活性炭化學(xué)組成

活性炭化學(xué)組成元素組成活性炭吸附特性不僅和它的孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與它的化學(xué)組成也有密切關(guān)系?；钚蕴克饕厥翘?，一般含量在90%-95%左右。氧和氫大部分是以化學(xué)鍵和碳原子相結(jié)合形成有機(jī)官能團(tuán)，氧含量為4%-5%，氫含量在1%-2%左右?；钚蕴康谋砻婀倌軋F(tuán)在制備活性炭的活化反應(yīng)中，微孔進(jìn)一步擴(kuò)大形成了許多大小不同的孔隙，孔隙表面一部分被燒掉，化學(xué)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了缺陷或不完整，此外由于灰分及其他雜原子的存在，使活性炭的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷和不飽和鍵，使氧和其他雜原子吸附于這些缺陷上與層面和邊緣上的碳反應(yīng)形成的各種鍵，以至形成各種表面功能基團(tuán)，因而使活性炭產(chǎn)生了各種各樣的吸附性能?；钚蕴康谋砻婀倌軋F(tuán)對(duì)活性炭的吸附性質(zhì)產(chǎn)生重要影響的化學(xué)基團(tuán)主要是含氧官能團(tuán)和含氮官能團(tuán)。

Boehm等又把活性炭的表面官能團(tuán)分成三組：酸性、堿性和中性。酸基團(tuán)為羧基（－COOH）、羥基（-OH）和羰基（-C＝O）；堿性基團(tuán)為-CH2或-CHR基；-CH2或-CHR基能與強(qiáng)酸和氧反應(yīng)；中性基團(tuán)為醌型羰基?；钚蕴勘砻娴暮豕倌軋F(tuán)

活性炭表面的含氮官能團(tuán)

Boehm滴定法采用Boehm滴定法，可以對(duì)活性炭的表面含氧官能團(tuán)進(jìn)行定量分析。一般認(rèn)為NaHCO3僅中和炭表面的羧基，Na2CO3可中和炭表面的羧基和內(nèi)酯基，而NaOH可中和炭表面的羧基、內(nèi)酯基和酚羥基。根據(jù)堿的消耗量的不同，可以計(jì)算出相應(yīng)官能團(tuán)的量。澤塔電位在體系外部加上電場(chǎng)時(shí)，帶電的固體顆粒便向著與其電荷相反的電極方向移動(dòng)(電泳)。此時(shí)，在雙電層上形成了從顆粒表面開(kāi)始的一至幾個(gè)分子層的固定層，固定在表面上并與顆粒一起移動(dòng)。處于其外側(cè)的液體稱作移動(dòng)層，不固定在顆粒的表面上而停留在原處。該面定層與移動(dòng)層的境界面稱作滑動(dòng)面；此滑動(dòng)面勺遠(yuǎn)離顆粒表面的均勻的溶液本體之間的電位差，便是澤塔電位(ζ電位)。固體表面的雙電層與澤塔電位X射線光電子能譜XPS（X-rayphotoelectronspectroscopy)

是一種有效的檢測(cè)表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析手段。光電效應(yīng)價(jià)電子、內(nèi)層電子結(jié)合能高能X射線原子光電子(逃逸深度0.5-2nm)表面的元素組成、及元素的結(jié)合形式X射線光電子能譜含氮表面官能團(tuán)的xps能譜X射線光電子能譜含氮表面官能團(tuán)的xps能譜傅立葉紅外變換光譜FT-IR(Fouriertransforminfraredspectroscopy)FT-IR分子的轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)、振動(dòng)態(tài)吸附物中心被吸附與表面間鍵合性質(zhì)活性炭的特殊性：黑色、吸光程序升溫脫附Temperatureprogrammeddesorption(TPD)熱重?zé)嶂谾T-IRMS質(zhì)譜MassSpectrometry活性炭的性能檢測(cè)物理性能檢測(cè)水分、灰分、揮發(fā)份、固定碳、強(qiáng)度（耐磨、抗碎）等。強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)、打擊組合耐磨、抗碎％裝填密度100ml量筒g/cm3

