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活性炭


 

使用
活性炭用于甲烷和氢气储存, 空气净化 , 脱咖啡因 , 金净化 , 金属提取 , 水净化 , 医药 , 污水处理 , 防毒面具和呼吸器中的空气过滤器,压缩空气过滤器,牙齿美白,以及许多其他应用程序。

工业应用
一个主要的工业应用涉及在金属表面处理中使用活性炭来纯化电镀溶液。 例如,它是从光亮镀镍溶液中除去有机杂质的主要纯化技术。 在电镀液中加入各种有机化学品,以提高其沉积质量,提高亮度,光滑度,延展性等性能。由于直流电流和阳极氧化和阴极还原的电解反应,有机添加剂会产生不需要的分解产物解决方案。 它们的过度堆积会对镀敷质量和熔敷金属的物理性质产生不利影响。 活性炭处理除去了这些杂质并将电镀性能恢复到所需水平。

医疗用途
主要文章: 活性炭(药物)

用于医疗用途的活性炭
活性炭用于治疗口服摄入后的 中毒和过量 。 活性炭的片剂或胶囊在许多国家用作治疗腹泻 , 消化不良和胃肠胀气的非处方药。

然而,它对于许多中毒是无效的,包括强酸或碱 , 氰化物 , 铁 , 锂 , 砷 , 甲醇 , 乙醇或乙二醇 。

不正确的应用(例如进入肺部 )导致肺吸入 ,如果不立即开始治疗,有时可能致命。

分析化学应用
活性炭,50% w / w与硅藻土的组合,用作碳水化合物 (单糖 ,二糖 )的低压色谱分离中的固定相,使用乙醇溶液(5-50%)作为分析或制备中的流动相协议。

环境应用

活性炭通常用于水过滤系统。 在该图中,活性炭处于第四级(从底部开始计数)。
碳吸附在去除现场和工业过程中的空气或水流中的污染物方面具有多种应用,例如:

溢出清理
地下水 修复
饮用水 过滤
空气净化
挥发性有机化合物可从油漆 , 干洗 ,汽油分配操作和其他过程中捕获。
在美国1974年安全饮用水法案的早期实施期间,美国环保局官员制定了一项规定,建议要求饮用水处理系统使用颗粒状活性炭。 由于成本高昂,所谓的GAC规则在全国范围内受到供水行业的强烈反对,包括加州最大的水务公司。 因此,该机构搁置了该规则。 由于其多功能性,活性炭过滤是一种有效的水处理方法。 有特定类型的活性炭过滤方法和设备 - 根据所涉及的污染物。
活性炭也用于测量空气中的氡浓度。

农业使用
活性炭(木炭)是有机农民在畜牧生产和酿酒过程中使用的一种允许物质。 在畜牧业生产中,它被用作农药,动物饲料添加剂,加工助剂,非农业成分和消毒剂。 在有机酿酒过程中,活性炭可用作加工剂,从白葡萄浓缩物中吸附棕色颜料。

蒸馏酒精饮料净化
另见: 林肯县进程
活性炭过滤器(AC过滤器)可用于过滤伏特加和威士忌中的有机杂质,这些杂质会影响颜色,味道和气味。 通过活性炭过滤器以适当的流速通过有机不纯的伏特加酒将产生具有相同酒精含量的伏特加酒并且通过气味和味道判断显着增加的有机物纯度。 [ 引证需要 ]

燃料储存
正在研究测试各种活性炭储存天然气和氢气的能力 。 多孔材料就像海绵一样,用于不同类型的气体。 通过范德瓦尔斯力将气体吸引到碳材料上。 一些碳能够达到每摩尔5-10千焦的键能。 然后,当经受较高温度时,气体可以被解吸,或者燃烧以进行工作,或者在氢气被提取用于氢燃料电池的情况下 。 活性炭中的气体储存是一种吸引人的气体储存方法,因为气体可以储存在低压,低质量,低体积的环境中,这比车辆中庞大的车载压力罐更可行。 美国能源部已经规定了在纳米多孔碳材料的研究和开发领域要实现的某些目标。 所有目标尚未得到满足,但包括ALL-CRAFT计划, 在内的众多机构正在继续在这一充满希望的领域开展工作。

气体净化
带有活性炭的过滤器通常用于压缩空气和气体净化,以去除空气中的油蒸气,气味和其他碳氢化合物 。 最常见的设计采用1级或2级过滤原理,其中活性炭嵌入过滤介质内。

