活性炭的應(yīng)用及發(fā)展

活性炭的發(fā)展及應(yīng)用第一頁，共三十三頁。1主要內(nèi)容一、活性炭的簡介二、活性炭的制備三、活性炭的表征四、活性炭的應(yīng)用五、新型的碳材料2第二頁，共三十三頁。2一、活性炭的簡介活性炭是一種多孔炭材料，具有高度發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，吸附能力強、化學(xué)穩(wěn)定性好、機械強度高、使用失效后易再生等特點。廣泛應(yīng)用化學(xué)工業(yè)、食品加工、醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)、國防等領(lǐng)域。第三頁，共三十三頁。3（一）組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)組成第四頁，共三十三頁。4結(jié)構(gòu)及孔的形狀結(jié)構(gòu)：活性炭是非晶體物質(zhì)，由排列成六邊形的碳原子平面層組成，這些平面層的排列不是類似于石墨的結(jié)構(gòu)，而是雜亂且無規(guī)律地排列成“螺層狀結(jié)構(gòu)”。孔的形狀：圓筒孔、狹縫孔、圓錐孔、錐形狹縫孔、墨水瓶孔分類1（按孔徑）微孔（r<2nm）中孔（2nm<r<50nm）大孔（r>50nm）氣相吸附液相吸附，催化劑載體作為通道第五頁，共三十三頁。52按形狀分3按原料分（a）植物類原料活性炭：木材、椰殼、核桃殼、杏核、竹材、稻草等。第六頁，共三十三頁。6（b）礦物類原料活性炭:煤、石油焦、煤焦油、煤瀝青、石油殘渣、石油瀝青等。(c)其他原料活性炭：塑料類、紙漿廢液、舊輪胎、動物骨、蔗糖、糖蜜等。3按制備方法分（a）化學(xué)碳，以ZnCl2,H3PO4,KOH等為活化劑，化學(xué)活化法制備的活性炭（b）物理碳，以水蒸氣，CO2等為活化劑制備的活性炭第七頁，共三十三頁。7（二）國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國外活性炭生產(chǎn)國有美國、俄羅斯和日本等。世界活性炭的年產(chǎn)量約70萬噸，其中一半以上是由美國、日本及西歐經(jīng)濟共同體等工業(yè)國生產(chǎn)。歐美等發(fā)達國家在活性炭制造技術(shù)方面已完成大型化、自動化、連續(xù)化、無公害化制造體系。而且對制造新工藝的研究與活性炭微孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)基團的關(guān)系研究，做到了品種的專用化和多樣化。第八頁，共三十三頁。8

我國活性炭工業(yè)生產(chǎn)起步于20世紀(jì)50年代，80年代以后發(fā)展迅速，主要以煤質(zhì)活性炭為主。我國目前有中小型活性炭生產(chǎn)企業(yè)1000余家，活性炭產(chǎn)量占世界產(chǎn)量的三分之一，已成為世界上最大的活性炭生產(chǎn)國，2007年生產(chǎn)量達到35萬噸，出口量25萬噸。

但是我國活性炭行業(yè)在制造技術(shù)上不如歐美國家，存在生產(chǎn)規(guī)模小、產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊、資源浪費等問。第九頁，共三十三頁。9二、活性炭的制備②活化機理：活化劑在高溫下與碳發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成氣體（如CO、H2）。由于碳化物表面受到侵蝕，是碳化物的孔結(jié)構(gòu)更加發(fā)達。第十頁，共三十三頁。10③影響因素：碳化溫度（400~600℃左右）、碳化時間（1h左右）、活化溫度（800~1000℃）、活化時間（1h左右）、活化劑流量。第十一頁，共三十三頁。11②活化機理（3）其他活化法：如物理-化學(xué)法，模板法等。第十二頁，共三十三頁。12(4)成型活性炭的制備由于活性炭的“螺層狀結(jié)構(gòu)”，平面層之間都是以分子間力相互結(jié)合，因此，活性炭的耐磨損度、耐壓強度都很差。

