活性炭的應(yīng)用和性能

活性炭是一種經(jīng)過加工的多孔的碳，有許多不同的用途，特別是吸附和化學(xué)反應(yīng)需要的水和氣體凈化。因?yàn)榛钚蕴款w粒的多孔，它們有非常大的表面嵌入到它們表面的孔洞中。這些區(qū)域還可以用其它材料填充，以達(dá)到其它目的。例如，在水的凈化過程中，銀被混合到碳孔中，以過濾生活飲用水中的汞和有機(jī)砷等污染物。因?yàn)樘际峭ㄟ^一系列相對便宜和簡單的活化過程從木炭中生產(chǎn)出來的，所以它可以大量用于許多應(yīng)用。

顆粒活性炭是一種用途廣泛的吸附劑，具有選擇性吸附數(shù)千種有機(jī)和某些有機(jī)材料的能力。從古埃及的醫(yī)用碳粉，到威士忌酒桶的燒焦內(nèi)部，幾個(gè)世紀(jì)以來，碳一直被活化并用作吸附劑。顆粒狀氣相活性炭介質(zhì)首次廣泛應(yīng)用于第一次世界大戰(zhàn)的軍用防毒面具，并在兩次世界大戰(zhàn)之間的幾年里，用于溶劑回收系統(tǒng)的商業(yè)用途。

顆粒狀液相活性炭在第一次世界大戰(zhàn)之后獲得了第一個(gè)突出的應(yīng)用，在糖脫色和純化抗生素。今天，有數(shù)百個(gè)應(yīng)用-如果在環(huán)境控制的總標(biāo)題下的不同用途單獨(dú)計(jì)算，正在進(jìn)行的應(yīng)用數(shù)量在數(shù)以千計(jì)。

盡管有這些變化，但生產(chǎn)的活性炭主要有三種類型:

粉末活性炭(PAC)

粉狀活性炭一般在5 - 150 ?的粒徑范圍內(nèi)，也有一些外圍的粒徑可供選擇。PAC通常用于液相吸附應(yīng)用，可降低處理成本和操作靈活性

顆粒活性炭(GAC)

顆粒活性炭一般在0.2毫米到5毫米的顆粒大小范圍內(nèi)，可用于氣相和液相應(yīng)用。GACs很受歡迎，因?yàn)樗鼈兲峁┣鍧嵉奶幚恚⑼?/span>pac使用時(shí)間更長。

此外，它們提供了更好的強(qiáng)度(硬度)，并可以再生和重復(fù)使用

擠壓活性炭(EAC)

擠壓活性炭是一種圓柱形顆粒產(chǎn)品，大小從1毫米到5毫米。EACs通常用于氣相反應(yīng)，是一種重型活性炭作為擠壓過程的結(jié)果

其它類型

其它種類的活性炭包括: 珠活性炭、浸漬碳、聚合物包覆碳、活性炭布、活性炭纖維。

如何制造活性炭

活性炭的生產(chǎn)過程，即活性炭的活化，有兩種形式。一種碳質(zhì)來源，可以以煤、泥炭或任何有機(jī)碳質(zhì)物質(zhì)的形式存在，這意味著純碳是通過一種稱為熱解的加熱方法提取的。一旦材料碳化，它需要氧化，或用氧氣處理，要么暴露在二氧化碳中或蒸汽，或酸堿化學(xué)處理。

碳化

碳化是將富含碳的材料通過加熱轉(zhuǎn)化為純碳的過程。這種加熱過程被稱為熱解，來自一種古老的木炭制造技術(shù)。一開始使用的是非常致密的碳質(zhì)材料，因?yàn)樽罱K的結(jié)果需要為活性炭目的的超多孔性。富含碳的材料被放置在一個(gè)小的爐中，在2000攝氏度的極端溫度下處理。剩下的通常是開始重量的20 - 30%，主要由碳和一小部分無機(jī)灰組成。這與“焦化”非常相似。“焦化”是一種從木炭(一種碳基燃料)中生產(chǎn)焦炭的方法。

一旦多孔形式的碳產(chǎn)生，它需要進(jìn)行氧化，以便它可以吸附。這可以通過兩種方式之一發(fā)生:氣體處理或化學(xué)處理。

氣體處理

碳的活化可以在氣體被泵入的同時(shí)，通過室內(nèi)加熱來直接完成。這使它暴露在氧氣中以達(dá)到氧化的目的。當(dāng)活性碳被氧化時(shí)，它很容易被吸附，這是化學(xué)物質(zhì)表面結(jié)合的過程——正是這一過程使得活性碳能夠很好地過濾液體和氣體中的廢物和有毒化學(xué)物質(zhì)。對于物理氣體處理，碳化熱解過程必須在600-900攝氏度的惰性環(huán)境中進(jìn)行。然后，一種含氧氣體被泵入環(huán)境中，并在900到1200攝氏度之間加熱，使氧與碳表面結(jié)合。