活性炭过滤器用于将放射性气体保留在从核沸水反应堆涡轮冷凝器抽真空的空气中。 大的木炭床吸附这些气体并保留它们,同时它们迅速腐烂成非放射性固体物质。 固体被捕获在木炭颗粒中,而过滤后的空气通过。

化学净化
活性炭通常用于实验室规模以纯化含有不需要的有色有机杂质的有机分子溶液。

在活性炭上的过滤用于大规模精细化学和制药过程以用于相同目的。 将碳与溶液混合,然后过滤掉或固定在过滤器中。

水银擦洗
通常注入硫或碘的活性炭广泛用于捕获燃煤发电站 ,医疗焚烧炉和井口天然气的汞排放。 这种碳是一种特殊产品,每公斤价格超过4.00美元。 [ 引证需要 ]

由于它经常不被回收,因此含汞活性炭存在处置困境。 [14]如果活性炭含汞量低于260 ppm,美国联邦法规允许其稳定(例如,被困在混凝土中)进行填埋。 [ 引证需要 ]但是,含有超过260 ppm的废物被认为属于高汞子类别,并被禁止填埋(Land-Ban Rule)。 [ 引证需要 ]这种材料现在在仓库和深度废弃的矿山中累积,估计每年100吨。 [ 引证需要 ]

处理含汞活性炭的问题并非美国独有。 在荷兰,这种汞主要被回收[ 需要引证 ] ,活性炭通过完全燃烧处理。

制作
活性炭是由碳质原料如竹子,椰子壳,柳树泥 , 木材 , 椰壳 纤维 , 褐煤 , 煤和石油沥青生产的碳。 它可以通过以下过程之一生成:

物理活化 :使用热气体将源材料发展成活性炭。 然后引入空气以燃烧气体,产生分级,筛分和除尘形式的活性炭。 这通常通过使用以下过程中的一个或组合来完成:
碳化 :碳含量的材料在600-900℃的温度下热解 ,通常在惰性气氛中用氩气或氮气等气体热解
活化/氧化 :原料或碳化材料在高于250℃的温度下暴露于氧化气氛(氧气或蒸汽),通常在600-1200℃的温度范围内。
化学活化 :在碳化之前,原料浸渍有某些化学物质。 该化学品通常是酸 ,强碱, [1] [2]或盐 [15] ( 磷酸 , 氢氧化钾 , 氢氧化钠 , 氯化钙和氯化锌 25%)。 然后,原料在较低温度(450-900℃)下碳化。 据信碳化/活化步骤与化学活化同时进行。 [ 需要澄清 ]由于较低的温度和较短的活化材料所需的时间,化学活化优于物理活化。
分类
活性炭是复杂的产物,难以根据其行为,表面特征和其他基本标准进行分类。 然而,基于它们的尺寸,制备方法和工业应用,对于通用目的进行了一些广泛的分类。

粉状活性炭
另见: 粉末状活性炭处理

在光学显微镜下在明视场照明下的活性炭(R 1)的显微照片 。 注意颗粒的分形状形状暗示着它们巨大的表面区域。 该图像中的每个颗粒,尽管仅约0.1mm,但可具有几平方厘米的表面积。 整个图像覆盖约1.1×0.7mm的区域,并且全分辨率版本的尺度为6.236像素/ μm 。
通常,活性炭(R 1)以颗粒形式制成粉末或细小颗粒,其尺寸小于1.0mm,平均直径为0.15-0.25mm。 因此,它们具有大的表面与体积比,具有小的扩散距离。 [ 需要澄清 ]活性炭(R 1)定义为保留在50目筛(0.297mm)上的活性炭颗粒。

PAC材料是更精细的材料。 PAC由粉碎或磨碎的碳颗粒组成,其中95-100%将通过指定的网筛 。 ASTM将通过80目筛(0.177mm)和更小颗粒的颗粒分类为PAC。 由于可能发生的高水头损失 ,在专用容器中使用PAC是不常见的。 相反,PAC通常直接添加到其他工艺单元,例如原水进口,快速混合盆,澄清器和重力过滤器。