漂浮率液相漂浮%活性炭的性能檢測(cè)吸附性能檢測(cè)碘值微孔的表征生產(chǎn)中應(yīng)用最廣mg/g

亞甲基藍(lán)中孔的表征分光光度計(jì)mg/g

四氯化碳吸附率氣相吸附能力％

一定溫度條件下，一定四氯化碳蒸汽濃度通過(guò)活性炭床層，60min/15min飽和此外，水容量、苯酚、飽和硫容量、穿透硫容量、防護(hù)時(shí)間等。分子探針－模型化合物活性炭的性能檢測(cè)化學(xué)性能檢測(cè)工業(yè)分析元素分析有害雜質(zhì)

pH值、水溶物含量、酸溶鐵、重金屬、微量元素等其它活性炭的制備－原材料選擇制備活性炭的原材料非常廣泛，主要可分為三大類：植物類、礦物類和樹(shù)脂類。植物類原材料有：木材、果殼、農(nóng)業(yè)廢棄物等；礦物類原材料有：煤、石油焦等；樹(shù)脂類原料主要有：酚醛樹(shù)脂等。對(duì)煤焦油、廢舊輪胎等工業(yè)廢棄物進(jìn)行適當(dāng)處理也可以生產(chǎn)出具有一定吸附能力的活性炭，還可以解決城市中部分廢棄物的處理問(wèn)題，具有重要環(huán)保意義，并能創(chuàng)造出一定的經(jīng)濟(jì)效益活性炭的制備－制備方法制備工藝過(guò)程：活化炭化前處理粒度、灰分化學(xué)活化法物理－化學(xué)活化法物理活化法活性炭的制備－炭化炭化可以去除小分子有機(jī)物及揮發(fā)分，得到適宜于活化的初始孔隙和具有一定機(jī)械強(qiáng)度的炭化料。炭化實(shí)質(zhì)是原材料中有機(jī)物的熱解過(guò)程，包括熱分解反應(yīng)和縮聚反應(yīng)。F.Rodriguez-Reinoso

認(rèn)為，植物類原材料(如椰殼、橄欖核等)的炭化過(guò)程可大致分為三個(gè)階段：

①在300K-470K溫度范圍內(nèi)脫水；②470K-770K時(shí)初步熱解，大部分氣體和焦油揮發(fā)出來(lái)，形成基本炭框架；③770K-1120K時(shí)炭架結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，并有微小失重。隨著炭化溫度升高，燒失率顯著增加，同時(shí)顆粒也在收縮，炭化料堆密度略有降低?；钚蕴康闹苽洌罨?/p>

物理活化法用合適的氧化性氣體（水蒸氣、二氧化碳、氧氣或空氣）對(duì)炭化物進(jìn)行活化處理，通過(guò)開(kāi)孔、擴(kuò)孔和創(chuàng)造新孔，形成發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)。一般活化過(guò)程中發(fā)生如下反應(yīng)：

C+H2O=H2+CO（△H=117KJ/mol）

C+CO2=2CO（△H=159KJ/mol）通過(guò)上述兩反應(yīng)消耗碳原子，從而創(chuàng)造出豐富的微孔?；钚蕴康闹苽洌罨锢砘罨挠绊懸蛩鼗钚蕴康目紫堵食伺c制備活性炭的原材料性質(zhì)有關(guān)外，還與炭化、活化條件（如炭化溫度、炭化時(shí)間、活化溫度、活化時(shí)間、等）有著密切的關(guān)系。利用物理活化法制備HSSAAC時(shí)往往添加催化劑進(jìn)行催化活化。如日本專利采用過(guò)度金屬化合物作催化劑，不僅減少了反應(yīng)時(shí)間，而且獲得了比表面積達(dá)到2000～2500m2/g的HSSAAC。有代表性的過(guò)渡金屬化合物有Fe(NO3)3、Fe(OH)3、FeBr3、Fe2(SO4)3、Fe2O3、Ni(NO2)2、Co(NO2)2等。活性炭的制備－活化化學(xué)活化法化學(xué)活化法就是將化學(xué)藥品加入原料中，然后在惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行加熱，同時(shí)進(jìn)行炭化和活化的一種方法。常用的活化劑有堿金屬、堿土金屬的氫氧化物，無(wú)機(jī)鹽類以及一些酸類，目前應(yīng)用較多、較成熟的化學(xué)活化劑有KOH、NaOH、ZnCl2、CaCl2、H3PO4等，其中以KOH作為活化劑制得的活性炭吸附性能最優(yōu)異?；钚蕴康闹苽洌罨疜OH的活化機(jī)理立本英機(jī)曾研究過(guò)KOH與石油焦的混合物加熱升溫時(shí)所產(chǎn)生的氣體組成，所得結(jié)果如圖所示。

300℃左右開(kāi)始產(chǎn)生大量的水蒸氣

400℃左右時(shí)，氣體產(chǎn)物中開(kāi)始出現(xiàn)氫氣和甲烷，大于500℃時(shí)，才出現(xiàn)少量CO與CO2，這一點(diǎn)與水蒸氣活化時(shí)氣體產(chǎn)物的組成中存在大量CO和CO2是大不相同的?；钚蕴康闹苽洌罨碚摲治霰砻靼l(fā)生的主要反應(yīng)有：

