活性炭研究简述

S BET
vm N A s Va
• 其中:NA为阿伏伽德罗常数、s为被吸附气体的吸附 截面积、 V为被吸附气体的摩尔体积 、a为吸附材 料的质量
活性炭的表征
• 孔隙结构及孔径分布
– 微孔（≤2nm)、中孔（2nm▬▬50nm）和大孔 （≥50nm） – 微孔占表面积90%以上，与吸附分子大小相当， 是吸附的主要发生点 – 中孔约占表面积5%，是吸附分子进入微孔的通 道，多用于气体吸附和染料等大分子的吸附 – 大孔占表面积2%以下，对吸附贡献不大，多用 于催化剂的附着堆积
总结
• 目前活性炭研究的主要方向集中在不同原料的选 择上，主要是富含木质素的农作物废物，此外由 于不同的吸附要求在煤炭（石油）、动物角蛋白、 碳纤维方面也有不同发展。 • 不同的活化条件（温度、时间、活化剂）对活性 炭的产率及性能有显著影响。 • 活性炭表征的主要手段包括组分分析、比表面积 测定、孔隙结构分析、表面功能团红外分析、 SEM、吸附等温分析、动力学分析等。 • 一般情况下，比表面积决定活性炭的吸附性能， 但根据不同的吸附需要有不同的选择。
式中， P为平衡压强、P0为饱和蒸汽压、v为平衡气 体吸附量、vm为饱和吸附量、 c为BET常数
活性炭的表征
• 比表面积
– BET比表面积模型
• 在温度恒定的情况下，以1/v[P/P0-1]对P/P0作图应 得一直线，该图称为BET图。
活性炭的表征
• 比表面积
– BET比表面积模型
• 据直线的斜率 和截距可以求出单层吸附量和BET常 数：vm和c。 • 吸附物质的BET比表面积为
• SEM
– 活性炭表面结构，孔径大小、分布等信息
活性炭的表征
• 比表面积 比表面积是衡量活性炭性能的重要指标
– m2/g – 数百到数千 – 与活性炭的孔隙体积和孔隙半径相关 – 采用吸附法（低温N2吸附）测量 – Langmuir比表面积和BET比表面积
活性炭的表征
• 比表面积
– Langmuir比表面积
– 温度
• 放热反应，温度升高吸附量下降 • 吸热反应，温度升高吸附量上升
– PH值
• 与溶剂和溶质性质有关 • 活性炭吸附力与溶质在溶液中扩散力比较
活性炭吸附的分析
• 吸附质选择
– 小分子：I2等 – 大分子：染料分子如甲基蓝、碱基红等 – 离子：Ni2+等
• 等温q-t曲线 • 等温方程分析 • 吸附动力学分析
活性炭研究简述
简介
活性炭是由含炭为主的物质作原料，经高温 碳化和活化制得的疏水性吸附剂。 • 原料：木质素、煤炭、角蛋白、碳纤维 • 制备方法：物理方法、化学方法、马弗炉、 微波 • 特征：表面积、内部孔径、表面化学基团、 吸附动力学 • 应用：脱色、水处理、离子去除/附着、催 化剂吸附、储氢
原料
• • • • • • • • 吸附表面各吸附点能量相同 吸附分子间无相互作用 单层吸附 吸附达到平衡，吸附速度=脱附速度 吸附表面各吸附点能量相同 吸附分子间无相互作用 多层吸附 各吸附层之间无相互影响，各自遵守单层吸附理论
– BET比表面积模型
活性炭的表征
• 比表面积
– BET比表面积模型
1 c 1 P 1 ( ) v( P vmc P v mc 0 / P) 1 0
• • • • 产率 表面积 孔隙体积/分布 吸附能力
活性炭的表征
• 灰分
– 活性炭中的无机组分 – 与原料及活化剂有关
• 元素分析
– C、H、O、N、S、P – 活化可显著提高C含量，降低O、H含量
• 碘值
– 活性炭在标准碘溶液中的碘吸附量 – 用于表述活性炭对小分子杂质的吸附能力
活性炭的表征
• 木质素：木材、秸秆、树枝、果皮/核 取材广泛、工艺成熟、表面积大、应用广泛 • 煤炭：煤、焦炭、石油焦炭 孔隙结构发达、吸附速度快、气体吸附 • 角蛋白：皮革、毛发 表面活性基团丰富、离子吸附 • 含碳纤维：天然纤维、合成纤维 孔隙半径集中、表面结构规则、油田废水、贵金 属吸附
制备方法
• 物理活化方法
– 碳化（无氧，300-500℃） – 活化（水蒸汽、CO2，500-900 ℃）
• 化学活化方法
– 碳化（无氧，300-500℃） – 活化剂
• 碱：KOH，NaOH，K2CO3,Na2CO3 • 酸：H3PO4，H2SO4，（NH4）2HPO4 • 碱土金属盐：AlCl3, ZnCl2
制备方法
• 表面化学基团
– 红外光谱分析
活性炭的表征
• 吸附动力学
– 吸附过程的3个阶段
• 吸附分子外部扩散 • 吸附分子内部扩散 • 吸附反应
– 吸附平衡量和吸附速率 – 吸附速率由速度最慢的步骤决定
活性炭的表征
• 吸附动力学
– Lagergren一级吸附速率方程
logq e qt log qe k1 t 2.03
– Lagergren二级吸附速率方程
t 1 1 t 2 qt qe k 2 qe
– Webber-Morres方程
q Kt 1 / 2 C
活性炭的表征Hale Waihona Puke Baidu
• 吸附动力学
– 分别对应外部扩散、吸附反应、内部扩散的速 率方程 – 通过实验测定不同时间点下吸附分子的浓度得 到吸附曲线 – 按照不同方程分别计算k1、k2、K值 – 通过线性拟合得到最符合的方程从而确定吸附 的关键步骤
活性炭的表征
• 等温方程
– 等温条件下活性炭达到吸附平衡的数学描述 – 几种不同的等温方程
• • • • • • Langmuir BET Freundlich Dubinin-Radushkevich Redlich-Peterson Toth
活性炭的表征
• 影响吸附效果的条件
– 吸附质
• 分子大小、极性、电荷
• 化学活化方法
– 活化（N2，500-900℃） – 中和（酸、碱） – 洗涤（H2O，PH=6-7） – 干燥
• 高温分解技术
– 马弗炉（500-900℃，3-10小时） – 微波（500-1200W，3-10分钟）
制备方法
• 制备条件对性能的影响
– 活化温度 – 活化时间 – 活化剂比例 – 最佳活化条件
活性炭的表征
• 孔隙结构及孔径分布
– 利用密度函数方法（DFT）分析BET等温吸附 （脱附）曲线得到活性炭的孔径分布曲线
活性炭的表征
• 表面化学基团
– 物理吸附与化学吸附 – 表面活性官能团
• 含氧官能团
-OH、-COOH、C-O-C、-CO
• 含氮官能团
-NH2、-NH
– Boehm滴定
活性炭的表征