颗粒状活性炭

扫描电子显微镜下活性炭(GAC)的 显微照片
与粉末状活性炭相比,粒状活性炭(GAC)具有相对较大的粒度,因此具有较小的外表面。 因此吸附物的扩散是一个重要因素。 这些碳适用于吸附气体和蒸汽,因为它们迅速扩散。 颗粒状碳用于水处理 ,除臭和流动系统组分的分离,也用于快速混合盆地。 GAC可以是颗粒状或挤出形式。 对于液相应用,GAC指定为8×20,20×40或8×30的尺寸,对于气相应用,指定为4×6,4×8或4×10。 20×40碳是由颗粒制成的,这些颗粒将通过美国标准网格尺寸20号筛(0.84毫米)(通常规定为85%通过),但保留在美国标准网格尺寸40号筛(0.42毫米)上)(通常指定保留95%)。 AWWA(1992)B604使用50目筛(0.297 mm)作为最小GAC尺寸。 最受欢迎的水相碳是12×40和8×30尺寸,因为它们具有良好的尺寸,表面积和水头损失特性的平衡。

挤压活性炭
挤出活性炭(EAC)将粉末状活性炭与粘合剂混合,将其熔合在一起并挤出成直径为0.8-130mm的圆柱形活性炭块。 它们主要用于气相应用,因为它们具有低压降,高机械强度和低灰尘含量。 也作为CTO过滤器(氯,味道,气味)出售。

珠子活性炭(BAC)
珠子活性炭(BAC)由石油沥青制成,直径约为0.35至0.80毫米。 与EAC类似,它也因其低压降,高机械强度和低粉尘含量而着称,但粒度较小。 其球形使其优选用于流化床应用,例如水过滤。

浸渍碳
含有几种无机浸渍物如碘 , 银 , 阳离子如Al,Mn,Zn,Fe,Li,Ca的多孔碳也已经制备用于特别是在博物馆和画廊中的空气污染控制中。 由于其抗微生物和防腐性能,载银活性炭被用作净化生活用水的吸附剂。 通过用活性炭和Al(OH) 3 (一种絮凝剂 )的混合物处理天然水,可以从天然水中获得饮用水。 浸渍碳也用于吸附硫化氢( H 2 S )和硫醇 。 据报道,H 2 S的吸附率高达50%(重量)。

聚合物涂层碳
这是一种可以用生物相容性聚合物涂覆多孔碳以提供光滑且可渗透的涂层而不堵塞孔的方法。 所得的碳可用于血液灌流 。 血液灌流是一种治疗技术,其中大量患者的血液通过吸附剂物质以从血液中去除有毒物质。


编织活性炭布
编织碳
有一种将技术人造纤维加工成活性炭布进行碳过滤的技术 。 活性布的吸附容量大于活性炭的吸附容量( BET理论表面积:500-1500m 2 / g,孔体积:0.3-0.8cm 3 / g)。 由于不同形式的活性材料,它可以用于广泛的应用( 超级电容器 ,气味吸收器, CBRN国防工业等)。

属性
一克活性炭可以具有超过500平方米(5,400平方英尺)的表面积,可以容易地实现3,000平方米(32,000平方英尺)。 碳气凝胶虽然更昂贵,但具有更高的表面积,可用于特殊应用。

在电子显微镜下 ,显示出活性炭的高表面积结构。 单个颗粒强烈地卷曲并显示出各种孔隙 ; 可能存在许多区域,其中石墨状材料的平坦表面彼此平行, [2]仅相隔几纳米左右。 这些微孔为吸附发生提供了极好的条件,因为吸附材料可以同时与许多表面相互作用。 吸附行为的测试通常使用氮气在77 K高真空下进行 ,但在日常生活中,活性炭完全能够通过从其环境中吸附来自100°C(212°F) 蒸汽的液态水产生等效物。压力为1 / 10,000的大气压 。

杜瓦( 真空瓶 )被命名的科学家詹姆斯·杜瓦 ( James Dewar )花了很多时间研究活性炭,并发表了一篇关于其对气体吸附能力的论文。 [16]在本文中,他发现将碳冷却到液氮温度使其能够吸附大量的大量气体,然后通过简单地让碳再次变暖来回收,而椰子基碳则是优越的效果。 他以氧气为例,其中活性炭通常在标准条件下吸附大气浓度(21%),但如果碳首先冷却至低温则释放超过80%的氧气。

物理上,活性炭通过范德华力或伦敦分散力结合材料。

活性炭不能很好地与某些化学物质结合,包括醇类 , 二醇 , 强酸和碱 , 金属和大多数无机物 ,如锂 , 钠 , 铁 , 铅 , 砷 , 氟和硼酸。

活性炭很好地吸附碘 。 碘容量mg / g( ASTM D28标准方法试验)可用作总表面积的指示。

一氧化碳不能被活性炭很好地吸附。 对于那些在呼吸器,通风橱或其他气体控制系统的过滤器中使用该材料的人来说,这应该是特别令人关注的,因为气体对人体感觉是不可检测的,对代谢和神经毒性有毒。

