催化剂提供一个高浓度的场所,有利于催化的进行[23.24]。
活性炭的其他应用
随着研究的逐渐深入,活性炭在其他领域出现一些特殊的应用,它的开发和利用给我们的生活带来了许多积极的效果。
①药用、医用:活性炭作为高吸附材料,可以吸附药物,口服进入人体后缓释药物成分,降低服药频率;也可将活性炭用做剂和降血脂药物等。如治疗胃肠失调、腹部脓毒症、血液过滤、血液渗析等用于吸附对于人体有害有毒的物质。
②金属的精选:如利用其与氢氧化铝和氢氧化铁混合物共同沉淀可以从海水中分离铀。
③烟气过滤净化:香烟和烟斗的过滤嘴。
④分析技术:如高真空技术中用来吸附痕量残余气体。⑤温度控制:用来制造吸附恒温器和获取低温。
⑥农林种植:用于缓释土壤中的农肥和农药,改良土壤,调理土壤性能,提高土质和地温。
能源领域:用作储氢材料,作为电池、超级电容器的电极材料。
工业分析,对于活性炭及其原料炭化物中所含有的挥发分数量的测定,通常采用的方法是将试样放在铂金坩埚中,避免与空气接触,在900℃下加热7min,求出加热减量占原试样的百分比,并从该百分比中减去同时进行测定得到的水分值(干燥减量)以后,便得到试样的挥发分含量,灰分(强热残分)的测定方法是将干燥过的试样放在瓷坩埚中,并置于高温电炉内,将其温度调至800~900℃对样品进行灰化,残留物质的质量分数作为灰分,固定碳确定是以干燥试样作为,减去灰分与挥发分所得到的数值,
通常的活性炭由于是在温度为900℃以上制得的,所以挥发分很少。另一方面,炭化温度对原料炭化物的挥发具有很大影响。实验表明,挥发分的含量随着温度的上升而减少,炭化反应在500℃以下剧烈进行,在600~700℃基本结束。固定碳含量在炭化反应结束的700℃以上基本不会再增加,该变化基本上与挥发分相对应,
灰分随炭化得率的降低而增加。灰分是活性炭原料选择方面的一个重要物标。原料中的无机成分在炭化过程中几乎不减少而后残留于木炭中,原料中的灰分含量即使只有1%,活性炭的灰分含量也将达到10%。由于于灰分不具有吸附能力,因此该单位质量的活性炭吸附能力要比灰分含量为零的活性炭的附能力下降10%左右。所以在活性炭的选择过程中,尽可能选择灰分含数量
活性炭基本上是非结晶性碳,它由微细的石墨状微晶和将它们连接在一起的碳氢化合物部分组成。活性炭初的原料如木材、煤等,经炭化、活化等过程后,活性炭中部分碳原子之间已形成了微晶碳(活性炭的基本结晶),但是其面网结构却没有采取石墨那样规则性的积层结构,而是形成图1-1(b)那样的乱层结构。除微晶碳外,活性炭前驱体经炭化、活化等过程后仍然有部分未晶化的碳,活性炭被认为是由微晶群和其他未组成平行层的单个网状平面以及无规则碳组成的多相物质。
目前,在X射线衍射分析的基础上,已发现活性炭的微晶碳有两种不同的结构,一种是类石墨结构的微晶碳,其大小随炭化温度而变化,大小约由三个平行的石墨层所组成,其宽度约为一个碳六角形的九倍,它与石墨相比,微晶碳中平面面网之间排列不整齐,称为“乱层结构”,与石墨结构的比较如图1-1所示;另外一种微晶碳是由于石墨网结构之间的轴向不同,面网之间的间距也不整齐,或石墨层间扭曲,可能因杂原子(如氧、氮等)的进入而稳定,碳六面网被空间交联而形成无序的结构。Riley认为,在大部分碳材料中(包括活性炭)均含有这两种结构类型,而活性炭的终特性则取决于它是以哪种类型的结构为主。
富兰克林把除金刚石以外的碳素物质分为容易石墨化的易石墨化碳素和难
活性炭是具有发达的孔隙结构、比表面积大,选择性吸附能力强的碳材料。在一定的条件下,对液体或气体中的某一或某些物质进行吸附脱除、净化、精制或回收,实现产品的精制和环境的净化。Rapheal von Ostrejko 于1900年申请了英国专利B.P.14224和B.P,18040,研究开发了CO:或者水蒸气活化反应生产具有吸附能力的活性炭,并且成功应用于防毒面具中。1911年,奥地利的Fanto公司和荷兰Norit公司生产糖液脱色用粉状活性炭,时至今日,活性炭已广泛应用于、化工、食品、轻工、医药、制药、环保和水处理等工业和生活的各个方面。随着科学技术的发展和人们生活水平的提高,活性炭已经成为现代工业、生态环境和人们生活中不可或缺的炭质吸附材料
