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活性炭的用途有哪些(活性炭主要起什么作用)

李同林 2022-05-11 18:03 542
文章來源：李同林

活性炭是一種經過加工的多孔的碳，有許多不同的用途，特別是吸附和化學反應需要的水和氣體凈化。因為活性炭顆粒的多孔，它們有非常大的表面嵌入到它們表面的孔洞中。這些區域還可以用其它材料填充，以達到其它目的。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砷等污染物。因為碳是通過一系列相對便宜和簡單的活化過程從木炭中生產出來的，所以它可以大量用于許多應用。

什么是活性炭?

顆?；钚蕴渴且环N用途廣泛的吸附劑，具有選擇性吸附數千種有機和某些有機材料的能力。從古埃及的醫用碳粉，到威士忌酒桶的燒焦內部，幾個世紀以來，碳一直被活化并用作吸附劑。顆粒狀氣相活性炭介質首次廣泛應用于第一次世界大戰的軍用防毒面具，并在兩次世界大戰之間的幾年里，用于溶劑回收系統的商業用途。

顆粒狀液相活性炭在第一次世界大戰之后獲得了第一個突出的應用，在糖脫色和純化抗生素。今天，有數百個應用-如果在環境控制的總標題下的不同用途單獨計算，正在進行的應用數量在數以千計。

盡管有這些變化，但生產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，也有一些外圍的粒徑可供選擇。PAC通常用于液相吸附應用，可降低處理成本和操作靈活性

顆?；钚蕴?GAC)

顆?；钚蕴恳话阍?.2毫米到5毫米的顆粒大小范圍內，可用于氣相和液相應用。GACs很受歡迎，因為它們提供清潔的處理，并往往比pac使用時間更長。

此外，它們提供了更好的強度(硬度)，并可以再生和重復使用

擠壓活性炭(EAC)

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

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

活性炭的生產過程，即活性炭的活化，有兩種形式。一種碳質來源，可以以煤、泥炭或任何有機碳質物質的形式存在，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，或酸堿化學處理。

碳化

碳化是將富含碳的材料通過加熱轉化為純碳的過程。這種加熱過程被稱為熱解，來自一種古老的木炭制造技術。一開始使用的是非常致密的碳質材料，因為最終的結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灰組成。這與“焦化”非常相似?！敖够笔且环N從木炭(一種碳基燃料)中生產焦炭的方法。

一旦多孔形式的碳產生，它需要進行氧化，以便它可以吸附。這可以通過兩種方式之一發生:氣體處理或化學處理。

氣體處理

碳的活化可以在氣體被泵入的同時，通過室內加熱來直接完成。這使它暴露在氧氣中以達到氧化的目的。當活性碳被氧化時，它很容易被吸附，這是化學物質表面結合的過程——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物質。對于物理氣體處理，碳化熱解過程必須在600-900攝氏度的惰性環境中進行。然后，一種含氧氣體被泵入環境中，并在900到1200攝氏度之間加熱，使氧與碳表面結合。

化學處理

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

后處理活性炭

經過氧化后，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。例如，顆?；钚蕴?GAC)是一種砂狀產品，比粉末活性炭(PAC)顆粒大，每一種都用于不同的應用。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。

活性炭的相關指標

在為特定應用選擇活性炭時，應考慮多種特性:

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?？偟谋┞睹娣e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分子?；钚运绞菧y量的，當考慮到下面部分描述的附加特征時，它是最有意義的。

孔隙結構

雖然進入碳結構的開口可能有各種形狀，“孔隙”一詞，意味著一個圓柱形的開口?？紫督Y構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?；钚蕴績炔康目紫恫豢赡芫哂芯_的平均形狀，但總的來說，顆粒狀的活性炭通常會表現得好像它的所有表面積都在這種形狀的孔隙中。

最小直徑的孔隙構成微孔結構，是吸附能最高的部位。微孔隙有助于吸附低分子量、低沸點的有機蒸氣，并將水中的微量有機物去除到不可檢測的水平。較大的孔洞構成了大孔隙，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”。大孔結構的另一個重要功能是協助流體擴散到碳顆粒內部的吸附位點。

