活性炭的应用及性能

活性炭是一种经过加工的多孔的碳,有许多不同的用途,特别是吸附和化学反应需要的水和气体净化。因为活性炭颗粒的多孔,它们有非常大的表面嵌入到它们表面的孔洞中。这些区域还可以用其它材料填充,以达到其它目的。例如,在水的净化过程中,银被混合到碳孔中,以过滤生活饮用水中的汞和有机砷等污染物。因为碳是通过一系列相对便宜和简单的活化过程从木炭中生产出来的,所以它可以大量用于许多应用。

目录

什么是活性炭

活性炭的制造

活性炭的相关指标

活性炭的应用

什么是活性炭?

颗粒活性炭是一种用途广泛的吸附剂,具有选择性吸附数千种有机和某些有机材料的能力。从古埃及的医用碳粉,到威士忌酒桶的烧焦内部,几个世纪以来,碳一直被活化并用作吸附剂。颗粒状气相活性炭介质首次广泛应用于第一次世界大战的军用防毒面具,并在两次世界大战之间的几年里,用于溶剂回收系统的商业用途。

颗粒状液相活性炭在第一次世界大战之后获得了第一个突出的应用,在糖脱色和纯化抗生素。今天,有数百个应用-如果在环境控制的总标题下的不同用途单独计算,正在进行的应用数量在数以千计。

尽管有这些变化,但生产的活性炭主要有三种类型:

粉末活性炭(PAC)

粉状活性炭一般在5 – 150 Å的粒径范围内,也有一些外围的粒径可供选择。PAC通常用于液相吸附应用,可降低处理成本和操作灵活性

颗粒活性炭(GAC)

颗粒活性炭一般在0.2毫米到5毫米的颗粒大小范围内,可用于气相和液相应用。GACs很受欢迎,因为它们提供清洁的处理,并往往比pac使用时间更长。

此外,它们提供了更好的强度(硬度),并可以再生和重复使用

挤压活性炭(EAC)

挤压活性炭是一种圆柱形颗粒产品,大小从1毫米到5毫米。EACs通常用于气相反应,是一种重型活性炭作为挤压过程的结果

其它类型

其它种类的活性炭包括: 珠活性炭、浸渍碳、聚合物包覆碳、活性炭布、活性炭纤维。

如何制造活性炭

活性炭的生产过程,即活性炭的活化,有两种形式。一种碳质来源,可以以煤、泥炭或任何有机碳质物质的形式存在,这意味着纯碳是通过一种称为热解的加热方法提取的。一旦材料碳化,它需要氧化,或用氧气处理,要么暴露在二氧化碳中或蒸汽,或酸碱化学处理。

碳化

碳化是将富含碳的材料通过加热转化为纯碳的过程。这种加热过程被称为热解,来自一种古老的木炭制造技术。一开始使用的是非常致密的碳质材料,因为最终的结果需要为活性炭目的的超多孔性。富含碳的材料被放置在一个小的炉中,在2000摄氏度的极端温度下处理。剩下的通常是开始重量的20 – 30%,主要由碳和一小部分无机灰组成。这与“焦化”非常相似。“焦化”是一种从木炭(一种碳基燃料)中生产焦炭的方法。

一旦多孔形式的碳产生,它需要进行氧化,以便它可以吸附。这可以通过两种方式之一发生:气体处理或化学处理。

气体处理

碳的活化可以在气体被泵入的同时,通过室内加热来直接完成。这使它暴露在氧气中以达到氧化的目的。当活性碳被氧化时,它很容易被吸附,这是化学物质表面结合的过程——正是这一过程使得活性碳能够很好地过滤液体和气体中的废物和有毒化学物质。对于物理气体处理,碳化热解过程必须在600-900摄氏度的惰性环境中进行。然后,一种含氧气体被泵入环境中,并在900到1200摄氏度之间加热,使氧与碳表面结合。