化學(xué)處理

在化學(xué)處理中，該工藝與碳的氣體活化略有不同。其一，碳化和化學(xué)活化同時(shí)發(fā)生。準(zhǔn)備一種酸、堿或其它化學(xué)品的浴液，并將材料浸入其中。然后將浴槽加熱到450-900攝氏度，遠(yuǎn)低于氣體活化所需的溫度。碳質(zhì)材料碳化，然后活化，所有的速度比氣體活化快得多。然而，一些加熱過程會導(dǎo)致微量元素吸附到碳上，這可能會導(dǎo)致不純或無效的活性碳。

后處理活性炭

經(jīng)過氧化后，活性炭可加工成多種不同的用途，具有幾種可分類的不同性質(zhì)。例如，顆粒活性炭(GAC)是一種砂狀產(chǎn)品，比粉末活性炭(PAC)顆粒大，每一種都用于不同的應(yīng)用。其它種類包括浸漬碳，它包含不同的元素，如銀和碘，以及聚合物涂層碳。

活性炭的相關(guān)指標(biāo)

在為特定應(yīng)用選擇活性炭時(shí)，應(yīng)考慮多種特性:

活性水平

活性水平通常用單位重量的總表面積來表示，通常用平方米/克來表示。總的暴露面積一般在600-1200平方米/克。

為了在吸附中有用，表面面積必須存在于足夠大的開口以容納吸附質(zhì)分子。活性水平是測量的，當(dāng)考慮到下面部分描述的附加特征時(shí)，它是最有意義的。

孔隙結(jié)構(gòu)

雖然進(jìn)入碳結(jié)構(gòu)的開口可能有各種形狀，“孔隙”一詞，意味著一個(gè)圓柱形的開口。孔隙結(jié)構(gòu)曲線描述了這些孔隙壁之間的微小距離，通常表示為各種“直徑”的孔隙所代表的總表面積或總孔隙體積的函數(shù)。活性炭內(nèi)部的孔隙不可能具有精確的平均形狀，但總的來說，顆粒狀的活性炭通常會表現(xiàn)得好像它的所有表面積都在這種形狀的孔隙中。

最小直徑的孔隙構(gòu)成微孔結(jié)構(gòu)，是吸附能最高的部位。微孔隙有助于吸附低分子量、低沸點(diǎn)的有機(jī)蒸氣，并將水中的微量有機(jī)物去除到不可檢測的水平。較大的孔洞構(gòu)成了大孔隙，這有助于吸附非常大的分子和分子聚集體，例如原糖溶液中的“色體”。大孔結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重要功能是協(xié)助流體擴(kuò)散到碳顆粒內(nèi)部的吸附位點(diǎn)。

綜上，孔隙結(jié)構(gòu)。(1)能有效吸附高揮發(fā)性溶劑，控制某些類型的氣味，去除水中的痕量有機(jī)物; 后者具有邊際擴(kuò)散特性。(2)對各種大小的分子提供了良好的選擇性平衡，能夠?qū)⒄魵夂鸵后w污染降低到超低水平，并具有良好的擴(kuò)散特性。(3)將允許良好的擴(kuò)散，并可以容納非常大的分子尺寸，但很少有微孔結(jié)構(gòu)，對大多數(shù)有機(jī)物有非常差的保持性。

原材料

顆粒活性炭可以由各種碳質(zhì)原料生產(chǎn)，每一種原料都將賦予成品典型的品質(zhì)。商業(yè)品級通常由椰子和其他堅(jiān)果殼、煙煤和褐煤、石油焦、鋸末、樹皮和其他木制品制成。一般來說，果殼和石油焦會產(chǎn)生非常堅(jiān)硬的碳，其孔隙結(jié)構(gòu)具有以上(1)的特征，相對堅(jiān)硬的碳具有(2)型結(jié)構(gòu)，而缺乏抗壓和耐磨性的碳具有(3)型結(jié)構(gòu)。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，特定的生產(chǎn)技術(shù)可能會產(chǎn)生與給定原料標(biāo)準(zhǔn)不同的碳。

表觀密度

大多數(shù)活性炭的固體或骨架密度在2.0-2.1 g/ml之間。然而，這將描述一種基本上沒有表面積和吸附能力的材料。

由于顆粒活性炭用于固定體積的吸附劑中，表觀密度值可以用來計(jì)算體積活度，這有助于確定替代碳負(fù)荷的吸附劑的工作能力。

由于標(biāo)準(zhǔn)活性測試是用烘箱干碳進(jìn)行的，同樣，由于活性水平極低而導(dǎo)致的高密度，或由于再活化而產(chǎn)生的灰或非活性炭殘?jiān)蛉魏畏翘紦郊伲ǔ６疾粫幸嬗谑褂脡勖蛭絼┊a(chǎn)生高凈化液體的能力。

