活性炭活化原理

活性炭得活化机理及应用
材研140７朱明201420０48３
活性炭就是一种非常优良得吸附剂,它就是利用植物原料(木屑、木炭、果壳、果核)、煤与其它含碳工业废料作原料,通过物理与化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干与筛选等一系列工序加工制造而成。

根据活化介质得不同,活性炭活化方法分为物理活化法、化学活化法与物理—化学复合活化法。

物理活化水蒸汽、二氧化碳、空气或它们得混合气体对环境污染小,因其依靠氧化碳原子形成孔隙结构,活化温度较高且活性炭得率低。

化学活化法活性炭得率较高,孔隙发达,吸附性能好。

但此法对设备腐蚀性大，环境污染严重。

热解能量循环利用困难。

而且活性炭中残留化学药品.在应用方面受到限制。

一．活性炭得活化机理
1.物理活化法
物理活化法一般分两步进行,先将原料在5０0℃左右炭化,再用水蒸汽或CＯ2 等气体在高温下进行活化。

高温下,水蒸汽及二氧化碳都就是温与得氧化剂,碳材料内部Ｃ原子与活化剂结合并以CＯ+H ２或CO得形式逸出,形成孔隙结构。

物理活化法所需得活化温度一般较化学活化法高，而且活化所需得时间也更长,因此耗能比较大,成本高。

尽管有这些缺点,物理活化法在实际生产中得应用仍然十分广泛,原因在于其制得得活性炭无需过多
得后处理步骤,不像化学活化法制得得活性炭需要除去残留得活化剂。

将炭化材料在高温下用水蒸气、二氧化碳或空气等氧化性气体与炭材料发生反应,使炭材料中无序炭部分氧化刻蚀成孔,在材料内部形成发达得微孔结构。

炭化温度一般在60０℃,活化温度一般在800℃∽900℃。

其主要化学反应式如下:
C+2H２O 2Ｈ2+ＣO2 △H=1８kcａl ﻩ
C+H2O H2＋CO △H＝31kcal
CO2+Ｃ2ＣＯﻩ△H＝41kcaｌ
上述三个化学反应均就是吸热反应,即随着活化反应得进行,活化炉得活化反应区域温度将逐步下降，如果活化区域得温度低于80０℃,上述活化反应就不能正常进行,所以在活化炉得活化反应区域需要同时通入部分空气与活化产生得煤气燃烧补充热量,或通过补充外加热源,以保证活化炉活化反应区域得活化温度。

活化反应属于气固相系统得多相反应,活化过程中包括物理与化学两个过程,整个过程包括气相中得活化剂向炭化料外表面得扩散、活化剂向炭化料内表面得扩散、活化剂被炭化料内外表面所吸附、炭化料表面发生气化反应生成中间产物(表面络合物)、中间产物分解成反
应产物、反应产物脱附、脱附下来得反应产物由炭化料内表面向外表面扩散等过活化反应通过以下三个阶段最终达到活化造孔得目得。

第一阶段就是炭化时形成得但却被无序得碳原子及杂原子所堵塞得孔隙得打开，即高温下,活化气体首先与无序碳原子及杂原子发生反应。

第二阶段就是打开得孔隙不断扩大、贯通及向纵深发展，孔隙边缘得碳原子由于具有不饱与结构,易于与活化气体发生反应,从而造成孔隙得不断扩大与向纵深发展。

第三阶段就是新孔隙得形成,随着活化反应得不断进行,新得不饱与碳原子或活性点则暴露于微晶表面，于就是这些新得活性点又能同活化气体得其它分子进行反应，微晶表面得这种不均匀得燃烧就不断地导致新孔隙得形成。

2.化学活化法
化学活化法就是通过将化学试剂嵌入炭颗粒内部结构,经历一系列得交联缩聚反应形成微孔。

化学活化可一步进行,即直接升温到700℃左右进行活化。

在活化前,先将活化剂水溶液与原料以一定比例浸渍一段时间，烘干后再放入惰性气氛中升温进行活化。

活化剂与原料得浸渍比就是影响活性炭性能得一个重要因素,因此可以通过控制浸渍比以及不同得活化温度来制备所需得活性炭。

化学活化法制得得活性炭产率高,而且其孔隙结构比物理活化法更加发达。

按活化剂不同分ZnCl２法、KＯH法、H3PO4法、相对于物理活化,化学活化有以下优点:化学活化需要较低得温度,活化产率高,通过选择合适得活化剂控制反应条件可制得高比表面积活性炭、但化学活化对设备腐蚀性大,污染环境,其制得得活性炭中残留化学药品活化剂,应用受到限制、
以KOH作为活化剂为例, 原料破碎→与ＫOH混合→低温脱水（200～5０0℃)→高温活化（６0０~8０0℃)→酸洗→热水洗→蒸馏水洗→干燥→产品
在300～600℃时主要发生分子交联或缩聚反应,该阶段除一些非碳元素挥发出来外,焦油类物质得挥发就是失重得主要原因。

KOH得加入,抑制了焦油得生成,提高了反应收率。

同时，KＯH得加入，使得活化反应得实际温度降低了大约100℃，即在54０℃左右就可反应。

在此温度下，ＫＯH得加入也加快了非碳原子N、Ｈ等得脱除，KＯH活化反应成孔机理就就是通过KOH与原料中得碳反应,把其中得部分碳刻蚀掉，经过洗涤把生成得盐及多余得ＫOH洗去,在被刻蚀得位置出现了孔。