化学处理

在化学处理中,该工艺与碳的气体活化略有不同。其一,碳化和化学活化同时发生。准备一种酸、碱或其它化学品的浴液,并将材料浸入其中。然后将浴槽加热到450-900摄氏度,远低于气体活化所需的温度。碳质材料碳化,然后活化,所有的速度比气体活化快得多。然而,一些加热过程会导致微量元素吸附到碳上,这可能会导致不纯或无效的活性碳。

后处理活性炭

经过氧化后,活性炭可加工成多种不同的用途,具有几种可分类的不同性质。例如,颗粒活性炭(GAC)是一种砂状产品,比粉末活性炭(PAC)颗粒大,每一种都用于不同的应用。其它种类包括浸渍碳,它包含不同的元素,如银和碘,以及聚合物涂层碳。

活性炭的相关指标

在为特定应用选择活性炭时,应考虑多种特性:

活性水平

活性水平通常用单位重量的总表面积来表示,通常用平方米/克来表示。总的暴露面积一般在600-1200平方米/克。

为了在吸附中有用,表面面积必须存在于足够大的开口以容纳吸附质分子。活性水平是测量的,当考虑到下面部分描述的附加特征时,它是最有意义的。

孔隙结构

虽然进入碳结构的开口可能有各种形状,“孔隙”一词,意味着一个圆柱形的开口。孔隙结构曲线描述了这些孔隙壁之间的微小距离,通常表示为各种“直径”的孔隙所代表的总表面积或总孔隙体积的函数。活性炭内部的孔隙不可能具有精确的平均形状,但总的来说,颗粒状的活性炭通常会表现得好像它的所有表面积都在这种形状的孔隙中。

最小直径的孔隙构成微孔结构,是吸附能最高的部位。微孔隙有助于吸附低分子量、低沸点的有机蒸气,并将水中的微量有机物去除到不可检测的水平。较大的孔洞构成了大孔隙,这有助于吸附非常大的分子和分子聚集体,例如原糖溶液中的“色体”。大孔结构的另一个重要功能是协助流体扩散到碳颗粒内部的吸附位点。

综上,孔隙结构。(1)能有效吸附高挥发性溶剂,控制某些类型的气味,去除水中的痕量有机物; 后者具有边际扩散特性。(2)对各种大小的分子提供了良好的选择性平衡,能够将蒸气和液体污染降低到超低水平,并具有良好的扩散特性。(3)将允许良好的扩散,并可以容纳非常大的分子尺寸,但很少有微孔结构,对大多数有机物有非常差的保持性。

原材料

颗粒活性炭可以由各种碳质原料生产,每一种原料都将赋予成品典型的品质。商业品级通常由椰子和其他坚果壳、烟煤和褐煤、石油焦、锯末、树皮和其他木制品制成。一般来说,果壳和石油焦会产生非常坚硬的碳,其孔隙结构具有以上(1)的特征,相对坚硬的碳具有(2)型结构,而缺乏抗压和耐磨性的碳具有(3)型结构。应该强调的是,特定的生产技术可能会产生与给定原料标准不同的碳。

表观密度

大多数活性炭的固体或骨架密度在2.0-2.1 g/ml之间。然而,这将描述一种基本上没有表面积和吸附能力的材料。

由于颗粒活性炭用于固定体积的吸附剂中,表观密度值可以用来计算体积活度,这有助于确定替代碳负荷的吸附剂的工作能力。

由于标准活性测试是用烘箱干碳进行的,同样,由于活性水平极低而导致的高密度,或由于再活化而产生的灰或非活性炭残渣,或任何非碳掺假,通常都不会有益于使用寿命或吸附剂产生高净化液体的能力。

颗粒大小

由于去除杂质需要吸附质扩散到颗粒内部结构,吸附速率将随着颗粒尺寸的减小而增加。当流体流过吸附剂时,增加的吸附速率将需要更少的吸附剂床深度和吸附质被去除区域的接触时间。这种功能吸附区称为吸附波阵面或~转移区。然而,对于任何给定的流体,颗粒尺寸的减小都会增加流动阻力或压降。在实践中,选择粒度是为了在快速吸附和有效去除的竞争优势与增加流动阻力和随之而来的更高泵送成本之间取得合理的平衡。

