活性炭是一種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,是一種常用的吸附劑、催化劑或催化劑載體?;钚蕴堪丛蟻?lái)源可分為:木質(zhì)活性炭、果殼活性炭、獸骨/血活性炭、礦物原料活性炭、合成樹脂活性炭、橡膠/塑料活性炭、再生活性炭等;活性炭按外觀形態(tài)可分為:粉狀、顆粒狀、不規(guī)則顆粒狀、圓柱形、球形和纖維狀等。活性炭的應(yīng)用極其廣泛,其用途幾乎涉及所有的國(guó)民經(jīng)濟(jì)部門和人們?nèi)粘I?,如水質(zhì)凈化、黃金提取、糖液脫色、藥品針劑提煉、血液凈化、空氣凈化、人體安全防護(hù)等。
活性炭材料是經(jīng)過(guò)加工處理所得的無(wú)定形碳,具有很大的比表面積,對(duì)氣體、溶液中的無(wú)機(jī)或有機(jī)物質(zhì)及膠體顆粒等都有良好的吸附能力?;钚蕴坎牧现饕ɑ钚蕴浚ˋcTIvated Carbon , A C )和活性炭纖維(AcTIvated Carbon Fibers, ACF )等?;钚蕴坎牧献鳛橐环N性能優(yōu)良的吸附劑,主要是由于其具有獨(dú)特的吸附表面結(jié)構(gòu)特性和表面化學(xué)性能所決定的?;钚蕴坎牧系幕瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,機(jī)械強(qiáng)度高,耐酸、耐堿、耐熱,不溶于水與有機(jī)溶劑,可以再生使用。
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(xué)結(jié)合的元素,主要是氧和氫,這些元素是由于未完全炭化而殘留在炭中,或者在活化過(guò)程中,外來(lái)的非碳元素與活性炭表面化學(xué)結(jié)合,如用水蒸氣活化時(shí),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(wú)機(jī)部分。
活性炭的主要原料幾乎可以是所有富含碳的有機(jī)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(guò)熱解作用被轉(zhuǎn)換成活性炭。在此活化過(guò)程中,巨大的表面積和復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)逐漸形成,而所謂的吸附過(guò)程正是在這些孔隙中和表面上進(jìn)行的,活性炭中孔隙的大小對(duì)吸附質(zhì)有選擇吸附的作用,這是由于大分子不能進(jìn)入比它孔隙小的活性炭孔徑內(nèi)的緣故。
1、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(zhì)被吸附在活性炭表面而去除的方法,去除對(duì)象包括溶解性的有機(jī)物質(zhì),合成洗滌劑、微生物、一定量的重金屬,并能夠脫色、除臭、空氣凈化。
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(jīng)過(guò)活化后碳晶格形成形狀和大小不一的發(fā)達(dá)細(xì)孔,大大增加比表面積,提高吸附能力?;钚蕴康募?xì)孔有效半徑一般為1-10000nm,小孔半徑在2nm以下,過(guò)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(guò)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(xì)小的炭粒,有很大的表面積,而且炭粒中還有更細(xì)小的孔——毛細(xì)管。這種毛細(xì)管具有很強(qiáng)的吸附能力,由于炭粒的表面積很大,所以能與氣體(雜質(zhì))充分接觸。當(dāng)這些氣體(雜質(zhì))碰到毛細(xì)管被吸附,起凈化作用。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(cè)數(shù)據(jù)只有采用BET方法檢測(cè)出來(lái)的結(jié)果才是真實(shí)可靠的,國(guó)內(nèi)有很多儀器只能做直接對(duì)比法的檢測(cè)?,F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外比表面積測(cè)試統(tǒng)一采用多點(diǎn)BET法,國(guó)內(nèi)外制定出來(lái)的比表面積測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)都是以BET測(cè)試方法為基礎(chǔ)的,請(qǐng)參看國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 19587-2004)-氣體吸附BET原理測(cè)定固態(tài)物質(zhì)比表面積的方法。
2、化學(xué)特性
活性炭的吸附除了物理吸附,還有化學(xué)吸附?;钚蕴康奈叫约热Q于孔隙結(jié)構(gòu),又取決于化學(xué)組成。
活性炭不僅含碳 ,而且含少量的化學(xué)結(jié)合、功能團(tuán)開工的氧和氫,例如羰基、羧基、酚類、內(nèi)酯類、醌類、醚類。這些表面上含有的氧化物和絡(luò)合物,有些來(lái)自原料的衍生物,有些是在活化時(shí)、活化后由空氣或水蒸氣的作用而生成。有時(shí)還會(huì)生成表面硫化物和氯化物。在活化中原料所含礦物質(zhì)集中到活性炭里成為灰分,灰分的主要成分是堿金屬和堿土金屬的鹽類,如碳酸鹽和磷酸鹽等。
3、機(jī)械特性
1、粒度:采用一套標(biāo)準(zhǔn)篩篩分法,求出留在和通過(guò)每只篩子的活性炭重量,表示粒度分布。
2、靜觀密度或堆密度:應(yīng)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(yīng)是孔隙容積而不應(yīng)是顆粒間空隙容積的單位體積活性炭的重量。
4、強(qiáng)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(jī)械性質(zhì)直接影響活性炭應(yīng)用,例如:密度影響容器大??;粉炭粗細(xì)影響過(guò)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。
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