活性炭

活性炭

活性炭(Active charcoal),亦稱活性碳(Active carbon)、活化炭(Activated charcoal; Activated char)或活化碳(Activated carbon),活性炭是黑色粉末狀或顆粒狀的碳物質。活性炭在結構上由於微晶碳是不規則排列,在交叉連線之間有細孔,在活化時會產生碳組織缺陷,因此活性炭是一種多孔碳,堆積密度低,比表面積大,活性炭也是做一個過濾器的主要物料。

基本信息

詞語解釋

【詞語】活性炭

【全拼】:【huóxìngtàn】

【釋義】:吸附能力很強的炭,是把硬木、果殼、骨頭等放在密閉的容器中燒成炭再增加其孔隙後製成的。防毒面具中用來過濾氣體,工業上用來脫色、使溶液純淨,醫藥上用來吸收胃腸中的毒素、細菌或氣體。

套用

活性炭在汽車油氣回收、油漆的溶劑回收和污水等污染控制方面,活性炭的孔隙度和比表面積必須控制在很窄的範圍內 。輪胎的磨損壽命、摩擦性和使用性能與添加的炭黑比表面積相關。

活性炭是一種具有豐富孔隙結構和巨大比表面積的碳質吸附材料,它其有吸附能力強、化學穩定性好、力學強度高,且可方便再生等特點,被廣泛套用於工業、農業、國防、交通、醫藥衛生、環境保護等領域,其需求量隨著社會發展和人民生活水平提高,呈逐年上升的趨勢,尤其是近年來隨著環境保護要求的日益提高,使得國內外活性炭的需求量越來越大,逐年增長。

活性炭活性炭

簡介

活性炭又稱活性炭黑。是黑色粉末狀或顆粒狀的無定形。活性炭主成分除了碳以外還有等元素。活性炭在結構上由於微晶碳是不規則排列,在交叉連線之間有細孔,在活化時會產生碳組織缺陷,因此它是一種多孔碳,堆積密度低,比表面積大。活性炭的成品有粉末炭、造粒炭與破碎炭。

活性炭作為人造材料,是在1900年和1901年才發明的,發明者使RaphaelvonOstrejko,取得英國專利B.P.14224(1900);英國專利B.P.18040(1900)德國專利Ger.P.136792(1901)。

結構

活性炭具有微晶結構。基本微晶的排列是完全不規則的。微晶高度為0.9~1.2nm;寬度(如果是圓形橫截面則為直徑)約2.0~2.3nm。其大小往往因高溫處理而顯著增大。通常,活性炭由活化過程中產生微孔、過渡孔或大孔。根據國際純粹與套用化學聯合會(IUPAC1972)的規定,微孔的有效半徑低於2nm;過渡孔的有效半徑在2~50nm範圍內;大孔的有效半徑大於50nm。

套用歷史

在20世紀初活性炭作為專利被發明之前,歷史上有文獻記載與許多提法的更多的是關於木炭套用的歷史。

公元前3750年,已知最早使用木炭的是埃及人蘇美爾人。公元前1550年,古埃及有木炭作為醫用的記載。希臘醫生希波克拉底(公元前460-359)和普林尼用木炭治療羊癲瘋和炭疽。公元前450年的腓尼基商船,飲用水被儲存在燒焦的木製桶里,是歷史上一直到18世紀海上飲用水的儲存方法。同一時期,印度教宗教檔案中還提到利用沙子和木炭過濾和淨化飲用水。

157年,克勞迪烏斯醫療論文中提到了蔬菜和動物來源製備的木碳,用於治療多種疾病。中國明代李時珍(公元1518-1593年)所編著的本草綱目中提及木炭用於治療疾病。1773年,舍勒通過大量實驗發現木炭的吸附能力並且可以吸附各種氣體。1777年,報導了木炭熱效應與吸附氣體的能力,導致後來的“冷凝吸附理論”的提出。

顆粒狀活性炭顆粒狀活性炭

1785年,舍勒研究了木炭吸附氣體,其吸附能力從蒸氣到一系列的有機化學物質以及各種水溶液中使用木炭脫色,特別是生產酒石酸的商業套用。在這個時候,製糖行業一直在尋找一種有效的糖漿脫色的方法。但是,木材木炭在這個時候並沒有特別有效的發揮這一作用,大概是因為孔隙度開發的程度尚未達到糖漿脫色所用木炭的程度的要求。

