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    木質活性炭性質及制造

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    木質活性炭性質及制造

    發布日期:2017-09-01 作者:江蘇嘉和炭業科技股份有限公司 點擊:

    一、活性炭的性質

    1、吸附性

    吸附性質是活性炭的首要性質。活性炭具有像石墨晶粒卻無規則地排列的微晶。在活化過程中微晶間產生了形狀不同、大小不一的孔隙,假定活性炭的孔隙是圓筒孔形狀,按一定方法計算孔隙的半徑大小可分為二類:

    (1)    按IUPAC分:

    微孔          <1.0nm

    中孔          1-25nm

    大孔          >25nm。

    (2)    按習慣分:

    微孔          <150nm

    中孔          150-20 000nm

    大孔          >20 000nm。

    由于這些孔隙,特別是微孔提供了巨大的表面積。

    微孔的孔隙容積一般只有0.25-0.9mL/g,孔隙數量約為1020個/g,全部微孔表面積約為500-1500m2/g,通常以BET法測算,也有稱高達3500-5000 m2/g的。活性炭幾乎95%以上的表面積都在微孔中,因此除了有些大分子進不了外,微孔是決定活性炭吸附性能高低的重要因素。中孔的孔隙容積一般約為0.02-1.0mL/g,表面積最高可達幾百平方米,一般只有活性炭總蠶種的約5%。其作用能吸附蒸汽,并能為吸附物提供進入微孔的通道,又能直接吸附較大的分子。

    大孔的孔隙容積一般約為0.2-0.5 mL/g,表面積只約0.5-2 m2/g,其作用一是使吸附質分子快速深入活性炭內部較小的孔隙中去;二是作為催化載體時,催化劑常少量沉淀在微孔內,大都沉淀在大孔和中孔之中。

    所提的活性炭表面積理應包括內表面積和外表面積,事實上吸附性質主要來自巨大的內表面積,因此不能誤認為:把活性炭研碎磨細會明顯提高表面積從而提高吸附力。

    很多吸附是可逆的物理吸附,即被吸附物為流體,在一定溫度和壓力下被活性炭吸附,在高溫低壓下被吸附物又解吸出來,活性炭內表面恢復原狀。這是廣泛應用的物理吸附,學術上又稱為范德華吸附。

    2、化學性

    活性炭的吸附除了物理吸附,還有化學吸附。活性炭的吸附性既取決于孔隙結構,又取決于化學組成。

    活性炭不僅含碳,而且含少量的化學結合、功能團開工的氧和氫,例如羰基、羧基、酚類、內酯類、醌類、醚類。這些表面上含有的氧化物和絡合物,有些來自原料的衍生物,有些是在活化時、活化后由空氣或水蒸氣的作用而生成。有時還會生成表面硫化物和氯化物。在活化中原料所含礦物質集中到活性炭里成為灰分,灰分的主要成分是堿金屬和堿土金屬的鹽類,如碳酸鹽和磷酸鹽等。

    這些灰分含量可經水洗或酸洗的處理而降低。

    活性炭中無機物成分,從表3-1四種粉炭商品的分析,可見一斑。(附表略)

    3、催化性

    活性炭在許多吸附過程中伴有催化任憑,表現出催化劑的活性。例如活性炭吸附二氧化硫經催化氧化變成三氧化硫。

    由于活性炭有特異的表面含氧化合物或絡合物的存在,對多種反應具有催化劑的活性,例如使氯氣和一氧化碳生成光氣。

    由于活性炭和載持物之間會形成絡合物,這種絡合物催化劑使催化活性大增,例如載持鈀鹽的活性炭,即使沒有銅鹽的催化劑存在,烯烴的氧化反應也能催化進行,而且速度快、選擇性高。

    由于活性炭具有發達的細孔結構、巨大的內表面積和很好的耐熱性、耐酸性、耐堿性,可作為催化劑的載體。例如,有機化學中加氫、脫氫環化、異構化等的反應中,活性炭是鉑、鈀催化劑的優良載體。

