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浅谈活性炭的吸附特性及各种应用方法


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【九正建材网】 活性炭是由植物源含炭原料,如木屑、无烟煤、褐煤、果壳等经过高温炭化和活化制得。炭化是在隔离空气的情况下,对原料进行加热,

活性炭是由植物源含炭原料,如木屑、无烟煤、褐煤、果壳等经过高温炭化和活化制得。炭化是在隔离空气的情况下,对原料进行加热,使其分解放出水气、一氧化碳、二氧化碳和氢气等气体,形成由碳原子微晶体构成的孔隙结构。活化是在氧化剂的作用下(通常以水蒸气或二氧化碳为氧化剂),对炭化材料加热,完善其孔隙结构,成为孔隙结构发达,比表面积大的稳定的新结构,活性炭颗粒内部有无数微细的孔隙纵横相通,其孔径为1-10000nm,其比表面积可达1000m2/g以上,活性炭的这种物理特点是对有机物的吸附量比其他吸附剂大的原因。

活性炭除碳元素外,还含有氢和氧元素,氢和氧与碳以化学键结合在活性炭表面上,形成各种表面氧化物复合体,对活性炭的吸附性质有较大影响,使活性炭与吸附质分子发生化学作用,显示出活性炭在吸附过程中的选择吸附特性。

活性炭表面遍布的各种各样的表面氧化物复合体,一般把表面氧化物分成酸性和碱性两类。活性炭表面氧化物的种类和数量与其原材料、活化条件、预处理方法及使用过程中的氧化还原反应等密切相关,其中受活化过程的影响较大,一般认为在300-500度以下用湿空气活化的活性炭以酸性氧化物为主,酸性氧化物带有酸性氧化物基团,如羧基、分烃基等,使活性炭具有极性性质,容易吸附极性较强的化合物,如苯酚、卤代烃等,阻碍了非极性物质的吸附过程,在800-900度,用空气、蒸汽或二氧化碳活化的活性炭以碱性氧化物为主,而在500-800度之间活化的则具有两性性质。

【活性炭比表面积和吸附能力的关系】

活性炭其主要是以含炭量较高的物质制成,如木材、煤、果壳、骨、石油残渣等。而以椰子壳为最常用的原料,在同等条件下,椰壳活性的活性质量及特其它特性是最好的,因其有最大的比表面。

一般来说活性炭的比表面积(BET)越大,吸附力也越大,但是有时候却不一定。

BET是用氮气或丁烷的吸附方法测出活性炭总表面积的应用参数。按理BET越大,吸附力就越大。可是在实际应用中这概念有局限性,因为活性炭的孔有大孔、中孔和微孔的区别,有时仅有部分的孔适合于某类大小吸附物的进入。

在液相应用中,通常有机物的吸附值随分子量(分子大小)的提高而提高。直到分子大到不能进孔为止。最理想的活性炭是具有大量恰好稍大于吸附物分子的孔。孔太小,吸附物进不了;孔太大,使单位体积的表面积减少。

在气相应用中,小分子被吸附进入微孔。这时总表面积的概念是合用的。至于活性炭对金属络合物的吸附,涉及化学键的形成,也不是BET越大越好

【活性炭溶剂再生法】

溶剂再生法是利用活性炭、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。这种再生工艺一般通过以下三种途径来实现:改变污染物的化学性质;使用对污染物亲和力比活性炭更强的溶剂来萃取;使用对活性炭亲和力比污染物更强的物质进行置换(一般仅用于以吸附质回收为目的的使用)。根据所用溶剂的不同可分为无机溶剂再生法和有机溶剂再生法。

无机溶剂再生法主要用无机酸(H2SO4、HCl等)或碱(NaOH等)作为再生溶剂。厦门大学叶李艺等研究了苯酚和对氯苯酚水溶液在活性碳上的吸附平衡关系,溶液pH值对活性炭吸附性能的影响,苯酚在固定床上的吸附和脱附动力学。同时采用间歇法和固定床连续法研究了吸附苯酚后的活性炭碱再生工艺过程,以及多次再生对活性炭再生效率的影响,探讨了碱性溶剂再生活性炭的初步规律。南京化工大学材料科学和工程学院张果金和周永璋等利用一种新型有机再生溶剂(ZL),对印染废水处理中的活性炭进行再生。该再生剂是一种无色透明复配有机溶剂,经蒸馏后能反复使用,对于一些有可回收的废热厂家具有较高的推广价值。

