煤基活性炭的定向制备与再生研究

煤基活性炭的定向制备与再生研究

煤基活性炭的定向制备与再生研究

摘要：对煤基活性炭生产过程中炭化与活化的机理展开了详细的分析和论述，同时分析了制备过程中影响质量的因素，并且具体分析了活性发电极材料的定向制备。介绍了活性炭再生以及评价方法，为煤基活性炭的快速发展提供参考。

关键词：煤基活性炭；炭化；活化；再生

中图分类号： TQ424.1 文献标识码： A 文章编号：

引言：活性炭又叫多孔炭，是一种具有高度发达的孔隙结构和极大表面积的人工炭材料，其物理化学性质稳定，耐酸碱，能经受水湿、高温及高压，不溶于水和有机溶剂，使用失效后可以再生，是一种循环经济性材料。并且活性炭的制备原料十分广泛，主要分为木质类和煤质类原料。木质类原料主要有果壳，农作物秸秆及纸浆废液等；煤质类原料主要有褐煤，无烟煤，焦炭煤及石油，石油沥青焦等。

一、煤基活性炭的生产

1、炭化

煤基活性炭的生产工艺中，炭化的主要目的是使煤分子结构中的含氧官能团断裂并使得自由基芳环进行分解聚合，从而可以增加碳的含量，为活化过程中需要形成的孔隙碳结构进行培育。煤基活性炭的炭化过程，简单的说就是在隔绝空气，不加入化学品的条件下热解。炭化过程首先是包括氢、氧等大部分的非碳元素经过分解之后，以气态的形式释放，之后一些自由的碳元素互相结合，形成有序结构，也就是石墨微晶单元形式，然后，那些无序的碳就可以填充进去，经过活化之后形成发达的空隙结构活性炭。

2、活化

煤基活性炭的活化过程就是利用水蒸气和二氧化碳等对碳进行

弱氧化的过程。活化过程分为化学活化法和物理活化法，所谓化学活化法是将化学药剂与含碳的物质进行混合，然后结合炭化进行活性炭的生产；而物理活化法是利用水蒸气和二氧化碳、氧气等与含碳物质

炭化之后产生的半焦进行反应的一种活化方法，它也是生产中常用的方法。

二、影响煤基活性炭质量的因素

1、原料煤性质

煤基活性炭的生产以及活性炭质量的主要影响因素就是原料煤

的性质，原料煤性质不同会对活性炭的质量造成不同的影响。比如说不同的煤种中，含有碳、氢、氧的含量不同，煤的化学结构也不同，因此在炭化后产生的半焦的特性就不同。经研究发现，原煤在没有经过处理时，大同的煤种效果是最好的。

2、炭化温度

炭化过程中产生的半焦的性质往往受到炭化温度的影响，温度过高，微孔的容积会有明显的下降，强度就会相应的增加。也就是说，煤的炭化温度能够直接影响碳化料的空隙结构以及性质。经过大量的实验，不难发现，600℃是炭化的最佳温度，除此之外，在炭化过程中一定要注意防止氧化，否则就会在很大程度上影响孔隙的碳结构。

3、活化温度

据统计数据显示，一般水蒸气的活化温度控制在800―900℃，烟道气活化温度一般控制在900―950℃，而空气的话化温度大约控制在600 ℃左右，而这些活化温度都是根据所用的活化剂与在炭化过程中形成的碳骨架发生反应的最佳温度以及催化剂使用过程中的

最佳分解温度来确定的。

4、活化时间

活化时间的长短也间接影响着煤基活性炭的生产，在生产中，随着活化时间的不断延长，活性炭的碘吸附值就会呈现出先增大后减小的变化趋势，在一个小时左右会达到最大值。但是，如果活化的时间没有得到控制，过长会导致采用的活化剂与空隙周围的碳原子发生反应，从而影响了石墨微晶的结构和性质，使得活性炭遭到过度的烧蚀，造成活性炭的吸附能力降低，影响活性炭的质量。