    4、機械性

    下面幾個項目表示活性炭的機械性,為活性炭的應用者,尤其為大量的工業應用者所重視。

    (1)    粒度:采用一套標準篩篩分法,求出留在和通過每只篩子的活性炭重量,表示粒度分布。

    (2)    靜觀密度或堆密度:飲食孔隙容積和顆粒間空隙容積的單位體積活性炭的重量。

    (3)    體積密度和顆粒密度:飲食孔隙容積而不飲食顆粒間空隙容積的單位體積活性炭的重量。

    (4)    強度:即活性炭的耐破碎性。

    (5)    耐磨性:即耐磨損或抗磨擦的性能。

    這些機械性質直接影響應用,例如:密度影響容器大小;粉炭粗細影響過濾;粒炭粒度分布影響流體阻力和壓降;破碎性影響使用壽命和廢炭再生。

    二、活性炭的制造

    1、 原料

    幾乎所有含碳材料都可用來征稅活性炭,例如木材、鋸屑、泥炭、稻草等含纖維素材料通常僅以化學品活化法處理。有使用稻草和玉米稈的蹭試驗,也有以豆渣為原料用碳酸鉀的活化制成活性炭。

    雖然通常在氣體活化法中先要把原料炭化,但是國外公司有用泥炭直接氣體活化,而不以蹭的炭化的報道。

    很適用于氣體活化法的原料是木炭、堅果殼炭、褐煤或泥炭制得的焦炭。

    2、活化

    制造活性炭的關鍵工藝是活化。由于所用活化劑的不同,可分為兩類方法:

    (1)    用氯化鋅或磷酸等化學品為活化劑的化學品活化法;

    (2)    用水蒸氣或二氧化碳等為活化劑的氣體活化法。

    前者稱為化學活化法,后者稱為物理活化法。其實兩類活化過程都各自民生質的變化,都是化學變化的過程。

    2.1化學品活化法

    (一) 氯化鋅活化法

    以化學品氯化鋅為活化劑。

    將0.4-0.5份氯化鋅濃溶液和1份泥炭或鋸屑混合,在轉爐中干燥,加熱到600-700℃,成品以酸洗和水洗回收鋅鹽。有時化學品活化后繼續進行水蒸氣活化,藉以增加海內存知己的細孔。

    氯化鋅活化的活性炭具有較多大也。雖然這是有效和簡單的方法,但因鋅化合物化合物的環境污染而漸衰。

    (二) 磷酸活化法

    以化學品磷酸為活化劑。

    炭化的或未炭化的含碳物作起始原料。例如將研細的鋸屑和磷酸混成漿狀,在轉爐中干燥,加熱到400-600℃。萃取回收磷酸,有時中和后回收磷酸鹽。干燥得活性炭,一般較氯化鋅法的活性炭具有更細的細孔。

    也可采用磷酸和水蒸氣聯合活化法。近年磷酸活化法趨向廣泛應用,磷酸回收等革新未見發表。

    (三) 氫氧化鉀活化法

    以化學品氫氧化鉀為活化劑。

    將含碳原料以熔融的無水氫氧化鉀處理,激烈的反應產生非常高的多孔性,比表面積可高達3000m2/g。

    (四) 其他化學品活化法

    硫酸、硫化鉀、氯化鋁、氯化銨、硼酸鹽、硼酸、氯化鈣、氫氧化鈣、氯氣、氯化氫、鐵鹽、鎳鹽、硝酸、亞硝氣、三氧化二磷、金屬鉀、高錳酸鉀、金屬鈉、氧化鈉和二氧化硫均可用于活化。

    2.2氣體活化法

    以水蒸氣、二氧化碳或兩者混合氣體為活化劑,將含碳物料和氣體在轉爐或者沸騰爐內,在800-1000℃高溫下進行碳的氧化反應,制成細孔結構發達的活性炭。

    水蒸氣、二氧化碳和碳的反應是吸熱反應,而氧和碳的反應是很強的放熱反應,因此爐內反應溫度難以控制,尤其要避免局部過熱,防止不均勻活化更難,故氧或空氣不宜作為活化劑。有時使用空氣和水蒸氣的混合氣體,用碳的燃燒作為熱源。多數情況下用煙道氣和水蒸氣的混合氣體,由于不可避免地會混入少量氯氣,造成水蒸氣、二氧化碳和氧氣三種氣體同時參與活化。

    值得注意:在混合氣體中少量的氧會使活性炭具有很大的孔隙。氧與碳的作用速度百倍于二氧化碳,而且因鉀鹽存在而大增,因此含鉀的原料在含氧的氣體中會劇烈反應,以致發生失控的燃燒而不是活化。

    各種少量化合物,例如堿金屬和堿土金屬的鹽類,幾乎全部氯化物、硫酸鹽、醋酸鹽和碳酸鹽,還有大多酸類和氫氧化物,在氣體活化中具有催化加速作用。工業上常用的催化劑是氫氧化鉀和碳酸鉀,用量在0.1%到5%之間。以固態催化劑和含碳物料混合,或以溶液加入,或成型低溫炭化。