硬度

所有颗粒活性炭的硬度和耐磨性一般都是有益的,尽管它们的操作用途可能有很大的差异。在常见的吸附器设计和操作范围内,所有商业颗粒活性炭可以承受其自身的重量和流体流动引起的压力效应。因此,在颗粒活性炭只使用一次或很少使用的系统中,硬度特性可能很少或根本不重要。相反,如果碳需要频繁地进行再生处理,在适当的再生过程中受到热冲击,或者必须抵抗过度的振动,那么硬度就变得相当重要。例如,在使用热再活化的系统中处理软碳的细粉(灰尘)可能会使再活化炉本身的损失增加一倍或三倍。在使用蒸汽循环再生的溶剂回收系统中,容易断裂的碳经常会提高压力降,以至于需要重新筛选、补充或更换吸附剂。

在评价硬度值时,应记住颗粒活性炭硬度测试与用于塑料、金属或矿物的硬度等级没有关系。硬度为98的碳比硬度为80的碳要高得多,但硬度更高的材料,如金刚石、钢和铜,尽管它们的实际硬度不同,但根据颗粒活性炭硬度测试,它们都将报告为100。

灰分

如果部分炭为原料,灰分一般在2- 20%重量不等的商用颗粒活性炭。总灰分的一部分可能是水溶性的,通常更多的是酸溶性的,而其余部分在碳的骨骼结构深处是不溶性的。来自木头和果壳碳的灰烬往往富含碱性金属,而来自煤炭的灰烬主要是铝、硅和铁的氧化物。在有限的情况下,痕量的可溶或活性灰是有害的,可使用用水或酸预洗的颗粒活性炭,或基于某些原材料的等级可以将总灰分或特定灰分成分降至最低。

天然灰通常不会对吸附过程有害,标准活性测试报告包括灰重量在内的颗粒活性炭效率。然而,在某些再生颗粒活性炭中,以前使用的残留物可能会堵塞部分或全部的微孔结构,而微孔结构对于将有机物去除到超低水平至关重要。类似地,如果灰是由于之前的浸渍用于其他用途,或由于任何其他掺假,碳性能可能会严重受损。

pH值

活性炭的水提取物用于报告ph。未经处理的煤基碳通常接近中性,而果壳碳和木材碳更碱性。大多数未经处理的GACs在pH值6-10之间变化,但添加酸或碱可能进一步扩大这一范围。

在净化水和水溶液中,颗粒活性炭的pH值应与溶液的首选pH值进行对比。大多数有机物在pH值为5-7的微酸性溶液中吸附效果最好。然而,GAC的初始pH值不会影响处理后溶液的pH值很长时间(尽管吸附物被去除可能会改变溶液的pH值)。

活性炭的应用

从液体或气体中吸附组分的能力使其在众多行业中有成千上万的应用,以至于事实上,它很可能更容易列出不使用活性炭的应用。活性炭的主要用途如下。请注意,这不是一个详尽的列表,而只是强调。

水净化

活性炭可用于去除水、废水或饮用水中的污染物,这是帮助保护地球上最宝贵资源的宝贵工具。水净化有许多子应用,包括城市污水处理、家庭水过滤器、工业处理场地水处理、地下水修复等。

空气净化

同样,活性炭也可以用于空气的处理。这包括口罩、家庭净化系统、气味减少/去除,以及工业加工场所烟气中有害污染物的去除。

金属回收

活性炭是回收金银等贵重金属的重要工具。

食品和饮料

活性炭被广泛应用于整个食品饮料行业,以实现一些目标。这包括脱咖啡因,去除不需要的成分,如气味、味道或颜色等。

药用

活性炭可以用来治疗各种疾病和中毒。

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