2KOH→K2O+H2O脫水反應(yīng)

C+H2O→H2+CO水煤氣反應(yīng)

CO+H2O→H2+CO2水煤氣轉(zhuǎn)移反應(yīng)

K2O+CO2→K2CO3轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}

K2O+H2→2K+H2O生成金屬鉀

K2O+C→2K+CO生成金屬鉀氣體產(chǎn)物中主要成分是H2，僅觀察到極少量的CO、CO2、CH4及焦油狀的物質(zhì)。活化過(guò)程中選擇性反應(yīng)消耗掉的碳主要生成了K2CO3，選擇性反應(yīng)的結(jié)果使產(chǎn)物具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和很大的比表面積。當(dāng)溫度上升到800℃左右時(shí)，反應(yīng)體系中出現(xiàn)金屬鉀蒸汽（金屬鉀的沸點(diǎn)為762℃），這是由于高溫下，K2O被H2或碳還原的結(jié)果。顯然金屬鉀的蒸汽不斷的擠入已生成的微孔和石墨微晶的層間還會(huì)繼續(xù)對(duì)活性炭起催化活化作用。活性炭的制備－活化活性炭的制備－活化活化過(guò)程中，活化劑首先會(huì)選擇原料煤中非碳原子（灰分）和一些活性較強(qiáng)的無(wú)序碳進(jìn)行反應(yīng)，形成初步的微孔結(jié)構(gòu)。隨著活化的進(jìn)行，除了生成新的微孔以外，KOH還可通過(guò)刻蝕已形成的微孔壁上的碳原子而起到擴(kuò)孔作用。因而孔徑分布逐漸變寬，孔容增大。活性炭的制備－活化物理-化學(xué)聯(lián)合活化法物理-化學(xué)聯(lián)合活化法就是將物理活化中的氣體和化學(xué)活化中的化學(xué)物質(zhì)相結(jié)合共同對(duì)炭材料進(jìn)行活化，使炭材料具有發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)的方法，這種方法可以得到性能較高的活性炭材料。采用物理-化學(xué)聯(lián)合活化法可以制備具有較高中孔率的HSSAAC。化學(xué)活化法活性炭的制備及其影響因素1.高純氮,2.氮?dú)鉁p壓閥,3.氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì),4.活化爐,5.活化釜,6.熱電偶,7.控溫儀,8.尾氣處理裝置活性炭的制備裝置活性炭的制備－活化劑用量不同用量的活化劑所制活性炭的N2吸附等溫線

活性炭的制備－活化劑用量不同用量的活化劑所制活性炭的孔徑分布

活性炭的制備－活化劑用量活性炭的比表面積、孔容與活化劑用量的關(guān)系

活性炭的制備－活化劑用量活性炭收率、表觀密度與活化劑用量的關(guān)系

SampleChemicalratioYield/%Density/g/cm3Iodinevalue/mg/gMethylenebluevalue/mg/gTACK1182.030.60139850TACK2279.030.382386328TACK3372.010.282697486TACK4462.040.212843508TACK5554.500.192956528不同堿炭比下活性炭的收率、表觀密度及吸附性能

活性炭的制備－活化劑用量活性炭的制備－活化溫度活性炭的比表面積、孔容與活化溫度的關(guān)系

活性炭的制備－活化溫度活性炭收率、表觀密度與活化溫度的關(guān)系

樣品溫度℃SBETm2/gVtcm3/g收率/%密度/g/cm3碘值/mg/g亞甲基藍(lán)/mg/gH175028431.5869.240.272602362H280030591.6662.040.212843508H385032031.7360.530.202870532H490033111.7859.890.192880543不同活化溫度下活性炭的孔結(jié)構(gòu)、收率、表觀密度及吸附性能

活性炭的制備－活化溫度活性炭的比表面積、孔容與活化時(shí)間的關(guān)系

活性炭的制備－活化時(shí)間活性炭的制備－活化時(shí)間活性炭收率、表觀密度與活化時(shí)間的關(guān)系

活性炭的制備－活化時(shí)間樣品溫度℃SBETm2/g中孔率％收率/%密度g/cm3碘值/mg/g亞甲基藍(lán)/mg/gT10.5298760.2363.270.212838494T21305963.8662.040.212843508T32452688.6660.140.193030568T43363190.1359.590.192865527不同活化時(shí)間下活性炭的孔結(jié)構(gòu)收率、表觀密度及吸附性能

活性炭的制備－活化劑不同組成的活化劑所制活性炭的N2吸附等溫線

活性炭的制備－活化劑活性炭比表面積、孔容與活化劑組成的關(guān)系

活性炭的制備－活化劑不同組成的活