范文一：活性炭活化原理

活性炭的活化机理及应用

材研1407 朱明 2014200483

活性炭是一种非常优良的吸附剂，它是利用植物原料(木屑、木炭、果壳、果核)、煤和其它含碳工业废料作原料，通过物理和化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列工序加工制造而成。根据活化介质的不同，活性炭活化方法分为物理活化法、化学活化法和物理—化学复合活化法。物理活化水蒸汽、二氧化碳、空气或它们的混合气体对环境污染小，因其依靠氧化碳原子形成孔隙结构，活化温度较高且活性炭得率低。化学活化法活性炭得率较高，孔隙发达，吸附性能好。但此法对设备腐蚀性大，环境污染严重。热解能量循环利用困难。而且活性炭中残留化学药品．在应用方面受到限制。

一． 活性炭的活化机理

1. 物理活化法

物理活化法一般分两步进行，先将原料在500℃ 左右炭化，再用水蒸汽或CO2 等气体在高温下进行活化。高温下，水蒸汽及二氧化碳都是温和的氧化剂，碳材料内部C原子与活化剂结合并以CO+H 2或CO的形式逸出，形成孔隙结构。物理活化法所需的活化温度一般较化学活化法高，而且活化所需的时间也更长，因此耗能比较大，成本高。尽管有这些缺点，物理活化法在实际生产中的应用仍然十分广泛，原因在于其制得的活性炭无需过多 的后处理步骤，不像化学活化法制得的活性炭需要除去残留的活化剂。

将炭化材料在高温下用水蒸气、二氧化碳或空气等氧化性气体与炭材料发生反应，使炭材料中无序炭部分氧化刻蚀成孔，在材料内部形成发达的微孔结构。炭化温度一般在600℃，活化温度一般在800℃∽900℃。其主要化学反应式如下：

C+2H2O 2H2+CO2 △H=18kcal

C+H2O H2+CO △H=31kcal

CO2+C 2CO △H=41kcal

上述三个化学反应均是吸热反应，即随着活化反应的进行，活化炉的活化反应区域温度将逐步下降，如果活化区域的温度低于800℃，上述活化反应就不能正常进行，所以在活化炉的活化反应区域需要同时通入部分空气与活化产生的煤气燃烧补充热量，或通过补充外加热源，以保证活化炉活化反应区域的活化温度。

活化反应属于气固相系统的多相反应，活化过程中包括物理和化学两个过程，整个过程包括气相中的活化剂向炭化料外表面的扩散、活化剂向炭化料内表面的扩散、活化剂被炭化料内外表面所吸附、炭化料表面发生气化反应生成中间产物（表面络合物）、中间产物分解

成反应产物、反应产物脱附、脱附下来的反应产物由炭化料内表面向外表面扩散等过

活化反应通过以下三个阶段最终达到活化造孔的目的。

第一阶段是炭化时形成的但却被无序的碳原子及杂原子所堵塞的孔隙的打开，即高温下，活化气体首先与无序碳原子及杂原子发生反应。

第二阶段是打开的孔隙不断扩大、贯通及向纵深发展，孔隙边缘的碳原子由于具有不饱和结构，易于与活化气体发生反应，从而造成孔隙的不断扩大和向纵深发展。

第三阶段是新孔隙的形成，随着活化反应的不断进行，新的不饱和碳原子或活性点则暴露于微晶表面，于是这些新的活性点又能同活化气体的其它分子进行反应，微晶表面的这种不均匀的燃烧就不断地导致新孔隙的形成。

2. 化学活化法

化学活化法是通过将化学试剂嵌入炭颗粒内部结构，经历一系列的交联缩聚反应形成微孔。化学活化可一步进行，即直接升温到 700℃左右进行活化。在活化前，先将活化剂水溶液与原料以一定比例浸渍一段时间，烘干后再放入惰性气氛中升温进行活化。活化剂与原料的浸渍比是影响活性炭性能的一个重要因素，因此可以通过控制浸渍比以及不同的活化温度来制备所需的活性炭。化学活化法制得的活性炭产率高，而且其孔隙结构比物理活化法更加发达。按活化剂不同分ZnCl2法、KOH法、H3PO4法.相对于物理活化，化学活化有以下优点：化学活化需要较低的温度，活化产率高，通过选择合适的活化剂控制反应条件可制得高比表面积活性炭.但化学活化对设备腐蚀性大，污染环境，其制得的活性炭中残留化学药品活化剂，应用受到限制.