1805年至1808年,Delessert在甜菜釀酒中成功的使用木炭脫色。1815年,大部分製糖行業已轉用顆粒狀骨炭作為脫色劑。

1822年,Bussy表明,影響活性炭脫色性能的除了固有的原始材料,還取決於熱加工和顆粒大小的成品。他表明,炭化過高溫度或過長,降低了吸附性能和孔隙度,雖然他沒有辦法衡量這一因素。這是第一次記錄活性炭生產的熱和化學過程。

1841年,斯加登在加熱再生的骨碳之前系統化的使用鹽酸酸洗。這有效地消除了礦物鹽吸附的碳。他還介紹了在德國的第一個連續立窯生產以及再生骨碳的過程。

1854年,豪斯介紹了成功套用於倫敦下水道系統過濾器中去除蒸氣和氣體中的雜質的碳。1862年,Lipscombe製備出了使用碳淨化的飲用水。1865年,獵人發現了使用椰子殼為原料的炭具有很好的氣體吸附性能。1881年,凱澤爾首次使用"吸附"這個詞來形容吸收氣體的碳。

1901年,RaphaelvonOstrejko發明以金屬氯化物炭化植物源原料或用二氧化碳水蒸氣與炭化材料反應製造活性炭,並先後取得英國和德國專利。1911年,奧地利的一家工廠生產出活性炭,商標名稱為Eponit。1914年至1918年,第一次世界大戰有毒氣體進入戰場,顆粒活性炭作為吸附劑得到規模化大量生產用於軍事用途的防毒面具。

1918後18年,戰時發展大規模嚴密控制生產活性炭導致戰後活性炭商業化生產及套用。在歐洲製造活性炭的新原料取得了很大進展。椰子,杏仁殼氯化鋅,生產出的活性炭具有較高的機械性和吸附氣體和蒸氣的能力。1935-1940年,在捷克斯洛伐克通過木屑氯化鋅活化生產活性炭,用於回收揮發性溶劑和清除苯煤氣。

發展前景

活性炭作為一種吸附能力很強的功能性碳材料,目前主要套用於食品飲料、醫藥、水處理、化工等領域。從國內外活性炭套用結構來看,活性炭在國內外的套用結構大體一致,其中水處理和食品飲料是活性炭的兩大主要套用領域。《中國活性炭行業市場研究與投資預測分析報告前瞻》數據顯示,2012年,我國活性炭需求量約為25.68萬噸,其中水處理領域需求占比最大,達到了32.52%,其次是食品飲料領域,需求占比約為28.16%。

在行業的成長期階段,活性炭下游領域對活性炭產品的需求將逐年增加。根據前瞻產業研究院保守的測算,預計到2017年,國內活性炭總需求量將達到45萬噸,年均增速保持在10%以上。

吸附原理

1、依靠自身獨特的孔隙結構

活性炭是一種主要由含碳材料製成的外觀呈黑色,內部孔隙結構發達、比表面積大、吸附能力強的一類微晶質碳素材料。活性炭材料中有大量肉眼看不見的微孔,1克活性炭材料中微孔,將其展開後表面積可高達800-1500平方米,特殊用途的更高。也就是說,在一個米粒大小的活性炭顆粒中,微孔的內表面積可能相當於一個客廳面積的大小。正是這些高度發達,如人體毛細血管般的孔隙結構,使活性炭擁有了優良的吸附性能。

2、分子之間相互吸附的作用力

也叫“凡德瓦引力”。 雖然分子運動速度受溫度和材質等原因的影響,但它在微環境下始終是不停運動的。由於分子之間擁有相互吸引的作用力,當一個分子被活性炭內孔捕捉進入到活性炭內孔隙中後,由於分子之間相互吸引的原因,會導致更多的分子不斷被吸引,直到添滿活性炭內孔隙為止。

分類

由於原料來源、製造方法、外觀形狀和套用場合不同,活性炭的種類很多,到目前為止尚無精確的統計材料,大約有上千個品種。

按原料來源分

活性炭果殼活性炭

木質活性炭

椰殼活性炭

煤質活性炭

果殼活性炭

獸骨、血炭

礦物質原料活性炭

其它原料的活性炭

再生活性炭

按製造方法分

化學法活性炭(化學炭)