①成型活性炭的優(yōu)點（1）具有一定的形狀和尺寸，易于調(diào)變和加工。（2）密度和強度較高，無粉塵污染。（3）單位體積的吸附量遠高于粉狀活性炭第十三頁，共三十三頁。13

②成型活性炭的制備方法以碳質(zhì)前驅(qū)物為原料制備成型活性炭原料預(yù)處理成型碳化、活化后處理產(chǎn)品特點：該種方法制備的成型活性炭，骨架易遭到破壞，難以制的高比表面積的成型活性炭。第十四頁，共三十三頁。14以粉狀活性炭為原料制備成型活性炭粉狀活性炭粘結(jié)劑混合壓縮成型加熱處理后處理成型活性碳該方法是制備高性能成型活性碳所必須的方法第十五頁，共三十三頁。15粘合劑的分類有機類粘結(jié)劑：腐植酸及其鈉鹽、黏結(jié)性木質(zhì)素、煤焦油、聚乙烯醇及其衍生物和酚醛樹脂等。無機粘合劑：氧化鋁、二氧化鈦，硅酸鹽、蒙脫土等。用有機粘合劑易得到比表面積較高的成型活性炭，但是其機械強度不是很好。第十六頁，共三十三頁。16總的來說，成型活性炭的吸附性能和機械強度是相互矛盾的，要同時提高其吸附性能和機械強度是十分困難的。無機類物質(zhì)作為黏結(jié)劑，可以大幅提高成型活性炭的機械強度，但添加量較少，則不能成型；而添加量過多，又會導(dǎo)致成型活性炭中炭含量減少，比表面積下降。因此，該類方法適合生產(chǎn)某些具有特殊吸附性能的成型活性炭。第十七頁，共三十三頁。17三、活性炭的表征、分析與檢測（1）孔徑分布壓汞法主要用于測定較大的中孔和大孔，并可確定這部分孔的孔徑分布。毛細管凝聚法是物理吸附法中測定孔徑分布最常用的一種方法。分子吸附法用來測微孔，如77K的氮氣吸附。第十八頁，共三十三頁。18（2）表面化學(xué)性質(zhì)活性炭表面可能含有酸性、堿性、中性基團，最常見的基團是羧基、羥基、內(nèi)酯基和酚羥基。常用的測定方法有：Boehm滴定、零電荷點（PZC)、X射線光電子能譜(XPS)、傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）和熱重分析。

第十九頁，共三十三頁。19（3）微觀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)SEM和TEM。（4）理論模型第二十頁，共三十三頁。20（5）性能檢測指標(biāo)物理性能：活性炭的水分含量、灰分含量、強度、粒度分布、表觀密度、漂浮率、著火點、揮發(fā)分含量等。吸附性能：包括水容量、亞甲基藍吸附值、碘值、苯酚吸附值、四氯化碳吸附∕脫附率、飽和硫容量、防護時間等?；瘜W(xué)性能:元素組成（含工業(yè)分析、元素分析、和有害雜質(zhì)分析），表面氧化物，澤塔電位等。第二十一頁，共三十三頁。21四、活性炭的應(yīng)用活性炭作為優(yōu)良的吸附劑，常用于水體凈化、空氣的凈化、工業(yè)廢氣回收、貴重金屬的回收及提煉等。其應(yīng)用范圍涉及化學(xué)工業(yè)、食品加工、醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)、國防等領(lǐng)域、催化及電化學(xué)電源，在環(huán)境保護和人類生活中起著重要作用。第二十二頁，共三十三頁。22（1）在液相吸附中的應(yīng)用活性炭在液相中主要用于包括水處理、食品工業(yè)脫色及貴金屬回收等。其中，水處理主要應(yīng)用在飲用水的凈化、廢水處理、工業(yè)用水處理這三大方面。