以 KOH作为活化剂为例， 原料破碎→与KOH混合→低温脱水(200～500℃)→高温活化(600～800℃)→酸洗→热水洗→蒸馏水洗→干燥→产品

在300～600℃时主要发生分子交联或缩聚反应，该阶段除一些非碳元素挥发出来外，焦油类物质的挥发是失重的主要原因。KOH的加入，抑制了焦油的生成，提高了反应收率。同时，KOH的加入，使得活化反应的实际温度降低了大约100℃，即在540℃左右就可反应。在此温度下，KOH的加入也加快了非碳原子N、H等的脱除，KOH活化反应成孔机理就是通过KOH与原料中的碳反应，把其中的部分碳刻蚀掉，经过洗涤把生成的盐及多余的KOH洗去 ，在被刻蚀的位置出现了孔。这一过程主要发生以下反应：

4KOH+—CH2 K2CO3+K2O+3H2 K2CO3+2—C—2K+3CO K2O+—C— 2K+CO 2KOH K2O+H2O

C+H2 H2+CO CO+H20 H2+C02

K2O+CO2 K2CO3 K2O+H2 2K+H2O K2O+C 2K+CO

在KOH活化法制备活性炭时，活化后的洗涤是关键。未洗时，产品的孔很少。先后经过酸洗、热水洗、蒸馏水洗，把产品中的非本体物质洗去，它们原来占据的空间就形成了孔.

因此，尽管洗涤比较麻烦，但一定要反复洗涤，直到洗干净为止。

二． 活性炭的应用

活性炭广泛应用于工农业生产的各个方面，如石化行业的无碱脱臭（精制脱硫醇）、乙烯脱盐水（精制填料）、催化剂载体（钯、铂、铑等）、水净化及污水处理；电力行业的电厂水质处理及保护；化工行业的化工催化剂及载体、气体净化、溶剂回收及油脂等的脱色、精制；食品行业的饮料、酒类、味精母液及食品的精制、脱色；黄金行业的黄金提取、尾液回收；环保行业的污水处理、废气及有害气体的治理、气体净化；以及相关行业的香烟滤嘴、木地板防潮、吸味、汽车汽油蒸发污染控制，各种浸渍剂液的制备等。活性炭在未来将会有极好的发展前景和广阔的销售市场。

1.活性炭在气相上的应用

空气净化活性炭空气净化活性炭，选用优质的木材或椰子壳，通过深度活化和独特的孔径调节工艺，使活性炭有丰富的孔，且孔的大小略大于有毒气体，比表面积>1300平方米/克，对于苯，甲醛，氨气等有毒有害气体具有高效能吸附能力，可有效去除室内空气中的气态污染物及有害恶臭物质，进而达到降低污染、净化空气的目的。工业上用于：各种作业场所的除臭去毒及空调过滤网，空气净化机，中央空调过滤系统，空气过滤器，空气净化器，汽车滤清器等。

其原理是：（1）自身独特的孔隙结构 活性炭是一种主要由含碳材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料。活性炭材料中有大量肉眼看不见的微孔，1克活性炭材料中微孔，将其展开后表面积可高达800－3000平方米，特殊用途的更高。也就是说，在一个米粒大小的活性炭颗粒中，微孔的内表面积可能相当于一个客厅面积的大小。正是这些高度发达，如人体毛细血管般的孔隙结构，使活性炭拥有了优良的吸附性能。（2）分子之间相互作用力 也叫“范德华引力”。 虽然分子运动速度受温度和材质等原因的影响，但它在微环境下始终是不停运动的。由于分子之间拥有相互吸引的作用力，当一个分子被活性炭内孔捕捉进入到活性炭内孔隙中后，由于分子之间相互吸引的原因，会导致更多的分子不断被吸引，直到添满活性炭内孔隙为止。

