环境功能材料 4 活性炭

(3)纳米电子器件 由于碳纳米管壁能被某些化学反应所“溶解”，因此它们可以 作为易于处理的模具。只要用金属灌满碳纳米管，然后把碳层腐蚀 掉，即可得到纳米尺度的导线。 美国已用纳米碳管成功地制备了纳米碳化钛、碳化铁、碳化铝 等纳米棒，在纳米碳化铌棒中还发现了超导现象。将纳米管组装到 有机高分子PCM－1中，其电导可提高几个数量级。我国利用碳纳米 管研制出新一代显示器。
(一)、结晶态炭单质的微观结构
1、 金刚石 碳原子：SP3杂化； 键长：0.154nm 维度：三维，立体结构
碳原子以共价键的形式有序地排列成 正四面体，即每个居正四面体中心的 碳原子与四个居顶点的碳原子以共价 键形式联结，形成坚固的骨架结构 。
人造金刚石:2000℃高温和5.5万个大 气压
“八心八箭”钻石


气体活化过程中的化学反应

C+2H2O一2 H2 + CO2一79. 6kJ C十H2O一H2 +CO一542. lkJ C+CO2一2CO一712. 7kJ
(2) 化学药剂活化

ZnCl2氯化锌法 原料与浓氯化锌溶液进行混台，让氯化锌浸渍， 然后在回转炉中隔绝空气加热~600-700℃，由于 氯化锌的脱水作用，原料里的氢和氧主要以水蒸 气的形式放出，形成多孔性结构发达的炭。

与之类似的还有KOH、H3PO4等。
（3）、气体、药剂联合法

不同的原料+不同制备方法的组合可以对活性炭 的孔隙结构进行调控，从而制取许多性能不同的活 性炭。这种联合方法是许多年来及今后相当长时期 内世界各国活性炭工作者非常关注的活性炭制取方 法。
活性炭的外观分类

（1）、粉状活性炭 一般将90%以上通过80目标准筛或粒度小于 0.175mm的活性炭通称粉状活性炭或粉状炭。
料加工制成的活性炭占60%以上。
活性炭的理论发展

吸附理论和空隙结构研究


体积填充理论
计算活性炭孔分布的D-R ( Dubinin-Radushkevioh) 和D-A (Dubinin-Astakhor)方程
体积填充理论

吸附剂的孔按规定分为大孔 ( > 5 0 n m )、中孔 ( 2 ~ 5 0nm )和微孔 ( < 2n m )。蒸气在大孔中的吸附 可用 B E T 多分子层吸附理论描述 ;在中孔中,可认 为先进行多分子层吸附再进行毛细冷凝 ;在微孔中 的吸附 ,一般用杜宾宁D ub i n i n等的微孔容积填充

粉末活性炭

颗粒活性炭

纤维活性炭
活性炭雕
比较碳与炭的区别：
“碳”：是元素的名称，是核电荷数为6的一 类原子的总称。比如：碳元素、碳单 质、含碳化合物、一氧化碳。
“炭”： 表示由碳元素组成的某种物质—木炭、 活性炭、焦炭、炭黑等。 炭是黑炭类的统称：
活性炭工业历史与现状

长沙马王堆出土的汉墓木椁用木炭来吸潮、防腐， 明朝李时珍在《木草纲目》中记述果核烧炭可治疗腹泻和肠 胃病。

1785年，洛维茨证实木炭能使某些液体脱色。这一发现导
致木炭于1794年在英国精制糖厂中首次获得工业应用。

1913年用氯化锌活化法生产出防毒面具用的粒状活性炭。

20年代初期在欧洲，活性炭的用途已扩大到矿物油、 植物油和化学药品的精制。

1926年以后，活性炭制法研究集中在荷兰，而理论方
面研究集中在德国。
• (4)、再生活性炭： （Reactivated Carbon）,与原活性炭 (Virgin Active Carbon)相区分。
活性炭制备方法
(1)、气体活化（炭化+活化）
采用水蒸气、烟道气(主要成分为C02)、空气等含氧气体或混合 气体作为活化剂。
炭化：分解反应、氧键断裂反应，脱氧反应。链状分子、
C60
以 C60为代表的富勒烯是继金刚石、石墨后发现的第 3种碳的 同素异形体。在富勒烯中，人们对C60研究得最深入。它独特的结 构和奇异的物理化学性质备受国际科学界的关注，其研究不仅涉 及到化学的各个分支，而且还涉及到生命科学、材料科学及固体 物理等诸多领域。因此， C60 是 20 世纪的重大科学发现之一 。 Kroto等人因此而荣获1996年诺贝尔化学奖。
200目提高101.5％。
粉状炭的不足

