構發達,是普通活性炭的5倍,其比表面積為1500m2/g(一般活性炭比表面積為700m2/g),特別是孔結構與眾不同,孔隙直徑大於0.45nm且小於2nm微孔占總數90%以上。
因椰殼活性炭比煤質活性炭成本高許多,而且成品活性炭材質一般不容易被普通大眾所識別。市場上常有不法銷售商利用消費者無法識別材質的弱點,用煤質活性炭假冒椰殼活性炭銷售,不管是民用還是工業用領域,此現象都較為嚴重。
1、椰殼活性炭屬於果殼活性炭類別,其主要特點是密度小、手感輕,拿在手裡的重量明顯比煤質活性炭輕。相同重量的活性炭,椰殼活性炭體積一般大於煤質活性炭。
2、椰殼活性炭形狀一般為破碎顆粒狀、片狀,而成型活性炭,如柱狀、多為煤質炭,球狀、多為泥炭。
3、因椰殼活性炭密度小,手感輕,因此可以將活性炭放到水裡,煤質炭一般沉底較快,而椰殼活性炭浮在水中的時間更長,隨著活性炭吸附水分子達到飽和,加重自身重量才會逐步全部沉入水底,當活性炭全部沉底後,會看見每顆活性炭外面都包裹著一個小氣泡,晶瑩剔透,非常有趣。
4、椰殼活性炭為小分子孔隙結構,將活性炭放到水裡,其吸附水分子時所排空氣會產生許多非常細小的水泡(肉眼剛好能看見),密密麻麻的不停浮向水面。而煤質活性炭孔隙結構可控,所產生的氣泡也大小不同。
5、碘值:碘值是活性炭的一個性能參數,果殼、竹炭、煤制的碘值都在幾百,活性炭原料碘值從800、850、900、950、1000、1100mg/g等多種,吸附能力也不同,成本價格也不同,同碘值的活性炭也只有椰殼的效果最好。參數標準
顆粒活性炭 參考值 柱粒活性炭 參考值
碘值 ≥950(mg/g) 碘值 ≥850(mg/g)
苯吸附 ≥450(mg/g)
比表面積 900-1100㎡/g 比表面積 500-900㎡/g
充填密度 0.45-0.55g/cm³; 充填密度 0.45-0.55g/cm³;
強度 ≥90% 強度 ≥90%
水分 ≤10% 水分 ≤10%
柱狀炭
木質柱狀活性炭合格品典型指標:
CTC 吸附值 % 100-140%
苯吸附Benzene adsorption % 45-65%
碘吸附值Iodine adsorption Mg/g 1100-1300
比表面積 Surface area ㎡/g 1400~2400
表觀密度 Bulk density g/ml 0.33~0.38
著火點Ignition temperature 400~450
強 度Hardness % 95-99.9%
灰 分Ash % 3-6
水 分Moisture content % 5
粒 度 Particle size mesh 2,3,4mm
煤質炭
煤質柱狀活性炭物理、化學性能分析(GB/T7701.7-1997)
活性炭活性炭
分析項目
測試數據 分析項目 測試數據
碘值 ≥850mg/g 機械強度 ≥90%
比表面積 500-900㎡/g 水分 ≤10%
充填密度 0.45-0.55g/cm PH值 按要求生產
苯吸附 ≥400mg/g 亞甲藍值 ≥8ml/g

活性炭再生

方法

1.熱再生法
熱再生法是套用最多,工業上最成熟的活性炭再生方法。活性炭熱再生法始於20世紀初,當時是採用迴轉爐對骨炭進行再生;30年代開始引用多層爐;40~50年代再生爐技術已基本成熟;70年代活性炭開始大量套用於水處理領域。熱再生法的原理是在加熱條件下,使被吸附的有機物以解析、炭化、氧化的形式從活性炭基質上消除。
處理有機廢水後的活性炭在再生過程中,根據加熱到不同溫度時有機物的變化,一般分為乾燥、高溫炭化及活化三個階段。在乾燥階段,主要去除活性炭上的可揮發成分。高溫炭化階段是使活性炭上吸附的一部分有機物沸騰、汽化脫附,一部分有機物發生分解反應,生成小分子烴脫附出來,殘餘成分留在活性炭孔隙內成為“固定炭”。在這一階段,溫度將達到800~900°C,為避免活性炭的氧化,一般在抽真空或惰性氣氛下進行。接下來的活化階段中,往反應釜內通入CO2、CO、H2或水蒸氣等氣體,以清理活性炭微孔,使其恢復吸附性能,活化階段是整個再生工藝的關鍵。熱再生法雖然有再生效率高、套用範圍廣的特點,但在再生過程中,須外加能源加熱,投資及運行費用較高。
2.生物再生法
生物再生法是利用經馴化過的細菌,解析活性炭上吸附的有機物,並進一步消化分解成H2O和CO2的過程。生物再生法與污水處理中的生物法相類似,也有好氧法與厭氧法之分。由於活性炭本身的孔徑很小,有的只有幾納米,微生物不能進入這樣的孔隙,通常認為在再生過程中會發生細胞自溶現象,即細胞酶流至胞外,而活性炭對酶有吸附作用,因此在炭表面形成酶促中心,從而促進污染物分解,達到再生的目的。生物法簡單易行,投資和運行費用較低,但所需時間較長,受水質和溫度的影響很大。
3.濕式氧化再生法
在高溫高壓的條件下,用氧氣或空氣作為氧化劑,將處於液相狀態下活性炭上吸附的有機物氧化分解成小分子的一種處理方法,稱為濕式氧化再生法。實驗獲得的活性炭最佳再生條件為:再生溫度230°C,再生時間1h,充氧pO20.6MPa,加炭量15g,加水量300mL。再生效率達到(45±5)%,經5次循環再生,其再生效率僅下降3%。活性炭表面微孔的部分氧化是再生效率下降的主要原因。
傳統的活性炭再生技術除了各自的弊端外,通常還有三點共同的缺陷:⑴再生過程中活性炭損失往往較大;⑵再生後活性炭吸附能力會有明顯下降;⑶再生時產生的尾氣會造成空氣的二次污染。因此,人們或對傳統的再生技術進行改進,或探索全新的再生技術。

