胶体与表面 化学
常用吸附剂---活性炭
主 讲 组 员
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简介 制备工艺流程 性能特点 应用实例
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简介
活性炭又称活性炭黑。是黑 色粉末状或颗粒状的无定形 碳。活性炭主成分除了碳以 外还有氧、氢等元素。活性 炭在结构上，由于微晶碳是 不规则排列，在交叉连接之 间有细孔，活化时会产生碳 组织缺陷，因此它是一种多 孔性含碳物质，具有很强的 吸附能力。它不仅可以作为 吸附剂，还可以作为脱色剂 和催化剂载体，使它在化学 工业、国防工业、环境保护、 食品工业等方面得到了广泛 的应用。
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制备工艺流程
• (5) 活化剂流速及浓度的影响 • 活化剂的流速大，它与炭反应速率增加，使烧失率增加，产生不均匀活化，导 致微孔减少。活化剂流速低时，孔容积反而增加，因此活化剂适当的流速是保 证活性炭质量的因素之一。 • 下表是水蒸气用量与活化时间的关系。以水蒸气为活化剂，在一定温度下水蒸 气的用量大，可以缩短活化时间，但在不同的温度下，缩短的活化时间不同。 经过试验数据，活化温度在850℃增加到930℃时，CO2的浓度可提高一倍。CO2 作为活化介质，其浓度提高可加快反应速度。
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应用实例
（一）活性炭微球
• 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。
• 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。 • 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。
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制备工艺流程
2.3、活性炭的生产工艺流程图
以太西无烟煤作为主 原料为例。原料煤入 厂后，被粉碎到一定 细度（一般为200目）， 然后配入适量黏结剂 （一般为煤焦油）在 混捏设备中混合均匀， 然后在一定压力下用 一定直径模具挤压成 炭条，炭条经炭化、 活化后，经筛分、包 装制成成品活性炭
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性能特点
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制备工艺流程
2.1.1、炭化主要目的
• （1）排除成型料中的挥发份及水分； • （2）提高炭化料强度，煤焦油中的沥青成分形成了基本骨 架； • （3）使炭颗粒形成初步孔隙。 2.1.2、温度对炭化的影响 • 炭化温度直接影响炭化产物的孔隙结构和强度。温度过低 炭化产物无法形成足够的机械强度，温度过高则会促使炭 化产物中的石墨微晶有序变化，减少微晶之间的空隙，影 响活化造孔过程。
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吸附 特性
性能特 点
可再 生性
催化剂 载体
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性能特点
• 吸附特性
• 活性炭的吸附特性主要依靠两个方面：
①自身独特的孔隙结构
②分子之间相互吸附的作用力。 而自身独特的空隙结构是活性炭具有吸附特性的主要 原因。
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性能特点
①自身独特的孔隙结构
• 因为活性炭内部孔隙结 构发达，,有很大的表面 积,而且炭粒中还有更细 小的孔----毛细管.这种毛 细管具有很强的吸附能 力,由于炭粒的表面积很 大, 能与气体(杂质)充分 接触,当这些气体(杂质) 碰到毛细管就被吸附,所 以活性炭有着很强的吸 附特性。
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性能特点
②分子之间相互吸附的作用力
• 因为分子之间拥有相互吸 引的作用力，就象磁力一 样，所有的分子之间都具 有相互引力。正因为如此， 活性炭孔壁上的大量的分 子可以产生强大的引力， 从而达到将有害的杂质吸 引到孔径中的目的，直到 添满活性炭内孔隙为止
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性能特点
• 催化剂载体特性
由于活性炭具有发达的细孔结构、巨大的内表面积和很好的耐热性、耐酸性、耐碱性， 可作为催化剂的载体。例如，有机化学中加氢、脱氢环化、异构化等的反应中，活性 炭是铂、钯催化剂的优良载体。以活性炭作为催化剂载体的作用： ①分散作用 多相催化是一种界面现象，因此要求催化剂的活性组分具有足够的表面积，这就需要 提高活性组分的分散度，使其处于微米级和原子级的分散状态。载体可以分散活性组 分为很小的粒子，并保持其稳定性。 ②稳定化作用 载体可以对催化剂起到稳定化作用，防止活性组分的微晶发生半熔或再结晶。 ③支撑作用 载体可赋予固体催化剂一定的形状和大小，使之符合工业反应对其流体力学条件的要 求 ④传热和稀释作用 对强放热或强吸热反应，通过选用导热性好的催化剂载体，可以及时移走反应热量， 防止催化剂表面温度过高。 ⑤助催化作用 载体除上述物理作用外，还有化学作用。载体和活性组分或助催化剂产生化学作用会 导致催化剂的活性、选择性和稳定性发生变化。