    如果煙煤中加堿金屬鹽類活化,那么不單用水蒸氣活化,而要用含二氧化碳的混合氣體活化。

    3、活化爐

    廠采用的爐型主要有豎爐、轉爐和流化床爐等。

    (1)    豎爐:原由幾個簡單垂直的燃燒室構成,室壁砌以耐火磚。后來改進混料,又設法控制爐內氣流的方向、速度和溫度。該爐還可用來再生回收炭。

    (2)    轉爐:是最通用的臥式活化爐。

    (3)    流化床爐:又稱沸騰床爐,是固體粒子補充流體吹成懸浮狀態,氣固之間傳熱、傳質速率快,但粒子磨損大,以前常以間歇法生產粉炭,現已民展成連續生產,并能制成而磨的粒炭。

    我國目前常用的活化爐主要有:

    (1)    斯列普爐:又稱鞍式爐,因其活化帶的耐火磚是馬鞍型,原為法國專利,20世紀50年代由原蘇聯引進我國。后經一系列改進,成為我國目前生產顆粒狀活性炭的最主要爐型。

    活化氣體:水蒸氣。

    主要優點:連續生產、產量大、質量高、過熱蒸汽溫度高、穩定、不需外部供熱。

    主要問題:對原料要求高、造價高、技術要求高、維修費用大。

    (2)    燜燒爐:

    活化氣體:燃煤所產生的高溫煙道氣。

    主要優點:簡單投資省。

    主要問題: 耗燃料多、活化不均勻、勞動強度大、粉塵大。

    (3)    土耙爐:

    活化氣體:水蒸氣(空氣)

    主要優點:最簡易爐型。

    主要問題:得率低、質量不高、原始作坊式、污染環境。

    (4)    多管爐:

    活化氣體:水蒸氣

    主要優點:不需燃料、穩定、易控制、產量較大。

    主要問題:活化不均勻、炭質量不高、過熱蒸汽溫度低、耐火管易損壞、投資較大。

    (5)    回轉爐:

    活化氣體:煙道氣、水蒸氣

    主要優點:連續操作、活化較均勻、適合生產氣相活性炭。

    主要問題:設備龐大、熱效率差、耗燃料、成品質量較低。

    (6)    沸騰爐

    活化氣體:空氣、水蒸氣。

    主要優點:氣固接觸好、活化均勻、機械化占地面積小。

    主要問題:間歇生產、易結渣影響正常操作、耗燃料。

    (7)    多層耙式爐

    活化氣體:煙道氣、水蒸氣。

    主要優點:國外引進大型設備、活化強度大、產量大。適應多種產品。

    主要問題:投資大、技術要求高、操作費用較高。

    此外,還有多管沸騰爐、外溢流式沸騰爐、旋流噴動活化爐、隧道窯活化爐、斜板式活化爐、等。

    4、 后處理

    去雜

    活化時加過催化劑如氯化鋅、磷酸、碳酸鉀的活性炭常用酸洗或用水洗處理,以減少各種化合物含量。

    低灰分活性炭可用水、鹽酸或硝酸洗滌,去除一些雜質。用于精細化學品、藥物、催化劑、催化劑載體的活性炭,需要特殊的充分洗滌。

    浸漬

    活性炭的浸漬是針對特定用途的一種后處理。

    (1)    用于防護毒氣的活性炭銅鹽和鉻鹽浸漬。

    (2)    用于去氮的活性炭以鋅鹽浸漬。

    (3)    用于從含氧氣體中去硫化氫、從廢氣中去汞蒸氣的活性炭以碘化合物處理。

    (4)    用于提取核裝置發生的放射性甲基碘和其他氣體的活性炭也以碘化合物處理。

    (5)    用于將硫化氫和甲醛氧化為無毒物的活性炭以二氧化錳浸漬。高溫下甲醛不氧化到甲酸,而直接生成二氧化碳。

    (6)    用于從低氧的氣體混合物中除去二價化合物的活性炭以鐵鹽浸漬,再加熱轉變為三價的氧化鐵。

    (7)    用于從天然氣、氫氣和其他氣體中消除汞蒸氣的活性炭以元素硫處理。

    (8)    用于飲用水凈化的活性炭以銀鹽浸漬。

    (9)    用于各種目的的催化劑的活性炭以貴金屬化合物浸漬。例如涂鈀的活性炭是典型的氫化催化劑。

    (10)  用于礦物油中硫醇的氧化的活性炭以酞菁鈷浸漬。


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