活性炭吸附有害物质的特性 活性炭为物理吸附原理，在作用过程中，依靠空气作为媒介，因此被界定为被动空气净化材料。

2.活性炭在液相上的应用

废水中的一些有机物是难于为微生物或一般氧化法所氧化分解的，如酚、苯、石油及其产品、杀虫剂、洗涤剂、合成染料、胺类化合物以及许多人工合成有机物，经生化处理后很难达到对排放要求较高的水体中排放的标准，也严重影响废水的回用，因此需要深度处理。 由于活性炭对有机物的吸附能力大，在废水深度处理中得到广泛的应用，具有以下优点： ①

处理程度高，城市污水用活性炭进行深度处理后， 生化需氧量BOD可降低99%，总有机碳量TOC可降到1～3mg/L。 ②应用范围广，对废水中绝大多数有机物都有效，包括微生物难于降解的有机物。 ③适应性强，对水量及有机物负荷的变动有较强的适应性能，可得到稳定的处理效果。 ④粒状炭可进行再生重复使用，被吸附的有机物在再生过程中被烧掉，不产生污泥。 ⑤可回收有用物质，例如用活性炭处理含酚废水，用碱再生吸附饱和的活性炭，可以回收酚钠盐。 ⑥设备紧凑 、管理方便。

3.活性炭在催化上的应用

（1）制造过氧化氢 用活性炭覆盖的多孔管作阴极，使从阴极上放出的氢同压入的氧作用生成过氧化氢。

（2）使硫化氢转化为元素硫 活性炭能吸附硫化氢并使氧化成元素硫，以除去气体中的硫化氢。

（3）活性炭催化均四氯乙烷脱HCl制备三氯乙烯、甲烷裂解制氢活性炭催化剂。

（4）水的脱氯作用 活性炭能起吸附和催化两种作用，从水中除去氯。

（5）用于生产光气,三聚氯氰,氯乙烷,卤化磺酰,农药中间体.由于活性炭的催化作用能使氯和一氧化碳反应生成光气；使二氧化硫和氯反应生成硫酰氯；使氯和氢反应生成氯化氢；使溴和水蒸汽反应生成氢溴酸；使硫酸亚铁氧化硫酸铁；以及作为三聚氯氰聚合物反应的催化剂载体。

范文二：活性炭活化原理

活性炭活化原理、火化炉性能参数

1. 工作原理

采用水蒸汽、烟道气（主要成分为CO 2）或其混合气体等含氧气体作为活化剂，在高温下与炭接触发生氧化还原反应进行活化，生成一氧化碳、二氧化碳、氢气和其它碳氢化合物气体，通过碳的气化反应（“烧失”）达到在碳粒中造孔的目的。其主要化学反应式如下：

C+2H2O 2H 2+CO2—18kcal ①

C+H2O H 2+CO—31kcal ②

CO 2+C 2CO —41kcal ③

上述三个化学反应均是吸热反应，即随着活化反应的进行，活化炉的活化反应区域温度将逐步下降，如果活化区域的温度低于800℃，上述活化反应就不能正常进行，所以在活化炉的活化反应区域需要同时通入部分空气与活化产生的煤气燃烧补充热量，或通过补充外加热源，以保证活化炉活化反应区域的活化温度。

活化反应属于气固相系统的多相反应，活化过程中包括物理和化学两个过程，整个过程包括气相中的活化剂向炭化料外表面的扩散、活化剂向炭化料内表面的扩散、活化剂被炭化料内外表面所吸附、炭化料表面发生气化反应生成中间产物（表面络合物）、中间产物分解成反应产物、反应产物脱附、脱附下来的反应产物由炭化料内表面向外表面扩散等过

活化反应通过以下三个阶段最终达到活化造孔的目的。

第一阶段是炭化时形成的但却被无序的碳原子及杂原子所堵塞的孔隙的打开，即高温下，活化气体首先与无序碳原子及杂原子发生反应。

第二阶段是打开的孔隙不断扩大、贯通及向纵深发展，孔隙边缘

的碳原子由于具有不饱和结构，易于与活化气体发生反应，从而造成孔隙的不断扩大和向纵深发展。

第三阶段是新孔隙的形成，随着活化反应的不断进行，新的不饱和碳原子或活性点则暴露于微晶表面，于是这些新的活性点又能同活化气体的其它分子进行反应，微晶表面的这种不均匀的燃烧就不断地导致新孔隙的形成。