溶剂再生法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某些污染物,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。

2电化学再生法

电化学再生法是一种正在研究的新型活性炭再生技术。该方法将活性炭填充在两个主电极之间,在电解液中,加以直流电场,活性炭在电场作用下极化,一端成阳极,另一端呈阴极,形成微电解槽,在活性炭的阴极部位和阳极部位可分别发生还原反应和氧化反应,吸附在活性炭上的污染物大部分因此而分解,小部分因电泳力作用发生脱附。

【浅谈如何识别椰壳活性炭】

因椰壳活性炭比煤质活性炭成本高许多,而且成品活性炭材质一般不容易被普通大众所识别。市场上常有不法销售商利用消费者无法识别材质的弱点,用煤质活性炭假冒椰壳活性炭销售,不管是民用还是工业用领域,此现象都较为严重。

以下是简单区分它们的几个方法

1、椰壳活性炭属于果壳活性炭类别,其主要特点是密度小、手感轻,拿在手里的重量明显比煤质活性炭轻。相同重量的活性炭,椰壳活性炭体积一般大于煤质活性炭。

2、椰壳活性炭形状一般为破碎颗粒状、片状,而成型活性炭,如柱状、球状活性炭,多为煤质炭。

3、因椰壳活性炭密度小,手感轻,因此可以将活性炭放到水里,煤质炭一般沉底较快,而椰壳活性炭浮在水中的时间更长,随着活性炭吸附水分子达到饱和,加重自身重量才会逐步全部沉入水底,当活性炭全部沉底后,会看见每颗活性炭外面都包裹着一个小气泡,晶莹缇透,非常有趣。

4、椰壳活性炭为小分子孔隙结构,将活性炭放到水里,其吸附水分子时所排空气会产生许多非常细小的水泡(肉眼刚好能看见),密密麻麻的不停浮向水面。而煤质活性炭一般为大分子孔隙结构,所产生的气泡相也对较大。

【粉状活性炭对藻毒素的去除】

/富营养化湖泊中的微囊藻毒素(水华蓝藻的次生代谢产物)对环境和人类健康的危害已成为全球关注的重大环境问题之一。微囊藻毒素能强烈地抑制蛋白磷酸酶(PP1、PP2A)的活性,是一种强烈的促癌剂。中国科学院武汉水生生物研究所近期的研究结果表明,微囊藻毒素以肝脏为唯一的靶器官,动物性腺是其攻击的第二靶器官[11, 12]。然而,水厂常规混凝工艺对溶解性微囊藻毒素的去除效果较差,去除率一般在20%以下,难以满足要求。有研究表明, PAC对溶解性的微囊藻毒素具有较好地吸附作用[13, 14]。考虑到微囊藻毒素的季节性特征, PAC吸附可以作为微囊藻毒素污染的应急处理措施。PAC吸附污染物需要一定的时间,其过程可分为快速吸附、基本平衡和完全平衡三个阶段。刘成等研究表明[15]PAC对两种典型的微囊藻毒素(MC-RR和MC-LR)快速吸附阶段大约需要40min,可以达到80%的左右的吸附容量。

因此对于取水口到净水厂有一定距离的水厂,可在取水口处投加PAC,利用管道输送时间来完成吸附过程;而对于取水口距离水厂很近,只能在水厂内投加粉末活性炭的情况,由于吸附时间短,加之与混凝剂形成矾花后还会影响其与水中微囊藻毒素的接触,使得粉末炭的吸附能力难以发挥,因此需适当增加PAC的投量。随着粉末活性炭投量的增加,对微囊藻毒素的去除效果得到明显改善。PAC 投量为20mg/L时,对MC-RR和MC-LR的去除率分别为90%和76%,也就是说对于一般原水中两种微囊藻毒素可能发生的最大浓度(10μg/L),投加 20mL的粉末活性炭即可将两种毒素的浓度分别降低到1μg/L和2·4μg/L,加之其他水处理单元 (混凝、消毒等)对微囊藻毒素的去除,出水水质可以达到国家新颁布的标准(MC—LR的限值为 1μg/L)。此外, PAC对微囊藻毒素的去除率与藻毒素初始浓度无关,这可以用理想吸附溶液理论和当量本底化合物理论来证明[15]。因而,可根据原水中目标化合物的浓度和标准的要求值来判定所需的粉末活性炭投量。

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