綜上，孔隙結構。(1)能有效吸附高揮發性溶劑，控制某些類型的氣味，去除水中的痕量有機物; 后者具有邊際擴散特性。(2)對各種大小的分子提供了良好的選擇性平衡，能夠將蒸氣和液體污染降低到超低水平，并具有良好的擴散特性。(3)將允許良好的擴散，并可以容納非常大的分子尺寸，但很少有微孔結構，對大多數有機物有非常差的保持性。

原材料

顆粒活性炭可以由各種碳質原料生產，每一種原料都將賦予成品典型的品質。商業品級通常由椰子和其他堅果殼、煙煤和褐煤、石油焦、鋸末、樹皮和其他木制品制成。一般來說，果殼和石油焦會產生非常堅硬的碳，其孔隙結構具有以上(1)的特征，相對堅硬的碳具有(2)型結構，而缺乏抗壓和耐磨性的碳具有(3)型結構。應該強調的是，特定的生產技術可能會產生與給定原料標準不同的碳。

表觀密度

大多數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算體積活度，這有助于確定替代碳負荷的吸附劑的工作能力。

由于標準活性測試是用烘箱干碳進行的，同樣，由于活性水平極低而導致的高密度，或由于再活化而產生的灰或非活性炭殘渣，或任何非碳摻假，通常都不會有益于使用壽命或吸附劑產生高凈化液體的能力。

顆粒大小

由于去除雜質需要吸附質擴散到顆粒內部結構，吸附速率將隨著顆粒尺寸的減小而增加。當流體流過吸附劑時，增加的吸附速率將需要更少的吸附劑床深度和吸附質被去除區域的接觸時間。這種功能吸附區稱為吸附波陣面或~轉移區。然而，對于任何給定的流體，顆粒尺寸的減小都會增加流動阻力或壓降。在實踐中，選擇粒度是為了在快速吸附和有效去除的競爭優勢與增加流動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?；钚蕴康挠捕群湍湍バ砸话愣际怯幸娴?，盡管它們的操作用途可能有很大的差異。在常見的吸附器設計和操作范圍內，所有商業顆粒活性炭可以承受其自身的重量和流體流動引起的壓力效應。因此，在顆?；钚蕴恐皇褂靡淮位蚝苌偈褂玫南到y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行再生處理，在適當的再生過程中受到熱沖擊，或者必須抵抗過度的振動，那么硬度就變得相當重要。例如，在使用熱再活化的系統中處理軟碳的細粉(灰塵)可能會使再活化爐本身的損失增加一倍或三倍。在使用蒸汽循環再生的溶劑回收系統中，容易斷裂的碳經常會提高壓力降，以至于需要重新篩選、補充或更換吸附劑。

在評價硬度值時，應記住顆?；钚蕴坑捕葴y試與用于塑料、金屬或礦物的硬度等級沒有關系。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，盡管它們的實際硬度不同，但根據顆?；钚蕴坑捕葴y試，它們都將報告為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?；钚蕴俊？偦曳值囊徊糠挚赡苁撬苄缘模ǔ８嗟氖撬崛苄缘模溆嗖糠衷谔嫉墓趋澜Y構深處是不溶性的。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，可使用用水或酸預洗的顆?；钚蕴浚蚧谀承┰牧系牡燃壙梢詫⒖偦曳只蛱囟ɑ曳殖煞纸抵磷畹汀?/p>

天然灰通常不會對吸附過程有害，標準活性測試報告包括灰重量在內的顆?；钚蕴啃省Ｈ欢谀承┰偕w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構，而微孔結構對于將有機物去除到超低水平至關重要。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，碳性能可能會嚴重受損。

pH值

活性炭的水提取物用于報告ph。未經處理的煤基碳通常接近中性，而果殼碳和木材碳更堿性。大多數未經處理的GACs在pH值6-10之間變化，但添加酸或堿可能進一步擴大這一范圍。

在凈化水和水溶液中，顆?；钚蕴康膒H值應與溶液的首選pH值進行對比。大多數有機物在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值很長時間(盡管吸附物被去除可能會改變溶液的pH值)。