技術

1.溶劑再生法
溶劑再生法是利用活性炭、溶劑與被吸附質三者之間的相平衡關係,通過改變溫度、溶劑的pH值等條件,打破吸附平衡,將吸附質從活性炭上脫附下來。
溶劑再生法比較適用於那些可逆吸附,如對高濃度、低沸點有機廢水的吸附。它的針對性較強,往往一種溶劑只能脫附某些污染物,而水處理過程中的污染物種類繁多,變化不定,因此一種特定溶劑的套用範圍較窄。
2.電化學再生法
電化學再生法是一種正在研究的新型活性炭再生技術。該方法將活性炭填充在兩個主電極之間,在電解液中,加以直流電場,活性炭在電場作用下極化,一端成陽極,另一端呈陰極,形成微電解槽,在活性炭的陰極部位和陽極部位可分別發生還原反應和氧化反應,吸附在活性炭上的污染物大部分因此而分解,小部分因電泳力作用發生脫附。該方法操作方便且效率高、能耗低,其處理對象所受局限性較小,若處理工藝完善,可以避免二次污染。
實驗結果表明,電化學再生活性炭具有較高的再生效率,可達到90%。此外,對工藝參數的研究表明,再生位置是活性炭再生工藝中最重要的影響因素,電解質NaCl濃度是較重要的影響因素,再生電流和再生時間對活性炭的電化學再生也有一定的影響。
3.超臨界流體再生法
據最近的研究資料表明,在CO2的臨界點附近,再生效率的變化很大;對未被烘乾的活性炭,則需要延長其再生時間。對氨基苯磺酸而言,CO2超臨界流體法再生的最佳溫度為308K,當溫度超過308K時,再生不受影響;當流速大於1.47×10-4m/s時,流速不影響再生;用HCl溶液處理後,會使活性炭再生效果明顯改善。對苯而言,再生效率在低壓下隨溫度的下降而降低;在16.0MPa壓力時的最佳再生溫度為318K;在實驗流速下,再生效率會隨流速加快而提高。
4.超音波再生法
由於活性炭熱再生需要將全部活性炭、被吸附物質及大量的水份都加熱到較高的溫度,有時甚至達到汽化溫度,因此能量消耗很大,且工藝設備複雜。其實,如在活性炭的吸附表面上施加能量,使被吸附物質得到足以脫離吸附表面,重新回到溶液中去的能量,就可以達到再生活性炭的目的。超音波再生就是針對這一點而提出的。超聲再生的最大特點是只在局部施加能量,而不需將大量的水溶液和活性炭加熱,因而施加的能量很小。
研究表明經超音波再生後,再生排出液的溫度僅增加2~3℃。每處理1L活性炭採用功率為50W的超聲發生器120min,相當於每m3活性炭再生時耗電100kWh,每再生一次的活性炭損耗僅為乾燥質量的0.6%~0.8%,耗水為活性炭體積的10倍。但其只對物理吸附有效,再生效率僅為45%左右,且活性炭孔徑大小對再生效率有很大影響。
5.微波輻照再生法
微波輻照再生法是在熱再生法基礎上發展起來的活性炭再生技術。其原理是以電為能源,利用微波輻照加熱實現再生。試驗中的最佳再生效率出現在功率為HI(W),輻照時間約為80s時。比較極差S可知,對再生後活性炭碘值恢復影響最大的是微波功率,其次是輻照時間,最後是活性炭的吸附量。微波輻照法再生活性炭的時間短。能耗低、設備構造簡單,具有較好的套用前景。然而,在微波加熱使有機物脫附過程中,是否有其它的中間產物產生等問題還有待於進一步研究。
6.催化濕式氧化法
傳統濕式氧化法再生效率不高,能耗較大。再生溫度是影響再生效率的主要原因,但提高再生溫度會增加活性炭的表面氧化,從而降低再生效率。因此,人們考慮藉助高效催化劑,採用催化濕式氧化法再生活性炭。同濟大學水環境控制與資源化研究國家重點實驗室的科研人員正在開展此方面的研究。隨著可持續發展觀念的深入人心,活性炭再生工藝與技術日益得到人們的重視。一些傳統的活性炭再生技術與工藝在近些年有了新的改進與突破。同時新再生技術也在不斷湧現。雖然這些新興技術在工藝路線上還不成熟,尚無法投入工業使用。但它們的出現為活性炭的再生帶來了新思路與新探討。
7、物理活化法
也叫做氣體活化,此過程是將炭化產物於高溫(800-950℃),通以水蒸氣、二氧化碳或空氣與炭質做選擇性炭的氧化,以清除堆積在孔洞的反應生成物。
8、化學活化法
化學活化系將原料炭與活化劑直接調和、炭化與活化同時進行反應,此種方法能產生較少炭氫化合物或氧化物,但化學活化劑之污染與回收則是另一項需要考慮的問題。常用的活化劑有氯化鋅及磷酸。

