活性炭的应用及发展教材.ppt

活性炭的发展及应用 1 主要内容主要内容 一、活性炭的简介 二、活性炭的制备 三、活性炭的表征 四、活性炭的应用 五、新型的碳材料 2 2 一、活性炭的简介 l活性炭是一种多孔炭材料，具有高度发达的孔 隙结构和巨大的比表面积，吸附能力强、化学 稳定性好、机械强度高、使用失效后易再生等 特点广泛应用化学工业、食品加工、医疗卫 生、农业、国防等领域 3 （一）组成、结构与性质 组成 4 结构及孔的形状 l结构：活性炭是非晶体物质，由排列成六边形的 碳原子平面层组成，这些平面层的排列不是类似 于石墨的结构，而是杂乱且无规律地排列成“螺层 状结构” l孔的形状：圆筒孔、狭缝孔、圆锥孔、锥形狭缝 孔、墨水瓶孔 分类 1（按孔径） 微孔（r 2 nm） 中孔（2 nm r 50 nm） 气相吸附气相吸附 液相吸附，催化剂载体液相吸附，催化剂载体 作为通道作为通道 5 2 按形状分 3 按原料分 （a）植物类原料活性炭：木材、椰壳、核 桃壳、杏核、竹材、稻草等 6 （b）矿物类原料活性炭:煤、石油焦、煤焦 油、煤沥青、石油残渣、石油沥青等 (c)其他原料活性炭：塑料类、纸浆废液、旧 轮胎、动物骨、蔗糖、糖蜜等。

3 3 按制备方法分按制备方法分 （a）化学碳，以ZnCl2,H3PO4,KOH等为活 化剂，化学活化法制备的活性炭 （b）物理碳，以水蒸气，CO2等为活化剂 制备的活性炭 7 （二）国内外发展现状 l 国外活性炭生产国有美国、俄罗斯和日本 等世界活性炭的年产量约70万吨，其中一半 以上是由美国、日本及西欧经济共同体等工业 国生产欧美等发达国家在活性炭制造技术方 面已完成大型化、自动化、连续化、无公害化 制造体系而且对制造新工艺的研究与活性炭 微孔结构和表面化学基团的关系研究，做到了 品种的专用化和多样化 8 我国活性炭工业生产起步于20世纪50年代，80 年代以后发展迅速，主要以煤质活性炭为主我国 目前有中小型活性炭生产企业1 000余家，活性炭产 量占世界产量的三分之一，已成为世界上最大的活 性炭生产国，2007年生产量达到35万吨，出口量25 万吨 但是我国活性炭行业在制造技术上不如欧美国 家，存在生产规模小、产品质量参差不齐、资源浪 费等问 9 二、活性炭的制备 ②活化机理：活化剂在高温下与碳发生氧化 还原反应，生成气体（如CO、H2）由于碳 化物表面受到侵蚀，是碳化物的孔结构更加 发达。

10 ③影响因素：碳化温度（400~600℃左右）、 碳化时间（1h左右）、活化温度（800~1000 ℃ ）、活化时间（ 1h左右）、活化剂流量 11 ②活化机理 （3）其他活化法：如物理-化学法，模板法等 12 (4)成型活性炭的制备 v由于活性炭的“螺层状结构”，平面层之间都 是以分子间力相互结合，因此，活性炭的耐 磨损度、耐压强度都很差 ①成型活性炭的优点 （1）具有一定的形状和尺寸，易于调变和加 工 （2）密度和强度较高，无粉尘污染 （3）单位体积的吸附量远高于粉状活性炭 13 ② 成型活性炭的制备方法 v以碳质前驱物为原料制备成型活性炭 原料预处理成型碳化、活化 后处理 产品 特点：该种方法制备的成型活性炭，骨架易遭 到破坏，难以制的高比表面积的成型活性炭 14 v以粉状活性炭为原料制备成型活性炭 粉状活性炭 粘结剂 混合 压缩成型加热处理 后处理成型活性碳 该方法是制备高性能成型活性碳所必须的方法 15 粘合剂的分类 有机类粘结剂：腐植酸及其钠盐、黏结性木 质素、煤焦油、聚乙烯醇及其衍生物和酚醛 树脂等 无机粘合剂：氧化铝、二氧化钛，硅酸盐、 蒙脱土等 用有机粘合剂易得到比表面积较高的成型活 性炭，但是其机械强度不是很好。