活化工艺控制的主要操作条件包括活化温度、活化时间、活化剂的流量及温度、加料速度、活化炉内的氧含量等。

炭化料经破碎筛分，筛选合格炭粒作为活化原料，太粗的炭粒返回破碎筛分，太细的炭粒返回作为燃料使用，合格炭粒由斗提机提升到活化炉炉顶部加入炉内，借助炭化料的重力缓慢加入，炭每隔一定时间加入活化炉的炉内，与送入的过热蒸汽反应，炭在逐步下降过程中被蒸汽加热干燥，实现活化，最后经冷却由最下端卸料口隔一段时间卸出。水蒸气先经预热至300～400℃送至活化管内作为活化介质，与炭化料并流由上而下，在流动过程中不断与炭粒接触，经过一系列活化反应，在活化管下部烧失炭变成水煤气，水煤气与活化炭一同进入冷却段后在分离管内被分离出来，由下连烟道送到底部活化管外炉膛燃烧，由二次空气管吸入空气以满足燃烧需要，燃烧产生的高温烟气，通过蓄热室将热量传递给格子阵进行热交换，维持炉温，使活化反应继续不断地进行。

活化后的炭料经冷却后，破碎筛分，成品出售，细炭回收进入粉状活

性炭工序，生产副产品粉状活性炭。H:\

504斯列普炉技术参

斯列普炉(SLEP)活化方数

2. 活化炉性能参数

范文三：活性炭生产之活化

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活性炭生产之活化

赋予炭颗粒活性，使炭形成多孔的微晶结构，具有发达的表面积的过程称为活化过程。

活化方法通常有三种，即化学药品活化法、物理化学联合活化法和物理活化法。

（1）化学药品活化法

即将含碳原料与化学药品活化剂混捏，然后炭化、活化制取活性炭。药品有ZnCl2,H3PO4,K2SO4及K2S 等。

（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，当然也可以通过控制炭的活化程度而用于液相吸附；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。

活化反应通过以下三个阶段最终达到活化造孔的目的：

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第一阶段：开放原来的闭塞孔。即高温下，活化气体首先与无序碳原子及杂原子发生反应，将炭化时已经形成但却被无序的碳原子及杂原子所堵塞的孔隙打开，将基本微晶表面暴露出来。

第二阶段：扩大原有孔隙。在此阶段暴露出来的基本微晶表面上的碳原子与活化气体发生氧化反应被烧失，使得打开的孔隙不断扩大、贯通及向纵深发展 。

第三阶段:形成新的孔隙。微晶表面上的碳原子的烧失是不均匀的，同炭层平行方向的烧失速率高于垂直方向，微晶边角和缺陷位置的碳原子即活性位更易与活化气体反应。

同时，随着活化反应的不断进行，新的活性位暴露于微晶表面，于是这些新的活性点又能同活化气体进行反应。微晶表面的这种不均匀的燃烧不断地导致新孔隙的形成。

随着活化反应的进行，孔隙不断扩大，相邻微孔之间的孔壁被完全烧失而形成较大孔隙，导致中孔和大孔孔容的增加，从而形成了活性炭大孔、中孔和微孔相连接的孔隙结构，具有发达的比表面积。

气体活化的基本反应式如下：

范文四：如何制作活性炭

现代农业以大量化肥代替原有农家有机肥的使用，以人工饲料代替农业废弃物饲料的使用，加之现代农业集约化和规模化的发展，打破了传统农业中废弃物的循环利用环节，结果造成了农业废弃物的大量积累，进而产生了较为严重的环境问题和资源浪费问题。因此，农业废弃物资源的合理利用已日益成为当前世界大多数国家共同面临的问题。国内外实践表明，农业废弃物的资源化利用和无害化处理，是控制农业环境污染、改善农村环境、发展循环经济、实现农业可持续发展的有效途径。