（2）在氣相吸附中的應(yīng)用活性炭在氣相吸附中的應(yīng)用主要包煙道氣、工業(yè)廢氣的處理和凈化、生活空氣凈化、油氣回收及毒氣防護等。第二十三頁，共三十三頁。23（3）在催化方面的應(yīng)用活性炭本身就具有催化活性，一般可單獨作為催化劑使用。也可以作為催化劑載體，負(fù)載活性離子。此外，活性炭還可用于土壤的污染治理、儲氫、作為新型儲能器件的電極材等。第二十四頁，共三十三頁。24五、新型的碳材料（一）活性炭微球球形活性炭是20世紀(jì)70年代后期由日本、美國、聯(lián)邦德國和蘇聯(lián)等工業(yè)發(fā)達的國家研制開發(fā)成功的一種高檔活性炭新品種，80年代后后期逐漸進入工業(yè)化階段。第二十五頁，共三十三頁。25日本大阪瓦斯公司以中間相瀝青為原料微球為原料，以KOH為活化劑，制的比表面積高達3000~4600m2∕g的超高比表面積活性炭微球。制備球型活性炭的原料有：煤、高分子和瀝青。其球形活性炭具有均勻的球形外表，表面光滑、力學(xué)強度高、比表面積大、耐磨損、耐腐蝕，長期使用掉屑少，產(chǎn)品雜質(zhì)含量低等優(yōu)點。第二十六頁，共三十三頁。26制備方法：壓條成球法、介質(zhì)分散法、噴霧法、反響乳液法和熱縮聚法、乳液法、懸浮法等。應(yīng)用：化工，石化，醫(yī)藥、防毒防護、能源環(huán)保等領(lǐng)域。制備工藝流程如下：煤瀝青或石油渣油高軟化點瀝青瀝青球不熔化瀝青球球型活性炭調(diào)制球形化添加劑不熔化氧化介質(zhì)250~400℃碳化，活化N2+活化劑，≥900℃第二十七頁，共三十三頁。27（二）活性炭納米管活性炭納米管可以看成是單層或多層石墨片層卷曲而成的無縫中空管狀結(jié)構(gòu)。因此，具有管狀孔隙、層間孔隙等。此外，還具有表面原子密度大，比表面積大，孔結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)可修飾等特點。第二十八頁，共三十三頁。28這些特點使其在催化劑載體、儲氫材料、超級電容、鋰離子二次電池和隱形材料等領(lǐng)域都得到廣泛的研究。制備方法：氣相氧化法、液相氧化法和固相氧化法。無論那一種方法，都是將碳納米管經(jīng)活化處理及后處理得到活性炭納米管。第二十九頁，共三十三頁。29（三）活性炭纖維活性炭纖維（ACF）是繼粉末活性炭（PAC）和粒狀活性炭（GAC）之后的第三代活性碳材料?，F(xiàn)在的ACF是碳纖維（CF）及可碳化纖維經(jīng)物理活化、化學(xué)活化，或兩者兼有的活化反應(yīng)所制得的具有豐富和發(fā)達孔隙結(jié)構(gòu)的功能型碳纖維。第三十頁，共三十三頁。30常用的ACF有：黏膠、酚醛纖維、聚丙烯晴（PAN）、瀝青、聚酰亞胺纖維、聚苯乙烯纖維及空心纖維等。應(yīng)用：多做為吸附材料、催化劑載體、電極材材料等。第三十一頁，共三十三頁。31謝謝！第三十二頁，共三十三頁。32內(nèi)容總結(jié)活性炭的發(fā)展及應(yīng)用。（a）化學(xué)碳，以ZnCl2,H3PO4,KOH等為活化劑，化學(xué)活化法制備的活性炭。（b）物理碳，以水蒸氣，CO2等為活化劑制備的活性炭。但是我國活性炭行業(yè)在制造技術(shù)上不如歐美國家，存在生產(chǎn)規(guī)模小