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应用实例
• 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
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应用实例
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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。
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制备工艺流程
• (6)炭化料灰分的影响 • 炭化料中无机成分在炭化和活化过程中，大部分转化为灰分，它是影响 活性炭强度主要因素，在灰分与碳接触的界面上，灰分会造成裂纹，影 响活性炭的强度。无机物中的碱金属，铜，铁等氧化物和碳酸盐，对碳 和水蒸气的反应有催化作用，因此，在炭化料中加入少量的钴、铁、钒、 镍等氧化物，可加速碳与水蒸气的反应。 • (7) 炭粒度的影响
• （2）物理化学联合活化法 • 一般先进行化学药品活化，然后进行物理活化。由物理活化法特别是用水蒸气活化制 成的产品，微孔发达，对气相物质有很好的吸附力；由化学药品活化法制得的活性炭 次微孔发达，多用于液相吸附。 • （3）物理活化法（气体活化法） • 在活化过程中通入气体活化剂如二氧化碳，水蒸气，空气等。
煤质活性炭：以褐煤、泥煤、烟煤、 无烟煤等制成的活性炭
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制备工艺流程
活性炭的制备主要包括炭化和活化两个阶段。
2.1、炭化
所谓炭化就是把有机原料在隔绝空气的条件下加热以减少非碳成分，制出适合 于后一步活化反应的碳质材料。炭化通常都在1000℃以下进行，有下面3个阶 段。 ①在400 ℃以下，发生脱水，脱酸等一次分解反应，但炭中还残存—O—结合 ②在400-700 ℃ ，—O— 结合被破环，氧以H2O，CO，CO2等形式析出而芳核 间的结合开始形成。 ③脱氢，芳核间大量产生并直接结合，形成二维平面结构的中间物，同时结合 上—CH2— ，形成三维立体结构。
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应用实例
制备工艺流程如下：
煤沥青或石油渣油
调制
高软化点沥青
球形化 添加剂
沥青球
球型活性炭
碳化，活化 N2+活化剂，≥900℃
不熔℃
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。
• 炭颗粒小，活化速度快，这是显而易见的道理。粒度过大，活化反应受 活化剂在炭颗粒内扩散速度的影响，活化剂与炭的接触面积小，会发生 颗粒外部已烧失，而内部还未活化的现象。颗粒过小，活化气流通过阻 力加大，也达不到均匀活化的目的，因此炭粒的粒度直接影响活化速度 和活化均匀程度，炭的粒度要均匀。在反应过程中，炭粒度逐渐变小， 有利于活化，但灰分附在炭颗粒外表面，会影响活化剂的作用。
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性能特点
• 可再生性
• 活性炭在环境保护，工业与民用方面己被大量使用，并且取得了相 当的成效，然而活性炭在吸附饱合被更换后，若使用单位均将其废 弃，掩埋或烧掉，会造成资源的浪费和对环境的再污染。因此活性 炭的可再生性具有格外重要的意义。活性炭吸附是一个物理过程， 可以采用高温蒸汽将使用过的活性炭内之杂质进行脱附，并使其恢 复原有之活性，以达到重复使用的目的，具有明显的经济效益。再 生后的活性炭其用途仍可连续重复使用及再生。但每次再生约损耗 5～10％ ，且吸附容量也会逐次减少
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应用实例
（三）活性炭纤维
• 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。 • 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。 • 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。
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制备工艺流程
2.2.1、影响炭活化的主要因素 • (1) 活化温度的影响 • 活化是炭和活化剂在高温下进行的反应。随着温度的升高， 反应速度加快，活化速率加大，但是太高易造成不均匀活 化。在不同的活化温度下，生产的活性炭孔结构不同。活 化温度过高，微孔减少，吸附力下降。一般水蒸气活化法 的活化温度控制在800-950℃，烟道气的活化温度控制在 900-950℃，空气的活化温度控制在600℃左右。
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制备工艺流程
(2)活化剂种类对活化过程的影响
炭的气化燃烧反应的相对速度(800℃,10.1KPa)
在相同的温度下，不同的活化剂化学性质不同，它与炭的反应速度 也不同。从上表中可以看出空气、水蒸气和二氧化碳活化的相对速 度对比。如炭和氧的反应速度较快，活化温度只需600℃左右即可； 而用水蒸气则需800-950℃。但由于水蒸气能充分地扩散到炭的微孔 内，使活化反应能在整个炭颗粒内均匀进行，所以得到比表面积大、 吸附能力强的活性炭。总的认为， CO2和水蒸汽作为活化剂活化的效 果较好。
按孔径大小分：1.大孔（孔径>500A°） 2.过渡孔（孔径20 A ～500A°） 3.微孔 （孔径< 20A°）