粉状炭在使用时有吸附速度较快，吸附能力使用充分等 优点，但需专有的分离方法。随着分离技术的进步和某些应 用要求的出现，粉状炭的粒度有越来越细化的倾向，有的场
合已达到微米甚至纳米级。

粉状炭的缺点是再生比较困难，失效的活性炭不能再生 使用，故消耗量较大(近年也有研究将它再生)。而且通常需 要相当大的混合池和沉淀池以及混合、沉淀、过滤、分离等 多道工序，操作困难，

六十年代以后，随着环境保护事业的发展，
各国开始采用和建立大型的粒状活性炭净化自来
水的装置和工业废水的净化处理装置。将粒状活
性炭装在吸附塔或吸附池内，水以一定的流速通
过活性炭装填层，以达到净化的目的。可以间隙
或连续操作，失效的粒状炭经再生可多次使用，
明显降低了炭的用量。使用中没有二次淤渣和粉
尘，也改善了操作条件。

活性炭纤维与颗粒的比较
活性碳织物

（纤维的二次加工）
过滤 + 吸附
活性炭孔容分类

（1）． 大孔型活性炭：所含大孔、中孔、微
孔中，以大孔体积较大的活性炭。

（2）． 细孔型活性炭：微孔体积较大的活
性炭。
第二节、活性炭的微观结构
一、碳的存在方式（结晶态炭单质的微观结构） 二、活性炭的微晶结构
5、碳纳米管
碳原子：SP2杂化； 结构：管状； 维度：一维；
分类：
单壁和多壁碳纳米管；
碳纳米管的结构
★碳纳米管的应用
纳米碳管有许多特异的物理性能。如纳米碳管的热导 与金刚石相近，电导高于铜。但纳米碳管的应用研究还在 探索阶段： (1)高强度碳纤维 材料理论计算表明，纳米碳管的抗张强度比钢高100 倍，但重量只有钢的六分之一。其长度是直径的几千倍， 5万个并排起来才有人的一根头发那么宽，因而号称“超 级纤维”。 (2)复合材料 近年的研究表明，纳米碳管与介孔固体(孔径在2～50 nm的多孔固体)组装，形成介孔复合体，将是一种特殊性 能的新型材料。

1929年以后，在美国开始把粉状活性炭用于水处理(每 年2000-3000 t)。这时原料使用相当广泛，扩展到用 果壳、核、泥煤等。活化方法也多种多样，理论研究 进一步深化。

1938年布朗诺尔、埃米特、泰勒(Brunauer,
Emmett, Teuer) 3人在朗格谬尔(Langmuir)动力

粉状活性炭是非常微细的粉末，绝大部分可通 过200 目筛网(74μm) ，大部分可通过325目筛网 (43μm) ，粉的尺寸在1～150μm之间(平均约40μm)。

通常，炭粉越细，表面积大，吸附能力大，
它对杂质的吸附速度越大。某些应用场合活性炭
产品进行高度的破碎和筛选，得到微细的粉末。

吸附特定大分子有机物，对于木质活性炭而 言，250目的吸附效果比200目提高10.01％，325 目的比200目提高25.3％；对于煤质活性炭而言， 250目的吸附效果比200目提高66.2％，325目的比
颗粒活性炭

通常把粒度大于0.175mm的活性炭称作颗料活 性炭。

成型方式：（1）颗粒状原料炭化；（2）粉状活性 炭+粘结剂。
颗粒活性炭的应用

较早阶段粉状炭的产量与用量均超过粒状炭。 糖和药品的脱色精制以及早期的水处理都以粉状
炭为主。后来随着应用范围的扩大、使用工艺的
改进，特别是再生方法与再生设备的解决，使粒 状炭的用量不断上升。加上各种煤制粒状炭的开 发，使成本降低，因此粒状活性炭的产量与用量 逐渐超过了粉状活性炭。
起的“活性炭”热新上马的厂家大都以粒状炭为主，
而且更多的是以各种煤为基质原料。
纤维状活性碳

活性炭纤维是指纤维直径Hale Waihona Puke Baidu~10 μm活性炭， 以粘胶丝、聚丙烯纤维等为原料，用气体活化制成，比一 般活性炭有较大的吸附量、吸附速度和脱吸速度，并有可 挠性，能加工成各种形状的织物。 主要目的是揉和粉末活性碳高比表面积、高吸附力及粒状 活性碳压降小、可再生的优点，而且具有独特的强度，可 二次加工，通常其吸脱附性能也颇良好。表面积高达 2500m2/g。
碳原子：SP2杂化； 键长：0.143nm
2、石墨
层间距：0.335nm；
维度：二维，平面结构。