5、煤中矿物质

灰分的含量是评价煤基活性炭的一个重要指标，而灰分就是煤中的矿物质以及有机成分经过灼烧后生成的产物，很多研究表明，灰分

的存在会对活性炭的性能造成不利的影响，因此要尽量降低煤基活性炭中灰分的含量。而煤中的一些无机成分能够降低活性炭的着火点以及活性炭灼烧的熔点，从而就可以使灰分和活性炭成功的脱离开来，也就自然降低了活性炭中灰分的含量，并增强活性炭的质量。

三、活性炭再生与再生效果评价

1、活性炭再生研究

活性炭的再生从经济和环保角度来看很有必要。活性炭的再生循环利用技术已经成为反映活性炭工业水平高低的重要标志。活性炭的再生就是使失去吸附能力的活性炭用物理、化学或生物化学等方法，将所吸附的物质除去，恢复其吸附能力，以便重新用于吸附操作的过程。国内外学者提出了各种活性炭再生工艺技术，如溶剂再生法，热再生法，湿式氧化法等。溶剂再生法就是利用活性炭，溶剂与被吸附质三者之间的相平衡关系，通过改变温度、溶剂的pH值等条件打破吸附平衡，将吸附质从活性炭上脱附下来。溶剂再生法一般比较适用于那些可逆吸附，如对高浓度、低沸点有机废水的吸附。它的针对性较强，往往一种溶剂只能脱附特定污染物，而水处理过程中的污染物种类繁多，变化不定，因此一种特定溶剂的应用范围较窄。San Miguel 等介绍活性炭的热再生法，吸附饱和的活性炭通过干燥、高温炭化和活化3个阶段而得到再生。活性炭不仅是一种强的吸附剂，而且还是一种强的吸波材料，因此常与微波技术相结合而应用与环保领域。微波的“体加热”，诱导催化，选择性和快速无滞后性是使其受青睐的主要原因。

kedding和Gitchel等人提出并进行了湿式氧化法再生活性炭的研究工作。研究发现，该方法具有不需要脱水过程，炭的损失率较低和二次污染低等显著优点。湿式氧化法主要研究思路是在活性炭投入吸附前，预先在活性炭上负载具有催化氧化作用的物质，以降低活性炭有机吸附质的分解温度，从而能有效地实现低温再生和在线操作。

2、再生效果评价

活性炭的孔结构和比表面积可通过BET氮吸附容量法测定，进而分析其吸附能力；也可通过测定活性炭对指定溶液的吸附等温线来比较其吸附性能大小。如采用苯酚静态再吸附法，即通过测定苯酚质量

浓度获得的吸附等温线，进而求得吸附容量，再确定活性炭再生效率。更有研究对测试方法作了改进，由测试吸附等温线改为测试有机物吸附值。

四、活性炭应用与发展趋势

我国的煤基活性炭技术大致经历了三个发展阶段，包括单种煤生产活性炭、配煤生产活性炭以及催化活化生产活性炭。现在，以煤作为原料的活性炭已经在石化、食品、化工、电力等众多领域中广泛应用，而其出众的对污染物的吸附能力也使它被广泛的应用在城市污水处理、工业废水处理以及对水源的净化中去，尤其是活性炭的脱硫技术更是在近年来得到了极大的发展。除此之外，在原料煤的处理方面，我国正在研究开发煤的深度脱灰技术，这对扩展活性炭的应用领域具有十分重要的意义。煤基活性炭应用前景非常乐观，因此，更要利用我国丰富的煤资源，加大对煤基活性炭应用的开发和研究，为煤基活性炭的使用提供机会，从而使我国的煤基活性炭的发展取得更大的成就。

结束语：

在活性炭生产用原料煤处理方面，我国正在研究开发煤的深度脱灰技术(由于活性炭在食品、医药、化工、军事等领域应用时，对其中无机质的种类和数量均有一定的要求，因为这些矿物质或是使催化剂中毒、或是造成吸附分离产品在外观品质的劣质化。寻求合理的方法脱除灰分，替代木质活性炭在传统领域的应用，具有十分重要的意义。

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作者简介：梁月宏，男，现在山西大同，同煤集团煤气厂工作