环境功能材料4活性炭

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1、v第一节 、活性炭的概述v第二节、活性炭的微观结构v第三节、活性炭的吸附性能活性炭第一节 、活性炭的概述v活性炭（AC: activated carbon）是由含碳材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达、表面积大，吸附能力强的一类微晶质碳素材料。v表观密度约0.080.45。含碳量10%98%。v粉末活性炭v颗粒活性炭v纤维活性炭活性炭雕比较碳与炭的区别：“碳”：“炭”：是元素的名称，是核电荷数为6的一 类原子的总称。比如：碳元素、碳单 质、含碳化合物、一氧化碳。表示由碳元素组成的某种物质木炭、 活性炭、焦炭、炭黑等。 炭是黑炭类的统称：活性炭工业历史与现状v长沙马王堆出土的汉墓木椁用木炭来吸

2、潮、防腐，v明朝李时珍在木草纲目中记述果核烧炭可治疗腹泻和肠胃病。v1785年，洛维茨证实木炭能使某些液体脱色。这一发现导致木炭于1794年在英国精制糖厂中首次获得工业应用。v1913年用氯化锌活化法生产出防毒面具用的粒状活性炭。v20年代初期在欧洲，活性炭的用途已扩大到矿物油、植物油和化学药品的精制。v1926年以后，活性炭制法研究集中在荷兰，而理论方面研究集中在德国。v1929年以后，在美国开始把粉状活性炭用于水处理(每年2000-3000 t)。这时原料使用相当广泛，扩展到用果壳、核、泥煤等。活化方法也多种多样，理论研究进一步深化。 v1938年布朗诺尔、埃米特、泰勒(Brunauer,

3、 Emmett, Teuer) 3人在朗格谬尔(Langmuir)动力学吸附理论的基础上，提出了多分子层吸附理论(简称BET理论)和著名的BET方程。v1943年美国匹斯堡活性炭公司(现在的Calgoh公司)首次采用烟煤压块、水蒸气活化工艺制造军用活性炭。目前活性炭的发展v为保护环境和节省能源，活性炭用途已扩大到空气净化、废水处理、香烟滤嘴、制糖等方面。v原料来源转向煤、石油。目前其中以煤为原料加工制成的活性炭占60%以上。活性炭的理论发展v吸附理论和空隙结构研究v体积填充理论v计算活性炭孔分布的D-R ( Dubinin-Radushkevioh)和D-A (Dubinin-Astakhor

4、)方程体积填充理论v吸附剂的孔按规定分为大孔 ( 5 0 n m )、中孔 ( 2 5 0nm )和微孔 ( 颗粒密度堆积密度(二) 、比孔容积和孔隙率 1、 比孔容积 ：1g活性炭所含有的颗粒内部孔隙的总体积称作比孔容积，简称为比孔容。比孔容大的活性炭孔隙结构发达。 2、孔隙率：活性炭颗粒内部孔隙体积占颗粒体积的比率，常用百分率表示。孔隙率大的活性炭孔隙结构发达。 (三)、比表面积 比表面积：1g活性炭所具有的颗粒外表面积与颗粒内部孔隙的内表面积之总和 。活性炭的比表面积为8001500/g，但3000 /g也能制备（高比表面）。 测试方法：液氮温度下吸附氮气的BET法是常用的方法之一(四)

5、、平均孔隙半径 平均孔隙半径表示活性炭孔隙半径大小的平均值。它能在一定程度上宏观地反映活性炭孔隙的大小。 r=nVg/s 式中：r为平均孔隙半径；Vg 为比孔容积；S为比表面积； n为孔隙形状系数：球形孔隙n3，圆筒状孔隙n=2，狭缝性孔隙n=1。 (五) 、孔径分布 孔径分布表示随着孔隙有效半径大小而变化的孔容积分布状况，是掌握活性炭孔隙结构的最佳手 段。 测试方法活性炭孔径分布的测定方法有压汞法（半径大于10nm以上的孔隙 ）、毛细凝聚法（半 径230nm的孔隙 ）、N吸附法（2nm）-N吸附法测定第三节 活性炭的吸附性能非极性吸附活性碳是疏水性的非极性吸附剂，能选择性地吸附非极性物质，而

6、对不饱和的含碳化合物，如含双键或三键的化合物，选择性吸附的能力小。v 硅胶、沸石吸附剂是极性(亲水性)吸附剂，对极性分于的选择性吸附能力大，即对不饱和的含碳化合物的吸附力大。物理吸附v 杜宾宁认为，在活性炭的吸附中，主要是范德华力作用引起物理吸附。活性炭吸附有如下规律：v1、对芳香族化合物的吸附优于对非芳香族化合物的吸附，如对苯的吸附优于对环己烷的吸附；v2、对带有支链的烃类吸附，总是优于对直链烃类的吸附；v3、对有机物中含有和不含有无机基团的吸附不一样，凡含有无机基团的总是低于不含有无机基团的化合物。如对吡啶的吸 附总是低于对苯的吸附;v4、对分子量大的和沸点高的化合物的吸附总是高于分子量小

7、的和沸点低的化合物，等等。孔径与吸附质分子v活性炭具有发达的孔隙结构，除活性炭分子筛以外，孔径 分布范围较广，因此，能吸附分子大小不同的各种物质， 但选择性的吸附分离效果较差。吸附质分子的大小与活性 炭孔隙大小相对应时有利于吸附。有人认为，当活性炭的 孔隙半径比吸附质分子的半径大3-4倍时，最有利于吸附。v液体分子一般比气体分子大，一般过渡孔较发达的活性炭 有利于液相吸附，例如，糖用炭适用于除去糖液个的大分 子杂质；微孔发达的活性炭适用于气相吸附，对于低浓度 的和低沸点的气体和蒸汽的吸附能力也是很大的。v大多数有机物在有机溶中的吸附量要比在水溶液中少，原因之一就是有机物在有机溶剂中的溶解度较大