可以在线找到由活性炭吸附的常见工业和农业气体的大量清单。

活性炭可用作各种化学品应用的基质,以提高某些无机(和有问题的有机)化合物的吸附能力,如硫化氢 (H 2 S),氨(NH 3 ),甲醛(HCOH), 汞 (Hg)和放射性碘-131 ( 131 I)。 这种性质称为化学吸附 。

碘值
许多碳优先吸附小分子。 碘值是用于表征活性炭性能的最基本参数。 它是活动水平的量度(更高的数字表示更高的活化程度, [ 引用需要 ] ),通常以mg / g(典型范围500-1200mg / g)报告。 它是通过从溶液中吸附碘来测量活性炭的微孔含量(0至20,或至多2nm )。 它相当于碳的表面积在900和1100m 2 / g之间。 它是液相应用的标准测量方法。

碘值定义为当残余滤液中的碘浓度为0.02正常(即0.02N)时,1克碳吸附的碘的毫克数。 基本上,碘值是吸附在孔中的碘的量度,因此,表示目标活性炭中可用的孔体积。 通常,水处理碳的碘值范围为600至1100.通常,该参数用于确定使用中碳的耗尽程度。 但是,应谨慎对待这种做法,因为与吸附物的化学相互作用可能会影响碘摄取,从而产生错误的结果。 因此,如果已经证明碘值与吸附物没有化学相互作用,并且如果碘值与耗尽程度之间存在实验关系,则只能推荐使用碘值作为碳床耗尽程度的量度。已针对特定应用确定。

糖蜜
一些碳更擅长吸附大分子。 糖蜜数或糖蜜效率是通过从溶液中吸附糖蜜来测量活性炭的中孔含量(大于20,或大于2nm )。 高糖蜜数表明大分子的高吸附(范围95-600)。 焦糖dp(脱色性能)类似于糖蜜数。 糖蜜效率报告为百分比(范围40%-185%)和糖蜜数量平行(600 = 185%,425 = 85%)。 欧洲糖蜜数量(范围525-110)与北美糖蜜数量成反比。

糖蜜数量是标准糖蜜溶液的脱色程度的量度,该溶液已经针对标准化活性炭稀释和标准化。 由于有色体的大小,糖蜜数代表可用于较大吸附物质的潜在孔体积。 由于所有孔隙体积可能无法用于特定废水应用中的吸附,并且由于一些吸附物可能进入较小的孔隙,因此对于特定应用而言,它不是特定活性炭的价值的良好量度。 通常,该参数可用于评估一系列活性炭的吸附速率。 给定具有相似孔吸附体积的两种活性炭,具有较高糖蜜数的活性炭通常具有较大的进料孔,从而更有效地将吸附物转移到吸附空间中。

单宁
单宁是大中型分子的混合物。 具有大孔和中孔的组合的碳吸附单宁。 据报道,碳以百万分之一的浓度(范围200ppm-362ppm)吸附单宁的能力。

亚甲蓝
一些碳具有中孔( 20至50,或2至5nm)结构,其吸附中等尺寸的分子,例如染料亚甲基蓝 。 据报道,亚甲蓝吸附量为g / 100g(范围11-28g / 100g)。

脱氯
基于脱氯半衰期长度评估一些碳,其测量活性炭的除氯效率。 脱氯半值长度是将流动流的氯水平从5ppm降低至3.5ppm所需的碳的深度。 较低的半值长度表示优异的性能。

表观密度
活性炭的固体或骨架密度通常在2000至2100kg / m 3 (125-130lbs /立方英尺)的范围内。 然而,大部分活性炭样品将由颗粒之间的空气空间组成,因此实际或表观密度将较低,通常为400至500kg / m 3 (25-31磅/立方英尺)。

更高的密度提供更大的体积活性,通常表明质量更好的活性炭。 ASTM D 2854 -09(2014)用于确定活性炭的表观密度。

硬度/磨损数
它是衡量活性炭耐磨性的指标。 它是活性炭的重要指标,可以保持其物理完整性并承受摩擦力。 根据原料和活性水平,活性炭的硬度存在很大差异。

灰分
灰分降低了活性炭的总活性并降低了再活化的效率。 金属氧化物(Fe 2 O 3 )可以从活性炭中浸出,导致变色。 酸/水溶性灰分含量比总灰分含量更重要。 可溶性灰分对于鱼友来说非常重要,因为氧化铁可以促进藻类生长。 含有低可溶性灰分的碳应该用于海水,淡水鱼和珊瑚缸,以避免重金属中毒和过多的植物/藻类生长。 标准方法D 2866-2011用于测定活性炭的灰分含量。