16 总的来说，成型活性炭的吸附性能和机 械强度是相互矛盾的，要同时提高其吸附性 能和机械强度是十分困难的 无机类物质作为黏结剂，可以大幅提高成 型活性炭的机械强度，但添加量较少，则不 能成型；而添加量过多，又会导致成型活性 炭中炭含量减少，比表面积下降因此，该 类方法适合生产某些具有特殊吸附性能的成 型活性炭 17 三、活性炭的表征、分析与检测 （1）孔径分布 压汞法 主要用于测定较大的中孔和大孔，并 可确定这部分孔的孔径分布 毛细管凝聚法 是物理吸附法中测定孔径分布 最常用的一种方法 分子吸附法 用来测微孔，如77K的氮气吸附 18 （2）表面化学性质 活性炭表面可能含有酸性、碱性、中性基团， 最常见的基团是 羧基、羟基、内酯基和酚羟 基 常用的测定方法有： Boehm滴定、零电荷点（PZC) 、X射线光电 子能谱(XPS)、 傅里叶变换红外光谱（FT- IR ） 和热重分析 19 （3）微观结构结构 SEM和TEM （4）理论模型 20 （5）性能检测指标 物理性能：活性炭的水分含量、灰分含量、强 度、粒度分布、表观密度、漂浮率、着火点、 挥发分含量等 。

吸附性能：包括水容量、亚甲基蓝吸附值、碘 值、苯酚吸附值、四氯化碳吸附∕脱附率、饱和 硫容量、防护时间等 化学性能:元素组成（含工业分析、元素分析、 和有害杂质分析），表面氧化物，泽塔电位等 21 四、活性炭的应用 v活性炭作为优良的吸附剂，常用于水体净化 、空气的净化、工业废气回收、贵重金属的 回收及提炼等其应用范围涉及化学工业、 食品加工、医疗卫生、农业、国防等领域、 催化及电化学电源，在环境保护和人类生活 中起着重要作用 22 （1）在液相吸附中的应用 活性炭在液相中主要用于包括水处理、食 品工业脱色及贵金属回收等其中，水处理主 要应用在饮用水的净化、废水处理、工业用水 处理这三大方面 （2）在气相吸附中的应用 活性炭在气相吸附中的应用主要包烟道气 、工业废气的处理和净化、生活空气净化、 油气回收及毒气防护等 23 （3）在催化方面的应用 活性炭本身就具有催化活性，一般可单独 作为催化剂使用 也可以作为催化剂载体，负 载活性离子 此外，活性炭还可用于土壤的污染治理、 储氢、作为新型储能器件的电极材等 24 五、新型的碳材料 v（一）活性炭微球 v球形活性炭是20世纪70年代后期由日本、美 国、联邦德国和苏联等工业发达的国家研制 开发成功的一种高档活性炭新品种，80年代 后后期逐渐进入工业化阶段。

25 日本大阪瓦斯公司以中间相沥青为原料微球为 原料，以KOH为活化剂，制的比表面积高达 3000~4600m2∕g的超高比表面积活性炭微球 制备球型活性炭的原料有：煤、高分子和沥青 其 球形活性炭具有均匀的球形外表，表面光滑、 力学强度高、比表面积大、耐磨损、耐腐蚀， 长期使用掉屑少，产品杂质含量低等优点 26 制备方法：压条成球法、介质分散法、喷雾法、 反响乳液法和热缩聚法、乳液法、悬浮法等 应用：化工，石化，医药、防毒防护、能源环 保等领域 制备工艺流程如下： 煤沥青或石油渣油高软化点沥青沥青球 不熔化 沥青球 球型活性炭 调制球形化 添加剂 不熔化 氧化介质 250~400℃ 碳化，活化 N2+活化剂，≥900℃ 27 （二）活性炭纳米管 v活性炭纳米管可以看成是单层或多层石墨片 层卷曲而成的无缝中空管状结构因此，具 有管状孔隙、层间孔隙等此外，还具有表 面原子密度大，比表面积大，孔结构和表面 结构可修饰等特点 28 这些特点使其在催化剂载体、储氢材料、 超级电容、锂离子二次电池和隐形材料等领域 都得到广泛的研究 制备方法：气相氧化法、液相氧化法和固相氧 化法 无论那一种方法，都是将碳纳米管经活化 处理及后处理得到活性炭纳米管。

29 （三）活性炭纤维 v活性炭纤维（ACF）是继粉末活性炭（PAC ）和粒状活性炭（GAC）之后的第三代活性 碳材料 v现在的ACF是碳纤维（CF）及可碳化纤维经 物理活化、化学活化，或两者兼有的活化反 应所制得的具有丰富和发达孔隙结构的功能 型碳纤维 30 常用的ACF有：黏胶、酚醛纤维、聚丙烯晴（ PAN）、沥青、聚酰亚胺纤维、聚苯乙烯纤维 及空心纤维等 应用：多做为吸附材料、催化剂载体、电极材 材料等 31 谢 谢！ 3232 。