物理法活性炭

化學--物理法或物理--化學法活性炭

按外觀形狀分

粉狀活性炭

顆粒活性炭

不定型顆料活性炭

園柱形活性炭

球形活性炭

其它形狀的活性炭

按活化方法分:

化學法活性炭(化學炭)

將含碳原料與某些化學藥品混合後進行熱處理,製取活性炭的方法叫化學法。用化學法生產的活性炭又稱為化學法活性炭或化學炭。可以作為化學法的化學藥品又稱作活化劑,活化劑有氯化鋅、氯化鈣、碳酸鉀、磷酸、磷酸二氫鉀、硫化鉀、硫酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉、硼酸等,總之許多酸、鹼、鹽都可以用作活化劑,主要從活性炭的性能和經濟性來考慮採用何種活化劑。一般說來,化學炭的孔隙中次微孔、中孔(即孔直徑或孔寬大於1.5納米的孔隙)較發達,主要用於液相吸附精製和溶劑回收的氣相(蒸汽)吸附場合。化學法製造活性炭由於加入了化學藥品在製造過程中應當極其重視環境保護以及產品中可能存在微量非原料帶入的元素的影響問題。

物理法活性炭

以炭為原料用水蒸汽、二氧化碳、空氣(主要是氧)或它們的混合物(煙道氣)為活化介質,在高溫下(600~1000℃)進行活化製取活性炭的方法叫物理法。物理法製造的活性炭叫物理法活性炭,也稱作物理炭。

一般說來物理炭的微孔(孔直徑或孔寬小於1.5納米的孔隙)發達,主要用於氣相吸附場合或小分子液相吸附場合。不同的原料生產的活性炭具有不同的孔徑,其中以椰殼為原料的活性炭的孔徑最小,木質活性炭的也孔徑一般較大,煤質活性炭的孔徑介於兩者間。活性炭孔徑一般分為三類:大孔:1000-1000000A過渡孔:20-1000A微孔:20A根據以上特性可以看出,針對不同的吸附對象,需選用相應的活性炭,以做到最好的性價比,因此,一般在液相吸附中,應選用較多過渡孔徑及平均孔徑較大的活性炭。

按外觀形狀分:一般為粉狀活性炭、顆粒活性炭、不定型顆料活性炭、圓柱形活性炭、球形活性炭、其它形狀的活性炭。

按材質分:

主要有煤質活性炭、木質活性炭、果殼活性炭。

——以煤為原料製造的活性炭通常採用水蒸氣或二氧化碳氣體活化,產品的形狀以顆粒狀為主,其孔徑分布以微孔居多,更適合於液相吸附和氣相中分子量和分子直徑較小的物質。其優點是生產成本相對較低;

——以木屑為原料製造的活性炭通常採取化學法活化,產品的形狀以粉狀為主,其孔徑分布可通過調節化學活化劑的配比來進行控制,比較靈活,既可以製造出孔徑分布以微孔居多的產品也可製造出孔徑分布中孔(過渡孔)占較大比例的產品,比較適合於吸附液相中分子量和分子直徑較大的物質;

——以果殼類為原料製造的活性炭通常採取水蒸氣和二氧化碳氣體活化,產品的形狀以顆粒狀為主,由於其特殊材質的因素,其孔徑分布介於上述兩類活性炭之間,吸附性能優良,因此其套用範圍更為廣泛。

按用途分:

糖用活性炭、針劑活性炭、味素活性炭、淨水活性炭、空氣淨化活性炭等,近年來,活性炭在居家環境使用中越來越廣泛,也有家用活性炭一說。

性能

活性炭最主要的性能是吸附性,它與活性炭的孔隙結構有關。微孔的比表面積比容積均很大。因此,微孔在很大程度上決定著活性炭的吸附能力。在固體活性炭的表面,主要發生兩種方式的吸附,即物理吸附化學吸附。化學吸附是單分子層吸附,可以除去廢水和廢氣中的極性污染物以及一些金屬離子。物理吸附能夠形成多分子層吸附,能有效地吸附廢水和廢氣中的有機污染物。當某一吸附質與吸附劑的表面接觸時,究竟是發生物理吸附還是發生化學吸附,取決於吸附劑的表面活性、吸附質的性質、溫度和其他因素。