四氯化碳活性
通过吸附饱和四氯化碳蒸气测量活性炭的孔隙率。

粒度分布
活性炭的粒径越细,表面积越大,吸附动力学速率越快。 在气相系统中,需要考虑压降,这将影响能量成本。 仔细考虑粒度分布可以提供显着的操作益处。 然而,在使用活性炭吸附金等矿物质的情况下,颗粒尺寸应在3.35-1.4毫米(0.132-0.055英寸)的范围内。 粒径小于1毫米的活性炭不适合洗脱(从活性炭中去除矿物质)。

性质和反应性的
酸碱,氧化还原和特定吸附特性强烈依赖于表面官能团的组成。 常规活性炭的表面具有反应性,能够被大气氧和氧等离子体氧化蒸汽, 还有二氧化碳 和臭氧 。

液相中的氧化由多种试剂(HNO 3 ,H 2 O 2 ,KMnO 4 )引起。 通过在氧化碳表面上形成大量碱性和酸性基团来吸附和其他性质可以与未改性形式显着不同。

活性炭可以通过天然产物或聚合物氮化[37] [38]或用氮化试剂处理碳。 活性炭可与氯 ,溴 和氟相互作用。与其它碳材料一样,活性炭的表面可以通过在液相中用(全)氟聚醚过氧化物[46]处理 ,或通过CVD法用各种含氟有机物质处理来进行氟烷基化。 这些材料将高疏水性和化学稳定性与导电性和导热性相结合,并且可以用作超级电容器的电极材料。

磺酸官能团可以连接到活性炭上以得到“星形”,其可以用于选择性催化脂肪酸的酯化。 由卤化前体形成这种活性炭产生更有效的催化剂,这被认为是剩余卤素改善稳定性的结果。 [50]据报道,化学接枝的超强酸位点-CF 2 SO 3 H合成了活性炭。

活性炭的一些化学性质归因于表面活性炭双键的存在 。 Polyani吸附理论是分析各种有机物质吸附到其表面的常用方法。

吸附实例
多相催化
工业中最常遇到的化学吸附形式发生在固体催化剂与气态原料(反应物)相互作用时。 反应物对催化剂表面的吸附产生化学键,改变反应物分子周围的电子密度并使其经历通常不能获得的反应。

重新激活和再生

世界上最大的再生工厂位于比利时Feluy [ fr ] 。

比利时鲁瑟拉勒的活性炭再活化中心。
活性炭的再活化或再生包括通过解吸活性炭表面上吸附的污染物来恢复饱和活性炭的吸附能力 。

热再激活
工业过程中最常用的再生技术是热再活化。热再生过程通常遵循三个步骤: 吸附剂干燥温度约为105°C(221°F)
在惰性气氛下高温解吸和分解(500-900°C(932-1,652°F))
在高温(800°C(1,470°F))下通过非氧化性气体(蒸汽或二氧化碳)进行残留有机气化
热处理阶段利用吸附的放热性质并导致吸附的有机物的解吸,部分裂化和聚合 。 最后一步旨在去除在前一阶段中在多孔结构中形成的烧焦有机残余物,并重新暴露多孔碳结构,从而再生其原始表面特征。 处理后,吸附柱可以重复使用。 每个吸附 - 热再生循环在5-15wt%的碳床之间被烧掉,导致吸附能力的损失。 由于高的所需温度使热再生成为一种能量和商业上昂贵的工艺,因此热再生是一种高能量工艺。 依赖于活性炭的热再生的植物必须具有一定的尺寸才能在现场具有再生设施在经济上可行。 因此,较小的废物处理场所通常将其活性碳核运送到专用设施进行再生。

其他再生技术
目前对活性炭热再生的高能量/成本性质的关注促进了对替代再生方法的研究,以减少这些过程的环境影响。 尽管所引用的几种再生技术仍然是纯粹的学术研究领域,但是热再生系统的一些替代方法已经在工业中使用。 目前的替代再生方法是:

化学和溶剂再生
微生物再生
电化学再生
超声波再生
湿空气氧化

 

 

 

 

 

 

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