活性炭是一种具有特殊微晶结构、发达孔隙结构、巨大比表面积和较强吸附能力的含碳材料。其化学稳定性好，具有耐酸、耐碱、耐高温等特点。作为一种优良的吸附剂，人们对活性炭的应用开发研究越来越多。20世纪70年代前，活性炭在国内的应用主要集中于制糖、制药和味精工业:后来又扩展到水处理和环保等行业;20世纪90年代，除以上领域外，扩大到溶剂回收、食品饮料提纯、空气净化、脱硫、载体、医药、黄金提取、半导体等众多应用领域[1-5]。

2农业废弃物利用现状

农业废弃物(agriculturalresidue)是指在农业和林业生产与加工过程中产生的副产品、数量巨大、具有可再生、再生周期短、可生物降解、环境友好等诸多优点，是重要的生物质资源。主要有树皮、果壳、锯末、秸秆、蔗渣等。据有关资料，我国产生的农业废弃物按目前的沼气技术水平能转化成沼气3111.5亿

m3，户均达1275.2m3，可解决农村能源短缺。以农作物秸秆为例，将目前的6.5亿吨秸秆转化为电能，按1kg秸秆产生电1千瓦时计算，就具有产生6.5亿千瓦时电能的潜力;作为肥料可提供氮大约2264.4万吨、磷459.1万吨、钾2715.7万吨;作为饲料，仅玉米秸秆就能提供1.9,2.2亿吨。然而，目前我国农业废弃物的利用率却很低乃至没有利用。因此，农业废弃物一方面成为最大的搁置资源之一，另一方面又成为巨大的污染源[6]。

从资源经济学的角度上看，农业废弃物本身就是某种物质和能量的载体，是一种特殊形态的农业资源，蕴含着丰富的能源和营养物质。目前，随着石油、煤炭等不可再生资源的日益短缺，越来越多的国家特别是发达国家已经把农业废弃物等可再生资源的转化利用列入社会经济可持续发展的重要战略，以农业废弃物等可再生资源为原料制备工业新产品的研究引起了世界各国的关注。在我国，随着经济的迅速发展，开发利用农业废弃物资源，逐步补充或替代化石资源，是关系到我国社会经济可持续发展的重大问题。

3农业废弃物制备活性炭及其改性

目前活性炭制备原料的使用也是由木屑和木片到煤和各种农林产品的充分利用。产品由单一品种向多品种发展:由低档活性炭向高档活性炭转变。农业废弃物制备活性炭的过程一般经过原料粉碎、压棒、炭化、活化、漂洗、烘干和活性炭粉碎等几个

步骤。同时根据不同的需求可以在不同的步骤中进行表面物理结构的改性或表面化学性能的改性。

3.1表面物理结构的改性

活性炭材料吸附表面物理结构的改性是指在活性炭材料的制备过程中通过物理或者化学的方法来增加活性炭材料的比表面积、调节孔径及其分布，使活性炭材料的吸附表面结构发生改变，从而增加活性炭材料的物理吸附性能。常用的活化剂有碱金属、碱土金属的氢氧化物、无机盐类以及一些酸类，目前应用较多、较成熟的化学活化剂有KOH、NaOH、ZnCl2、CaCl2和H3PO4等[7-10]。

3.2表面化学性能的改性

活性炭材料表面化学组成的不同对活性炭材料的酸碱性、润湿性、吸附选择性、催化特性等产生影响。活性炭材料的吸附表面化学性能的改性是指通过一定的方法改善活性炭材料吸附表面的官能团及其周边氛围的构造，使其成为特定吸附过程中的活性点，从而可以控制其亲水/疏水性能以及与金属或金属氧化物的结合能力。活性炭材料吸附表面化学性质的改性可以通过表面氧化改性、表面还原改性以及负载金属改性等修饰。

3.2.1氧化改性

氧化改性主要是利用强氧化剂在适当的温度下对活性炭表面的官能团进行氧化处理，从而提高表面的含氧酸性基团(如羧基、酚羟基、酯基等)的含量，增强材料表面的极性和亲水性。

