煤基(煤质)活性炭的概念

发布时间:2021/5/26 11:47:37 浏览次数:248
文章来源:www.590.com网络部 作者:www.590.com小编

      煤基活性炭是一种以煤为主要原料制备的、具有丰富的孔隙结构和较大比表面积的碳质吸附剂。煤基活性炭呈暗黑色,化学稳定性和热稳定性好,能够耐酸、耐碱腐蚀,不溶于水和有机溶剂,能经受水浸、高温和高压的作用,失效后可以再生。基于这些特性,煤基活性炭被广泛应用于工业、农业、国防、交通、医药卫生、环境保护等领域,其需求量随着社会发展和人民生活水平的提高,呈逐年上升的趋势,尤其是近年来随着环境保护要求的日益提高,使得国内外煤基活性炭的需求量越来越大,逐年增长。几种煤基活性炭的特性见表1-1。

                                        表1-1 国内外常用的几种煤基活性炭

型  号

日本

美国

中国

原料与形状

煤,无定形

煤,无定形

煤,柱状

粒度/目

8~32

12~24

10~12

装填密度/(g/L)

475

480

450~530

真密度/(g/L)

2.0-2.2

2.2

比表面积/(㎡/g)

850

1020

900

微孔容积/(mL/g)

0.88

0.81

0.80

平均半径/nm

4.1

2.1

强度/%

90

87

>75

 

2 煤基活性炭的结构与性质

2.1 煤基活性炭的原子结构

煤基活性炭的原子结构是一种含石墨微晶的乱层结构(图1-1)。所谓石墨微晶乱层结构是类似于石墨的二向结构,但其结构和石墨有所不同,平行的层片对于它们的共同的垂直轴并不是完全定向的,各平面不规则地相互重叠,从而形成乱层排列结构。zui常见的基本微晶约由3~4个平行的石墨层片组成,它的直径约为一个碳的六角体宽度的9倍,基本微晶的大小常由于活化或者炭化温度的升高而增大。石墨状微晶间的空隙构成了孔隙,各微晶大小不等,微晶结构并不均匀,由此赋予了活性炭宏观上的吸附能力。此外,活性炭的构成元素除碳外,还有氮、氧、氢等其他元素,它们以表面官能团的形态存在,因而导致活性炭具有不同的表面化学性质。

图1-1炭微晶中的乱层结构

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2.2  煤基活性炭的孔隙结构

煤基活性炭具有丰富的孔隙结构,形成了巨大的比表面积,使其具有吸附气体和液体分子的能力,因此,煤基活性炭的孔隙结构对其吸附性能有非常重要的影响。依据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)的分类标准,活性炭表面的孔隙分为三大类:孔隙直径大于50nm的为大孔;孔隙直径在2~50mm之间的为中孔;孔隙直径小于2nm的为微孔。不同的孔隙直径能够发挥出其相应的机能。

大孔是吸附发生时吸附质的通道,其比表面积一般很小,本身也无吸附作用。当活性炭用于催化领域时,较大的孔隙作为活性组分负载的场所是十分重要的,此外对于生物活性炭也可以提供微生物及菌类生存繁殖的场所。因此,催化剂载体和生物活性炭需要一定数量的大孔。

中孔在活性炭的应用中起着十分重要的作用。中孔发达的活性炭对有机大分子有很好的吸附作用,常用于除去溶液中较大的有色杂质或呈胶状分布的颗粒;其次,中孔作为吸附质进入微孔的通道,在吸附动力学中起着重要的作用。此外,在催化领域,炭的中孔是活性组分及各种化学药品的主要担载场所。中孔的比表面积一般为20~70㎡/g,也可以采用特殊的原料和工艺制得中孔发达的活性炭以增强活性炭的脱色效果和气相吸附性能,此时,其表面积可达200~700㎡/g。

微孔的比表面积一般可达800~1000㎡/g,通常约占活性炭总比表面积的90%~95%,具有很强的吸附作用。在吸附及充填过程中,其进程不仅依赖于孔隙形态,而且受吸附质性能以及吸附质-吸附剂间相互作用的影响。因此,微孔主要决定活性炭的吸附特性。

孔结构和孔形状对于吸附都有很大的影响,微孔碳结构中存在的孔隙有:开孔型与半闭孔型,如图1-2所示。

吸附分子的大小与活性炭孔隙的大小相适应时有利于吸附,一般认为当孔隙大小为吸附质分子的2~4倍时zui有利于吸附,因此,可以根据吸附质分子大小选择吸附性能zui好的活性炭。但一般活性炭的孔径并不均一,因而选择性吸附效果差。采用特殊的方法可以制成孔径基本均一的活性炭用于选择性吸附,这类活性炭称为碳分子筛。

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           图1-2 微晶石墨结构中可能的微孔模型示意图

2.3 煤基活性炭的元素组成

煤基活性炭所含的化学元素中的80%~90%以上是碳,这也是活性炭作为疏水性吸附剂的原因。此外还包含有两类其他元素;一类是化学结合的元素,主要是氧和氢,这类元素是由于原料未完全炭化而残留在炭中,或者在活化过程中,外来的非碳元素与炭表面化学结合,如用水蒸气活化时,炭表面被氧化或水蒸气氧化;另一类是灰分,主要来源于原料煤中所含的SiO2、Al2O3等灰分,它是活性炭的无机部分。

灰分的含量和组成受原料煤的影响很大,活化方法和后处理也有一定的影响,高灰活性炭的灰分可达10%左右。当原料灰分较高时,应先对原料进行脱灰处理以后再生产活性炭。灰分不仅对活性炭成品的使用性能影响较大,而且在活性炭的生产过程中也会造成影响。

氮和硫主要来源于原料中。在炭化及活化的过程中,大部分氮和硫会逸出,但仍会有微量残存在活性炭中。在某些特殊的应用场合,微量残存的氮原子会提高活性炭的催化活性。

活性炭中所含的其他微量杂质也必 须尽可能地加以控制,尤其是砷。煤基活性炭已成为饮用水处理zui主要的吸附剂,如用高砷煤生产活性炭会影响产品质量。

2.4 煤基活性炭的表面化学结构

煤基活性炭中微晶的大小和相互取向各不相同,微晶层晶格和其他层之间形成了桥键。同时,碳原子以外的其他杂原子或者结合在微晶的端部形成表面氧化物,或者进入碳原子的层内形成杂环化合物,打断了碳原子结合的规律性排列,从而形成了各种独特的表面化学性质。

氧和氢是煤基活性炭所含zui多的杂原子,大部分以化学键与碳原子结合形成有机官能团,形成了活性炭组成的有机部分。活性炭表面可能存在的几种含氧官能团如图1-3所示。

 

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                                                        图1-3 活性炭表面的含氧官能团

 

      在活性炭的表面,以含氧官能团的形式,分别存在着酸性官能团、中性官能团和碱性官能团。酸性官能团里有羧基(-COOH)、羟基(-OH)和羰基(-C=0);中性官能团里有醌型羰基;碱性官能团为(-CH2)基或者(-CHR)基。一般来讲,活性炭的氧含量越高,其酸性也越强。具有酸性表面基团的活性炭具有阳离子交换特性,氧含量低的活性炭表面表现出碱性特征以及阴离子交换特征。除了含氧基团以外,含氮官能团也对活性炭的性能产生显著影响,可以通过活性炭与含氮试剂反应和用含氮原料制备两种方式引入。活性炭表面可能存在的几种含氮官能团如图1-4所示。

 


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                                  图1-4 活性炭表面的含氮官能团

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