活性炭主要是以木炭、木屑、各种果壳(椰子壳、杏壳、核桃壳等)、煤炭和石油焦等高含碳物质为原料,经炭化活化而制得的多孔性吸附剂。活性炭基本上是非结晶性物质,它由微细的石墨状结晶和将它们联系在一起的碳氢化合物部分构成。其固体部分之间的间隙形成孔隙,赋予活性炭所特有的吸附性能[]活性炭的主要特征和用途
一、物理结构与分类
物理结构
活性炭的基本晶体结构活性炭是以碳为主要成分的吸附材料、结构复杂,既不像石墨,金刚石那样具有碳原子按一定规律排列的分子结构,又不像一般炭化物那样具有复杂的大分子结构,一般认为活性炭是由类似石墨的碳。
活性炭活化温度的影响
活化温度是指活化时活化料的高温度,是活性炭孔性能的重要影响因素之一。Saka 等[33]采用氯化锌法活化橡子壳制备活性炭发现,在活化温度分别为300℃、400℃、500℃和600℃时,得到活性炭的比表面积分别为98㎡801m²/g、988m²/g和1289m²/g。Sayg山等[34]采用葡萄工业加工剩余物为原料,以氯化锌活化法制备了活性炭,研究表明活化温度由400℃升到600元比表面积SBET、总孔隙体积Vr、中间层次的孔隙体积Vmes、平均孔径D,别由819.40m²/g增加至1455m/g,0.556cm3/g增加至2.318cm/g.74.645增加至94.61%,2.71nm增加至6.81nm,但微孔容积Vme由25.36%降低至5.39%。由以上分析可知,氯化锌法活性炭制备的较佳温度为600℃,过高的话化温度会导致已经生成的孔塌陷,且氯化锌的挥发量也会增加,不仅造成活就剂的浪费,生成成本提高,还导致严重的环境污染问题。
活化时间的影响
活化时间是指一定的活化温度下的保温时间,是活性炭质量的重要影响素之一。Saygh等[35]采用番茄工业加工剩余物为原料,以氯化锌活化法制备了活性炭,研究表明活化时间由0.5h升到1h,SBET、VT、V、D,分融522m²/g增加至1093m²/g,0.662cm/g增加至1.569cm/g.71%增加至92%,5.02nm 增加至5.92nm,但随着活化时间的延长,由于已生成孔幕幕
活性炭烧结封团、导致活性炭的各种性能开始下降、活化时间选择在1b较好。 Ahoed 等通过氯化锌活化枣核制备了活性炭、结果表明、当活化时间由6h增加至3.5h时,得丰由43%降低至29%,在初的1.25h内降低得快、并在此时达到了大碘吸附值837.54mg/g、且在前1.25h内是有利于中孔增加的、随着活化时间的增加、中孔开始塌陷变为大孔,第四节其他化学活化法
活性炭的应用领域十分广泛、在应用过程中发挥作用的主要是孔结构和表而官能团、所以根据市场的需求有很多科研人员开始关注组合活化法,包括物理化学法、化学 化学法、微波-化学法等。
一、物理-化学活化法
物理化学活化法是结合物理法(CO:、水蒸气法等)与化学法(磷酸、氯化锌、氢氧化钾法等)制备活性炭的一种方法、此类活性炭具有特孔结构和表面官能团。Dolas等?)采用开心果壳与氯化锌前期浸清后,通过后续的高温CO=活化法制备了BET比表面积为3256m²/g、孔容积为1.36cm'/g的活性炭,而采用氯化钠溶液浸清的开心果壳采用高温CO:活化制备了 BET比表面积为3895m/g、孔容积为1.86cm’/g的活性炭。Arami Niya等()采用油棕榈壳为原料,先采用少量氯化锌或磷酸法活化制备具备初期窄微孔的活性炭、然后采用高温CO:活化制备了甲烷吸附用活性炭,此方法可以使得活性炭的孔结构均匀化分布、有利于甲烷的存储。
二、化学-化学活化法
化学-化学法是指结合两种不同的化学活化剂进行活化制备活性炭的方法。 Heidari等()采用赤桉木为原料,先使用磷酸或氯化锌活化制备早期活性炭、然后采用氢氧化钾法进行二次化学活化、制备了具有较高微孔含量(98%)的 CO;存储用活性炭。
三、微波-化学活化法
微波-化学法是指以微波加热的方式来提供化学法(磷酸、氧化锌、氯氧化钾等)活化所需热量来制备活性炭的方法,微波加热相比传统加热方式的优点是可以大幅度缩短活化时间,可以控制在10min左右,Lu等“)以竹子为原料,采用微波加热磷酸活化法制备了比表面积为1432m/g、孔容积为0.696cm'/g的活性炭产品、得率可达47.8%,Hesas等通过微波氧化锌