常用的氧化剂主要有HNO3、HClO3和H2O2等。Tsutsumi[11]认为HNO3是最强的氧化剂，产生大量的酸性基团，HClO3的氧化性比较温和，可调整活性炭的表面酸性到适宜值。氧化后活性炭表面的几何形状变得更加均一。刘文宏等[12]使用浓HNO3分别在常温和沸腾状态下对活性炭进行改性，研究结果表明:活性炭经常温浓HNO3改性后，比表面积和孔容都明显提高，而经沸腾浓HNO3改性后，比表面积和孔容却明显减小，但2种改性方式都使活性炭表面产生更多的含氧基团。韩彬[13]等选择磷酸氢二铵为活化剂在不同的活化温度和预氧化条件下来制备活性炭。结果表明,在先浸泡后预氧化处理并在700?下活化制得的样品的比表面积为1078.21m2/g,其得率和碘吸附值分别为39.75%和636mg/g。

3.2.2还原改性

表面还原改性是指通过还原剂在适当的温度下对活性炭材料表面官能团进行还原改性，从而提高含氧碱性基团的比含量，增强表面的非极性，这种活性炭材料对非极性物质具有更强的吸附性能。常用的还原剂有H2、N2、NaOH、KOH等。Menendez等[14]认为，活性炭的碱性主要是由于其无氧的Lewis碱，可以通过在还原性气体H2或N2等惰性气体下高温处理得到碱性基团含量较多的活性炭。Krisztinalaszlo等[15]研究了经N2处理的活性炭对溶液中苯酚和2，3，4-三氯苯酚的吸附，结果表明，当溶液pH为3时，吸附量最大，当溶液pH为11时，吸附量下

降。Haghserssht等[16]研究发现，经H2和N2还原碱性活性炭对水溶液中p-甲酚、硝基苯和p-硝基苯酚的吸附，较未处理过的活性炭吸附量大。

3.2.3负载金属和金属氧化物改性

负载金属改性大都是利用活性炭对金属离子的还原性和吸附性，使金属离子先在其表面上吸附，再还原成单质或低价态的离子，并通过金属离子或金属对被吸附物的较强结合力，增加活性炭对被吸附物的吸附性能。中南林业科技大学研究了利用农业废弃物棉秸秆为原料[17]，采用氯化锌活化法制取活性炭的工艺，以及制备过程中各种因素对活性炭吸附性能的影响，得出了适宜的工艺条件:氯化锌溶液浓度为40?Be′，固液比为1:2，400?炭化180min，650?活化60min。Garg等[18]采用浓硫酸在150?下处理印度红木锯末24h，去除残余酸后制得活性炭吸附剂，与甲醛处理的锯末相比，这种吸附剂有更好的Cr(VI)去除能力。

4农业废弃物制备活性炭的应用

活性炭的应用已经有很长的历史。活性炭最初用于糖的脱色，后逐步扩大到生产和生活的各个行业，并不断地根据市场的需求开发出新的产品。农业废弃物制备的活性炭目前已应用于污水处理、水质净化、治理烟气等方面

4.1污水处理

活性炭在废水处理方面的主要优点是处理程度高、出水水质稳定，与其它方法配合使用可获得质量很高的出水水质，郑旭煦等[19]研究活性炭负载纳米TiO2的光催化降解性能和影响甲基橙废水处理的主要因素，结果表明:用溶胶-凝胶法制备TiO2活性炭催化剂具有比表面积大、分散性高、光催化降解性能好、可重复利用等优点。Jun等[20]报道了用载有铂的各种活性炭在氧化还原过程中，可以达到增强有机酸吸附作用的效果。无机工业废水处理[21-22]某些活性炭对于废水中无机重金属离子具有一定的选择吸附能力。用于处理饮用水及微污染水净化，臭氧-生物活性炭工艺[23]以其可以高效去除水中溶解性有机物和致癌突变物、出水安全、优质而备受瞩目和重视。

4.2水质净化

活性炭在净化给水方面不仅对色、嗅去除效果良好，而且对合成洗涤剂ABS、三卤甲烷、卤代烃、游离氯也有较高的吸附能力，也能有效地去除几乎无法分解的氨基甲酸酯类杀虫剂等。活性炭能有效地去除水中的游离氯和某些重金属(如Hg、Sb、Sn)且不易产生二次污染，常用于家庭用水及饮用水的净化处理工艺中[24]。

