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1、煤制活性炭技术,活性炭电镜照片,一、活性炭简介,活性炭的结构,活性碳的分类,活性碳的用途,活性炭,活性炭是一种由含炭材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料。活性炭材料中有大量肉眼看不见的微孔。 活性炭主成分除了碳元素以外还有氧、氮、氢等元素及灰份。,活性炭的结构,活性炭在结构上由于碳是不规则排列，在交叉连接之间有细孔，造成了活性碳多微孔体积及高表面积的特性。,活性炭的孔结构十分复杂， 形状各异，孔隙大小从不到1nm直至1万nm以上，按其孔隙大小可分为大孔、过渡孔，微孔，其大小范围如下：,大孔：半径为100-2000nm，主要是能使被吸 附物的分子迅速
2、地进入位于活性碳粒 子更深处的内层细孔。,过渡孔：半径为2-100nm，过渡孔的表面积占 总面积的5%。它是作为被吸附物质到 微孔的信道。,微孔：半径为2nm以下。微孔的表面积占总面积 的95%。能提供很大的比表面积给活性碳 吸附杂质。,活性炭的分类,活性炭的主要原料几乎可以是所有富含碳的有机材料，如煤、木材、果壳等。这些含碳材料在活化炉中，在高温和一定压力下通过热解作用被转换成活性炭。,按原料来源分,木质活性炭 煤质活性炭 矿物质原料活性炭 石油活性炭 再生活性炭,按制造方法分,化学法活性炭（化学药品活化法炭） 物理法活性炭 (气体活化法炭) 化学-物理法或物理-化学法活性炭,按外观形状分,
3、粉状活性炭 颗粒活性炭 不定型颗料活性炭 圆柱形活性炭 球形活性炭 纤维状活性碳,活性炭的用途,空气净化：能吸附过滤空气中的恶臭、体臭、 烟气、毒气、O3 、 SO2、NO等。 水净化：能去除水中的重金属离子、致癌物 质、臭味、霉味、细菌及脱色等；可 用于自来水、食品工业用水及工业用 纯水等处理； 环保工程：废气及污水处理； 防毒口罩、防毒衣、香烟过滤嘴等；,溶剂回收：对苯类、酮类、酯类、石油类均能 吸附回收。 贵金属提炼或回收、吸附放射性物质，也可用于作为催化剂载体、气相色谱的固定相； 医药上用于包扎带，急性解毒剂、人工肾脏等； 电子及能源方面应用，如高容量电容、蓄电池等； 耐高温及保温材料
4、。,活性炭的来源 活性炭几乎可以用含有碳的任何物质做原料来制造，这包括木材、锯末、煤、泥炭、果壳、果核、蔗渣、骨、石油焦、皮革废物、纸厂废物等等。,二、 活性炭的制备,碳化的定义 碳化也称热解，是在隔绝空气的条件下对原材料加热，一般温度在600以下。有时原材料先经无机盐溶解处理后再碳化。,活化的定义 活化是在有氧化剂的作用下，对碳化后的材料加热，以生产活性炭产品。当氧化过程的温度在800-900时，一般用蒸汽或二氧化碳为氧化剂；当氧化温度在600以下时，一般用空气做氧化剂。,活性炭的制作 活性炭的制作分碳化及活化两步。,二、活性炭的制备,2、活性炭活化机理,活性炭在惰性气氛中进行炭化，原材料经
5、过热分解放出挥发分而变成炭化产物。 目前活性炭的研究难点主要集中在原料碳的活化过程，如怎样形成孔隙结构，孔隙炭化过程中被生成的焦油状物质及非晶质碳堵塞、封闭，如何进一步地通过活性物质的活化反应把它们除去等方面。 在解析吸附试验基础上，将X射线衍射与热重分析等方法相结合，对活化原理有了更深入的理解，但对于活化机理仍需要进一步研究。,2.1 水蒸气活化,以水蒸气活化为代表的物理活化具有工艺简单、无污染等优点，已经得到越来越多的关注和应用，但其活化机理仍在探索之中，水蒸气与碳的基本反应是吸热反应，反应在750 以上的温度下进行。,2.1 水蒸气活化,碳与水蒸气的反应主要受氢气的影响，不受一氧化碳的影
6、响。一般认为，炭表面吸附水蒸气后，吸附的水蒸气分解放出氢气，吸附的氧以一氧化碳的形态从炭表面上脱离。吸附的氢堵塞了活性点，抑制了反应的进行，生成的一氧化碳与炭表面上的氧发生反应而变成二氧化碳，炭的表面与水蒸气又进一步发生反应。反应式如下所示,2.1 水蒸气活化,碳与水蒸气反应受炭材料中金属或金属氧化物的催化作用，促进了气化反应的进行。 当活化温度在900 以上时，受水蒸气在炭化物颗粒内扩散速度的影响，活化反应速度太快，水蒸气侵蚀到孔隙的入口附近就被消耗掉，难以扩散到孔隙内部，不能均匀地进行活化。 相反活化温度越低，活化反应速度越小，水蒸气越能充分地扩散到孔隙中，可以对整个炭化物颗粒进行均匀地活