活化方法

主要活化方法:

1、木炭、果殼炭、煤等原料經造粒後,在1000℃下用水蒸氣、二氧化碳、進行活化的氣體活化法。

2、乾燥後的原料用氯化鋅溶液浸漬,混合,在500~700℃下加熱,進行碳化或活化,稱為藥劑活化法。

活性炭是疏水性的吸附劑,具有對非極性物質有選擇性吸附的特性,還具有由碳表面的官能團產生的催化作用和碳本身作為反應物質的性質。關於它的反應機理現在還有許多不清楚的地方。

活性炭的吸附性減弱後,可以再生。把活性炭置於容器里,通入一定壓強的水蒸氣,然後在一定量氧氣存在下,加熱到400℃,以除掉表面上的吸附物質。

主要用途

(圖)活性炭活性炭

活性炭的用途很多。廣泛套用於幾乎所有的國民經濟部門和人們的日常生活。粉末炭可用於液相脫色,脫臭精製,上下水淨化。粒狀炭套用於氣相吸附,溶劑回收,空氣淨化,香菸濾嘴,此外還可用於氯乙烯、醋酸乙烯合成催化劑,貴金屬催化劑的載體。

1、空氣淨化

2、污水處理場排氣吸附

3、飲料水處理

4、電廠水預處理

5、廢水回收前處理

6、生物法污水處理

7、有毒廢水處理

8、石化無鹼脫硫醇

9、溶劑回收

10、化工催化劑載體

11、濾毒罐

12、黃金提取

13、化工品儲存排氣淨化

14、製糖、酒類、味素醫藥、食品精製、脫色

15、乙烯脫鹽水填料

16、汽車尾氣淨化

17、PTA氧化裝置淨化氣體

18、人類解毒劑(醫學用)

碳和炭的區別

活性炭寫成活性碳是誤寫,活性炭的製法和一般木炭的製法出在原料的選擇有區別外,在乾餾的溫度,後期製作也有講究,如用高壓水蒸汽處理,使出除去堵在孔隙上的焦油等,所以活性炭的比表面更大,吸附力更大,且有一定的強度。

而碳指的是一種原子,原子的活性指的是他與別的物質發生反應的難易度;活性炭指的是具有吸附性的木炭,而不是碳原子。"碳"與"炭"這兩個詞,在有關食品和藥品的文章中經常出現,如碳水化合物,活性炭等."碳"與"炭"有時混用,意思表達不清,有時導致誤解."碳"是化學元素C的中文名稱,左邊偏旁"石"字表明碳是一種非金屬元素,碳代表原子序數為6的一類原子.由碳元素組成的單質有非晶態碳,石墨,金剛石等同素異形體而由碳元素組成的化合物則為數極多,最簡單的如一氧化碳,二氧化碳等無機化合物,而有機化合物則都含碳元素.所以,"碳"是一個與化學的"元素"密切相關的概念,是20世紀初西方近代化學傳入我國創造出來並流行的。

"炭"是概括的工業性名詞,我國用炭這個字已有兩千多年的歷史,如木炭,煤炭和焦炭等.炭是化學成分不純,隨著原料及製備工藝和條件不同而形成的無恆定組成及性質的含碳物質.木炭隨所用木料及燒制工藝和條件的不同,其化學組成和性質也不同.煤炭有不同種類,其成分及性質也有所不同.焦炭由於配煤及工藝的不同,所含雜質和性質也經常變化.與化學元素有關的名詞均用"碳".例如:碳水化合物,碳酸ffF酶,碳源,碳酸鹽,碳化,滲碳,脫碳,碳素鋼,碳鏈,碳環,碳化物,二十碳酸,二十碳五烯酸等."炭"則都是物質的名稱,而所指的物質是混合物.除上述木炭等外,還可舉出骨炭,血炭,動物炭,木質炭,活性炭,炭黑,炭磚,炭精電極,炭精棒等。

活性炭選購和使用常識

在選購活性炭類產品時,應注意產品包裝完好,最好選購真空包裝的產品。活性炭類產品在使用一段時間後,需在戶外空氣良好時進行晾曬,使其中吸附的有害氣體釋放出去,之後再放入車中繼續使用。同時,要注意產品保質期,過期產品必須要拋棄。

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