顆粒大小

由于去除雜質(zhì)需要吸附質(zhì)擴(kuò)散到顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)，吸附速率將隨著顆粒尺寸的減小而增加。當(dāng)流體流過吸附劑時(shí)，增加的吸附速率將需要更少的吸附劑床深度和吸附質(zhì)被去除區(qū)域的接觸時(shí)間。這種功能吸附區(qū)稱為吸附波陣面或~轉(zhuǎn)移區(qū)。然而，對于任何給定的流體，顆粒尺寸的減小都會增加流動(dòng)阻力或壓降。在實(shí)踐中，選擇粒度是為了在快速吸附和有效去除的競爭優(yōu)勢與增加流動(dòng)阻力和隨之而來的更高泵送成本之間取得合理的平衡。

硬度

所有顆粒活性炭的硬度和耐磨性一般都是有益的，盡管它們的操作用途可能有很大的差異。在常見的吸附器設(shè)計(jì)和操作范圍內(nèi)，所有商業(yè)顆粒活性炭可以承受其自身的重量和流體流動(dòng)引起的壓力效應(yīng)。因此，在顆粒活性炭只使用一次或很少使用的系統(tǒng)中，硬度特性可能很少或根本不重要。相反，如果碳需要頻繁地進(jìn)行再生處理，在適當(dāng)?shù)脑偕^程中受到熱沖擊，或者必須抵抗過度的振動(dòng)，那么硬度就變得相當(dāng)重要。例如，在使用熱再活化的系統(tǒng)中處理軟碳的細(xì)粉(灰塵)可能會使再活化爐本身的損失增加一倍或三倍。在使用蒸汽循環(huán)再生的溶劑回收系統(tǒng)中，容易斷裂的碳經(jīng)常會提高壓力降，以至于需要重新篩選、補(bǔ)充或更換吸附劑。

在評價(jià)硬度值時(shí)，應(yīng)記住顆粒活性炭硬度測試與用于塑料、金屬或礦物的硬度等級沒有關(guān)系。硬度為98的碳比硬度為80的碳要高得多，但硬度更高的材料，如金剛石、鋼和銅，盡管它們的實(shí)際硬度不同，但根據(jù)顆粒活性炭硬度測試，它們都將報(bào)告為100。

灰分

如果部分炭為原料，灰分一般在2- 20%重量不等的商用顆粒活性炭。總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結(jié)構(gòu)深處是不溶性的。來自木頭和果殼碳的灰燼往往富含堿性金屬，而來自煤炭的灰燼主要是鋁、硅和鐵的氧化物。在有限的情況下，痕量的可溶或活性灰是有害的，可使用用水或酸預(yù)洗的顆粒活性炭，或基于某些原材料的等級可以將總灰分或特定灰分成分降至最低。

天然灰通常不會對吸附過程有害，標(biāo)準(zhǔn)活性測試報(bào)告包括灰重量在內(nèi)的顆粒活性炭效率。然而，在某些再生顆粒活性炭中，以前使用的殘留物可能會堵塞部分或全部的微孔結(jié)構(gòu)，而微孔結(jié)構(gòu)對于將有機(jī)物去除到超低水平至關(guān)重要。類似地，如果灰是由于之前的浸漬用于其他用途，或由于任何其他摻假，碳性能可能會嚴(yán)重受損。

pH值

活性炭的水提取物用于報(bào)告ph。未經(jīng)處理的煤基碳通常接近中性，而果殼碳和木材碳更堿性。大多數(shù)未經(jīng)處理的GACs在pH值6-10之間變化，但添加酸或堿可能進(jìn)一步擴(kuò)大這一范圍。

在凈化水和水溶液中，顆粒活性炭的pH值應(yīng)與溶液的首選pH值進(jìn)行對比。大多數(shù)有機(jī)物在pH值為5-7的微酸性溶液中吸附效果最好。然而，GAC的初始pH值不會影響處理后溶液的pH值很長時(shí)間(盡管吸附物被去除可能會改變?nèi)芤旱?/span>pH值)。

活性炭的應(yīng)用

從液體或氣體中吸附組分的能力使其在眾多行業(yè)中有成千上萬的應(yīng)用，以至于事實(shí)上，它很可能更容易列出不使用活性炭的應(yīng)用。活性炭的主要用途如下。請注意，這不是一個(gè)詳盡的列表，而只是強(qiáng)調(diào)。

水凈化

活性炭可用于去除水、廢水或飲用水中的污染物，這是幫助保護(hù)地球上最寶貴資源的寶貴工具。水凈化有許多子應(yīng)用，包括城市污水處理、家庭水過濾器、工業(yè)處理場地水處理、地下水修復(fù)等。

空氣凈化

同樣，活性炭也可以用于空氣的處理。這包括口罩、家庭凈化系統(tǒng)、氣味減少/去除，以及工業(yè)加工場所煙氣中有害污染物的去除。

金屬回收

活性炭是回收金銀等貴重金屬的重要工具。

食品和飲料

活性炭被廣泛應(yīng)用于整個(gè)食品飲料行業(yè)，以實(shí)現(xiàn)一些目標(biāo)。這包括脫咖啡因，去除不需要的成分，如氣味、味道或顏色等。