7、化。,2.2 二氧化碳活化,相比水蒸气活化，采用二氧化碳活化制备活性炭的研究较少 因为碳与二氧化碳的活化反应速度比水蒸气活化时缓慢，需要8501100 的较高温度。 在碳与二氧化碳的反应中，碱金属的碳酸盐具有催化作用，反应不仅受一氧化碳的影响，还受反应混合物中氢气的影响。 二氧化碳活化机理有如下两种观点：,2.2 二氧化碳活化,第一种观点： 第二种观点： 第一种观点表示二氧化碳与碳的反应基本上是不可逆的，生成的一氧化碳吸附在炭的活性点上阻碍了反应的进行；第二种观点表示二氧化碳与碳的反应是可逆的，一氧化碳的浓度增加时可逆反应达到平衡状态，反应便不能继续进行。,2.3 碱(KOH)活化,在惰性气体
8、中热处理KOH与含炭材料时，反应分两步进行，在低温时生成表面物种(-OK，-OOK)，然后在高温时通过这些物种进行活化反应。 低温时: 高温时：,2.3 碱(KOH)活化,把一定量的炭材料与碱类物质的混合，在300500 下脱水后，在600800 范围内活化，活化的混合物经冷却，用水充分洗涤除去剩余碱，便得到活性炭。有关的主要反应如下：,2.3 碱(KOH)活化,500 以下发生脱水反应，在氧化钾存在下，发生水煤气反应和水煤气转移反应，可以认为氧化钾作为催化剂。 产生的二氧化碳与氧化钾反应几乎完全转变成碳酸盐，因此产生的气体主要是氢气，仅得到极少量的一氧化碳、二氧化碳、甲烷及焦油状物质。 活化
9、过程中消耗的碳主要生成碳酸钾，从而使产物具有很大的比表面积。在800 左右，氧化钾被氢气或碳还原，以金属钾(沸点762 )形式析出，金属钾的蒸气不断挤入碳原子所构成的层与层之间进行活化。,2.4 氯化锌活化,氯化锌活化生产活性炭的历史已久，至今氯化锌法生产工艺仍然是化学药品活化法中最主要的方法。虽然国内外研究者使用氯化锌活化不同的原料制备出优质活性炭，但对于活化机理仍在不断探索之中。 氯化锌活化木质素得出如下结论 在200600 范围内，氯化锌对木质素起作用：200350 木质素中易挥发物的气化脱氢；350450氯化锌的脱氢限制了焦油的形成，导致木质纤维素的芳构化；450600 氯化锌气化，氯
10、化锌分子浸渍到碳的内部起骨架作用，碳的高聚物炭化后沉积到骨架上，当用酸和热水洗去氯化锌后，炭就成了具有巨大表面的多孔结构活性炭。,2.5 磷酸活化,氯化锌活化过程中易挥发出氯化氢和氯化锌气体，造成严重的环境污染，并影响工人身体健康，而且氯化锌回收困难，回收率低，造成锌耗高，能耗高，导致产品成本高。在国外氯化锌法已经被淘汰，取而代之的是磷酸法，即用磷酸来代替氯化锌作为活化剂。 利用核磁共振波谱、傅立叶变换红外光谱对磷酸活化木质活性炭进行元素分析，发现磷酸的加入降低了炭化温度，150 开始形成微孔，200450 主要形成中孔；磷酸作为催化剂催化大分子键的断裂，通过缩聚和环化来参与键的交联；可以通过
11、改变热处理温度或改变酸与原料之比来改变活性炭的孔隙分布，但高温条件下形成的主要是中孔。,三、活性炭的吸附,活性炭是非极性吸附剂，因此在水中吸附能力大于有机溶剂中的吸附能力。,三、活性炭的吸附应用,三、活性炭的应用,三、活性炭的应用,三、活性炭的应用,为催化剂和催化剂载体 活性炭本身有各种催化活性，可单独作催化剂，应用于卤化、氧化脱氢等化学反应中。某些活性炭也是优良的催化剂载体，应用在醋酸乙烯酯合成、卤化、氧化、聚合等反应中。,医药方面的应用 活性炭作为外用药，用于烂疮、化脓化创伤，也可用于内服药治疗腹泻。活性炭能吸附病毒、细菌毒素、药物等，可用于治疗中毒或过量服药的病人。,农业和其它方面的应用
12、 活性炭施用于土壤中，能促进氮的生物固定作用，除去农药对作物的毒害等。此外，活性炭还用作制造锌空气电池的电极。,四 活性炭制备工艺,四 活性炭制备工艺,原理和产品的处理工艺,原理和产品的处理工艺,除铁,脱灰,浸渍,涂层,五 活性炭生产设备,煤质活性炭生产设备,类蒙摩,混捏设备,炭化炉,活化炉,所谓活性炭的再生(regeneration)，就是将饱和吸附各种污染物的活性炭经过特殊处理，使活性炭恢复绝大部分的吸附能力，以便重新用于吸附过程，降低生产成本，减少资源的浪费。 经吸附或脱色后的废活性炭的高使用成本，废弃饱和活性炭造成的资源浪费及二次污染等问题，极大地限制了活性炭的应用范围。,六、 活性炭再生,表1. 活性炭再生方法比较 Table1. The different of the activated carbon regeneration,谢 谢,