这一过程主要发生以下反应：
4KOH+—CH2一K2ＣO3+K2O＋3Ｈ２Ｋ２CO３+２—C—２K ＋３CO
K2Ｏ＋—Ｃ—2K+ＣＯ2KOH K2O+Ｈ2Ｏ
Ｃ+Ｈ2O H2+CO CＯ+H20 H2+C0２
K2O+CO2Ｋ2CO3K2O+Ｈ2
２Ｋ+Ｈ2O
K2Ｏ+C 2K+CO
在KOＨ活化法制备活性炭时,活化后得洗涤就是关键。

未洗时,产品得孔很少。

先后经过酸洗、热水洗、蒸馏水洗,把产品中得非本体物质洗去，它们原来占据得空间就形成了孔、因此,尽管洗涤比较麻烦,但一定要反复洗涤,直到洗干净为止。

二．活性炭得应用
活性炭广泛应用于工农业生产得各个方面,如石化行业得无碱脱臭（精制脱硫醇)、乙烯脱盐水(精制填料)、催化剂载体(钯、铂、铑等)、水净化及污水处理;电力行业得电厂水质处理及保护；化工行业得化工催化剂及载体、气体净化、溶剂回收及油脂等得脱色、精制;食品行业得饮料、酒类、味精母液及食品得精制、脱色;黄金行业得黄金提取、尾液回收;环保行业得污水处理、废气及有害气体得治理、气体净化;以及相关行业得香烟滤嘴、木地板防潮、吸味、汽车汽油蒸发污染控制，各种浸渍剂液得制备等。

活性炭在未来将会有极好得发展前景与广阔得销售市场。

１、活性炭在气相上得应用
空气净化活性炭空气净化活性炭,选用优质得木材或椰子壳,通过深度活化与独特得孔径调节工艺,使活性炭有丰富得孔,且孔得大小略大于有毒气体,比表面积>１300平方米/克,对于苯,甲醛,氨气等有毒有害气体具有高效能吸附能力,可有效去除室内空气中得气态污染物及有害恶臭物质,进而达到降低污染、净化空气得目得。

工业上用于:各种作业场所得除臭去毒及空调过滤网,空气净化机，中央空调过滤系统,空气过滤器，空气净化器,汽车滤清器等。

其原理就是:（１)自身独特得孔隙结构活性炭就是一种主要由含碳材料制成得外观呈黑色,内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强得一类微晶质碳素材料。

活性炭材料中有大量肉眼瞧不见得微孔,1克活性炭材料中微孔,将其展开后表面积可高达８00-３０00平方米,特殊用途得更高。

也就就是说,在一个米粒大小得活性炭颗粒中,微孔得内表面积可能相当于一个客厅面积得大小。

正就是这些高度发达,如人体毛细血管般得孔隙结构,使活性炭拥有了优良得吸附性能。

（2)分子之间相互作用力也叫“范德华引力”。

虽然分子运动速度受温度与材质等原因得影响,但它在微环境下始终就是不停运动得。

由于分子之间拥有相互吸引得作用力,当一个分子被活性炭内孔捕捉进入到活性炭内孔隙中后,由于分子之间相互吸引得原因,会导致更多得分子不断被吸引,直到添满活性炭内孔隙为止。

活性炭吸附有害物质得特性活性炭为物理吸附原理,在作用过程中，依靠空气作为媒介,因此被界定为被动空气净化材料。

2、活性炭在液相上得应用
废水中得一些有机物就是难于为微生物或一般氧化法所氧化分解得，如酚、苯、石油及其产品、杀虫剂、洗涤剂、合成染料、胺类化合物以及许多人工合成有机物，经生化处理后很难达到对排放要求较高得水体中排放得标准,也严重影响废水得回用,因此需要深度处理。

由于活性炭对有机物得吸附能力大,在废水深度处理中得到广泛得应用,具有以下优点：①处理程度高,城市污水用活性炭进行深度处理后，生化需氧量BOD可降低9９％,总有机碳量TOC可降到1～３mg／L。

②应用范围广,对废水中绝大多数有机物都有效,包括微生物难于降解得有机物。

③适应性强,对水量及有机物负荷得变动有较强得适应性能,可得到稳定得处理效果。

④粒状炭可进行再生重复使用,被吸附得有机物在再生过程中被烧掉,不产生污泥。

⑤可回收有用物质,例如用活性炭处理含酚废水，用碱再生吸附饱与得活性炭，可以回收酚钠盐。

⑥设备紧凑、管理方便。

3、活性炭在催化上得应用
(１)制造过氧化氢用活性炭覆盖得多孔管作阴极，使从阴极上放出得氢同压入得氧作用生成过氧化氢。

(2)使硫化氢转化为元素硫活性炭能吸附硫化氢并使氧化成元素硫,以除去气体中得硫化氢。

(3)活性炭催化均四氯乙烷脱HＣl制备三氯乙烯、甲烷裂解制氢活性炭催化剂。

(４)水得脱氯作用活性炭能起吸附与催化两种作用,从水中除去氯。

（５）用于生产光气,三聚氯氰,氯乙烷,卤化磺酰,农药中间体、由于活性炭得催化作用能使氯与一氧化碳反应生成光气;使二氧化硫与氯反应生成硫酰氯；使氯与氢反应生成氯化氢;使溴与水蒸汽反应生成氢溴酸;使硫酸亚铁氧化硫酸铁；以及作为三聚氯氰聚合物反应得催化剂载体。