每个层可以看作一个大分子，石墨 整体由许多相互平行的层片组成， 二层间就是靠∏键（弱连接）联结。
石墨烯

石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完
全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/m· K，
理论 ( T V F M )描述。
微孔容积填充理论

绝大多数吸附理论均认为吸附过程发生在吸附剂表 面。但是,对有些微孔介质(如活性炭等),其孔径尺寸 与被吸附分子的大小相当,吸附则可能发生在吸附剂 的内部空间,即吸附是对微孔容积的填充而不是表面 覆盖。
活性炭原料
• (1)、木质活性炭：以木屑、木炭等制成的活性炭。 果壳（果核）活性炭：以椰子壳、橄榄壳、核桃壳、杏 核等制成的活性炭。 • (2)、矿物质原料活性炭 煤质活性炭：以褐煤、泥煤、烟煤、无烟煤 石油类活性炭：以沥青等为原料炭。 • (3)、其它原料的活性炭 含碳的有机废料和农业副产品，例如稻壳、稻草、甘蔗渣、 纸浆废液、塑料、合成树脂等

在气相应用方面，几乎从一开始就主要采用粒状
炭，因为粉状炭是难以使气流顺利通过的。

美国六十年代初粒状炭仅占活性炭年总产量的五分 之一。而八十年代初，粒状炭与粉状炭己经平分秋色， 以后仍成逐步增长的趋势。

我国到七十年代末，粒状炭产量大约仅占年总产量 的四分之一，目前已经超过一半。近几年国内再次掀
富勒烯
1985 年 ， 英 国 Sussex 大学的 H. W. Kroto等人用激光作石墨的气化试验发现 了C60，这是一种由60个碳原子组成的稳 定原子簇。此后又发现了C50、C70、C240 乃至 C540 ，它们都是具有空心的球形结 构，属于笼形碳原子簇分子。由于C60的 结构类似建筑师 Buckminster Fuller 设计 的圆顶建筑，因而称为富勒烯 (Fullerend) ，也有布基球、足球烯、球 碳、笼碳等名称。
活性炭

第一节 、活性炭的概述

第二节、活性炭的微观结构

第三节、活性炭的吸附性能
第一节 、活性炭的概述

活性炭（AC: activated carbon）是由含碳材料制成 的外观呈黑色，内部孔隙结构发达、表面积大，吸 附能力强的一类微晶质碳素材料。

表观密度约0.08～0.45。含碳量10%～98%。
常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V· s，比硅晶体高，而 电阻率只约10-8 Ω·cm，比铜或银更低。

石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透 明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。
3、富勒碳：C60（巴基球，足球烯 ）
碳原子：SP2杂化 结构：12个正五边形和20 个正六边形镶嵌而成的具有 32个面和60个连接点的球状 分子。 维度：零维 独特的结构和奇异的物理化 学性
学吸附理论的基础上，提出了多分子层吸附理论 (简称BET理论)和著名的BET方程。

1943年美国匹斯堡活性炭公司(现在的Calgoh公司) 首次采用烟煤压块、水蒸气活化工艺制造军用活性
炭。
目前活性炭的发展

为保护环境和节省能源，活性炭用途已扩大
到空气净化、废水处理、香烟滤嘴、制糖等
方面。

原料来源转向煤、石油。目前其中以煤为原
芳香族分子经过炭化形成三向网状结构的炭化物。
活化：炭化物的吸附能力低，细孔被杂质堵塞等原因所
致．活化阶段：900℃下暴露于氧化性气体介质中，除去被吸 附质，使被堵塞的细孔开放；并使细孔和通路扩大。
活化具体过程

第一阶段:开放原来的闭塞孔。即高温下，活化气体首先与无序碳原子及 杂原子发生反应，将炭化时已经形成但却被无序的碳原子及杂原子所堵 塞的孔隙打开，将基本微晶表面暴露出来。 第二阶段:扩大原有孔隙。在此阶段，暴露出来的基本微晶表面上的C原 子与活化气体发生氧化反应被烧失，使得打开的孔隙不断扩大、贯通及 向纵深发展。 第三阶段:形成新的孔隙。微晶表面C原子的烧失是不均匀的，同炭层平 行方向的烧失速率高于垂直方向，微晶边角和缺陷位置的C原子即活性 位更易与活化气体反应。同时，随着活化反应的不断进行，新的活性位 暴露于微晶表面，于是这些新的活性点又能同活化气体进行反应。微晶 表面的这种不均匀的燃烧不断地导致新孔隙的形成。