注意事項

1、運輸與裝卸:活性炭在運輸過程中,不得用鐵鉤拖拽,應防止與堅硬物質混裝,不可強烈振動、磨擦、踩、砸,嚴禁拋擲,應輕裝輕卸,以減少炭粒破碎,影響使用。
2、儲存:應儲存於陰涼乾燥、儘可能防火的建築內,防止內外包裝袋破裂,防止受潮和吸附空氣中其它物質,影響使用效果。嚴禁與有毒有害氣體或易揮發物質混放,存放要遠離污染源。不可與氧化劑混放;貯放處禁止明火,火花和吸菸。
3、嚴禁水浸:活性炭屬於多孔性吸附類物質,所以在運輸、儲存和使用過程中,都要絕對防止水浸,因水浸後,水填充了活性孔隙,減少了活性炭比表面與氣體的直接接觸,嚴重影響使用效果。
4、防止焦油類物質:在使用過程中,應禁止焦油類粘稠物質進入活性炭床,以免堵塞活性炭孔隙或遮蓋了活性炭展開表面,使氣體不能與活性炭展開表面接觸,失去套用效果,如氣體中含有此類物質,應在氣體進入活性炭床前進行清除(最好有除焦設備)以達到好的套用效果。
5、防火:活性炭列入危險化學品名錄,屬自燃物品,編號42521,可燃的。著火後不會發生有焰燃燒,只是陰燃。活性炭燃燒時如果通風不足,會生成有毒的一氧化碳。活性炭在儲存或運輸時,防止與火源直接接觸,以防著火。活性炭再生時避免進氧並再生徹底,再生後必須用蒸氣冷卻降至800℃以下,否則溫度高,遇氧,活性炭自燃。滅火劑:水、泡沫、二氧化碳、砂土、火場周圍可用的滅火介質。
6、使用:裝填時應先篩去因搬運產生的碎粒與粉塵。然後層層均勻鋪開,不得從進料孔處直接倒入,以免使大小顆粒裝填不均,最終造成氣體偏流,影響使用效果。裝填結束,開車前應先吹空,吹出活性炭表面粘附粉塵,避免開車後粉塵帶入後工段而影響正常生產。
影響活性炭使用壽命的關鍵因素:使用環境中有害物質的總量大小以及脫附的頻率。由於活性炭吸附有害氣體的質量可以接近甚至達到其本身的質量,而在普通家庭空間空氣中,有害氣體的質量遠遠小於活性炭的使用量。因此,只要經常將活性炭放置在太陽下爆曬,能增加活性炭的壽命,使其使用期限更長。
7、安全需知:濕的活性炭需要從空氣中除去氧,在安全密閉的容器內氧的消耗會造成有毒的環境,假如工人進到含有活性炭的容器內適當取樣或低含氧空間作業,應遵守國家相關標準及作業規範。
泄漏:隔離泄漏污染區,限制出入。切斷火源。建議應急處理人員戴自給式呼吸器,穿防毒服。
吸入:迅速脫離現場至新鮮空氣處。保持呼吸道通暢。如呼吸困難,給輸氧。如呼吸停止,立即進行人工呼吸。就醫。
誤食:誤服者用水漱口。就醫。
皮膚接觸:立即脫去被污染衣著,用大量流動清水沖洗,至少15分鐘。就醫。
眼睛接觸:立即提起眼瞼,用大量流動清水或生理鹽水徹底沖洗至少15分鐘,就醫,環球淨水。

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