8、。另一个因素是溶剂也被吸附。v水被炭吸附的作用较小，相反，有机溶剂则能强烈地被吸附。因此，给溶质分子剩下的游离有效表面积就小了。不同溶剂中的吸附性能由表可以看出，吸附量的降低是各不相同的，用乙醇代替水作溶剂 时，对孔雀绿的吸附量的降低比亚甲基蓝互显著。从表中还可以看出 ，吸附量降低的比例也与所用的炭种有关。表3-4-10吸附操作方式1、 静态吸附使废水与吸附剂搅拌混合，而废水没有自上而下流过 吸附剂的流动，这种吸附操作叫静态吸附。在废水处理中采用较少。粉末活性炭味精、糖类脱色高附加值，高效，用量少2、动态吸附动态吸附是在废水流动条件下进行的吸附操作。当废水连 续通过填充吸附剂的吸附设备 时，废

9、水中的吸附质便被吸附 剂吸附，从吸附设备流出的废 水中吸附质的浓度可以降低， 吸附剂使用一段时间后，出水 中的吸附质的浓度逐渐增加， 当增加到某一数值时，将吸附 剂进行再生。活性炭材料表面官能团v 活性炭材料在制备过程中由于灰分和其他杂原子的存在，使其基本结构产生缺陷和不饱和价，氧和其他杂原子在活 化过程中可以吸着于这些缺陷上，形成各种官能团，官能团 的存在可以改变活性炭的基础吸附特性。v v 活性炭表面含氧官能团：羧基、酸酐、酚羟基、羰基、醌基、内酯基、乳醇基、醚基，还有酰胺、酰亚胺、内酰胺、吡 咯和嘧啶等含氮官能团。THE END吸附常用术语v 1表观(堆积)密度(apparent(bul

10、k) density) 在规定的条件 下，包括孔体积和粒 间空隙的单位体积固体吸附剂的质量 。 2灰分(ash) 一种物质在规定条件下燃烧之后的残渣。 3电导率(conductivity) 在规定条件下，截面积为1cm2， 极间距离为1cm时，该溶液的电导。 4原样基(asisbasis) 样品收到时的样子 5活性(activity) 用来描述吸附能力的通常术语，即按标 准试验方法测定一种吸附剂的能力。 6活性炭(activated carbon) 采用各种能促进吸附性能的 工艺制造成的一类含碳物质。 v7活化(activation) 任何能使一种物质的吸附性能增强的处理过程。 8吸附质(ad

11、sorbate) 任何被吸附或能被吸附的物质。 9吸附剂(adsorbent) 任何能将大量其他物质浓集在自己表面上的固体. 10吸附(adsorption) 流动分子靠化学力或物理力，或二者浓集在一个表面的过程。 11干基(drybasis) 不包括任何可能存在的水分。 12. 粉尘(dust) 能暂时悬浮在空气或其他气体中的微粒, 也就是指小于一个主观选定尺寸的微粒. v13颗粒活性炭(granular activated carbon) 以大 于80目(筛上)粒度为主的活性 炭。 14粉状活性炭(powdered activated carbon) 以 通过80目粒度为主的活性炭。 15

12、大孔(macropore) 其尺寸大于50 nm的孔。 16微孔(micropore) 其尺寸小于2 nm的孔。 17中孔(mesopore) 其尺寸介于250 nm之间 的孔。 18孔径(pore diameter) 吸着剂中的孔被假设为 圆筒形，并按规定的方法获得的数据计算出来的 一种模型孔的直径。 v19孔容积(pore volume) 单位重量吸附剂中孔的总体积。 20孔容积分布(pore volume distribution) 不同尺寸或直径 孔的孔容积分布。 21选择性吸附(preferential adsorption) 某一种或几种组分 的吸附大大超过其他组分的吸附现象。 2

13、2耐磨性(abrasion resistanca) 颗粒对磨擦而引起的磨耗 或磨损的性能. 23吸收(absorption) 流动分子被一种液体或固体摄取并向 此液体或固体之中分布的过程。 24. 酸溶物(acid-extractable material) 在规定条件下用酸溶 解出的物质。 v25. 穿透点(破过点)(breakpoint) 在规定条件下当 排出物中有关吸附质允许浓度出现的点。 26抗碎强度(crushing strength) 颗粒遭受一种 连续地逐渐增加的外加力时，抵抗物理破碎的能 力。 27. 解吸(desorption) 吸附物从吸附到分离出的现 象。 28吸附热(h

14、eat of adsorption) 吸附过程中释放 出的热量。 29. 着火温度(着火点)(ignition temperature) 在规 定条件下，发生自燃的最低温度。 30等温线(isotherm) 当温度保持恒定时，单位 吸附剂的吸附量对平衡浓度或压力的关系曲线。 v31. 硬度(hardness) 用规定的试验方法测得颗粒抗磨损的 性能。 32水溶物(water-extractable material) 在规定条件下用 水溶解出的物质。 33表面氧化物(surface oxides) 吸附剂表面形成的含氧 化合物和络合物. 34. 真密度(true density) 在规定条件下，除去孔体积和粒 间空隙的单位体积固体吸附剂的质量。 35颗粒密度(particle density) 在规定条件下，包括孔体 积但不包括粒间空隙的单位体积固体吸附剂的质量。 36再生(regeneration reactivation) 使一种废吸附剂恢 复吸附性能的过程。