4.3废气处理

目前，我国的煤炭燃烧过程中排放出的SO2和NOx是主要的大气污染物，而改性后活性炭材料的脱硫、脱硝处理效果好，投资运行费用低，且易于再生利用。改性活性炭材料脱硫、脱硝首

先是利用活性炭材料的吸附性能将烟气中的污染气体SO2和NOx物理吸附于活性炭材料表面，在活性炭材料表面官能团或担载金属的催化作用下，SO2和NOx转化为SO3和无污染的N2或O2。在有水蒸气存在的情况下，SO3将会与水结合生成硫酸回收。Wey等[25]研究了炭载金属铜和铈脱硫剂的脱硫性能，邱琳等[26]研究了用碳酸钠溶液改性的活性炭比普通纯活性炭脱硫剂的硫容提高近30%。Wang等[27]通过加载金属改性活性炭纤维研究其对二氧化硫去除性能的影响。

活性炭作为一种多孔性含碳材料,其内部具有十分发达的空隙结构和巨大的比表面积,表面具有含氧等元素的特殊功能的表面功能团,应用领域越来越宽。自20世纪初投入工业生产以来,作为吸附剂、催化剂载体等已经广泛用于电子、化工、食品加工、医疗卫生、交通能源、农业、国防等领域,特别是最近,为了防治大气污染、水质污染和恶臭等公害以保护环境,使得活性炭的生产和研究有了更快的发展。如今全世界约有50个国家生产活性炭,美国、日本、英国、德国、法国和俄罗斯等国家的发展处于领先水平。到1990年止,美国年消耗量105 491 t,并以4%~5%的年均增长率增加。日本的消耗也达75 251 t,而西欧各国活性炭年生产能力为10万t[1]。我国的活性炭工业起步于1960s年代,1970s年代的产量才1万t,进入1980s年代末产量达到4万t。近些年来我国的活性炭工业有了较大的发展,年产量达到8万

t,但活性炭的质量远不及发达国家,大量高质量的活性炭还需进口[2]。

2 活性炭的制备原料

所有制造活性炭的原料均为含碳物质,目前国内外选用的制造活性炭的原料分为5大类。

2.1 植物原料(木质原料)

活性炭的木质原料范围很广,常选用的有:木炭、椰子壳、木屑、树皮、核桃壳、果核、棉壳、稻壳、竹子、咖啡豆梗、油棕壳、糠醛渣及纸浆废液等[3~13]。木质原料在我国活性炭工业中占有着十分重要的地位。其中,椰子壳、核桃壳为最优,但由于原料有限,制约了其发展。

2.2 煤炭原料

煤炭是制造活性炭的重在原料。几乎所有的煤都可以制出活性炭。其中,成煤时间短的年轻的无烟煤、弱粘煤、褐煤及泥煤等都是制造活性炭的优良原料。由于煤炭资源丰富、分布广泛、价格低廉,因此以煤为原料生产活性炭有着很好的前景[2]。

2.3 石油原料

石油原料主要指石油炼制过程中的含碳产品及废料。例如石油沥青、石油焦、石油油渣等[4~17]。1990s年代初期,中国科学院山西煤炭化学研究所采用灰分、杂质含量低(<0.01%)的石油系沥青为原料,采用koh化学活化法,制备出比表面积为3 600="">

2.4 塑料类聚氯乙烯、聚丙烯、呋喃树脂、酚醛树脂、脲醛

树脂、聚碳酸酯、聚四氟乙烯等[20~23]。这些原料主要指工业回收废料,我国目前尚未充分利用。

2.5 其他

旧轮胎、动物骨、动物血、蔗糖、糖蜜等[24]。上述原料中我国目前主要以椰子壳、桃杏核作为木质活性炭的原料。因为它们具有灰分低、孔隙发达、比表面积大、强度和吸附性能良好等优点,是理想的木质活性炭原料,但由于原料数量的限制影响到其大量的发展。而煤则具有品种多、价格低、质量稳定、资源丰富等优点,因此以煤为原料的活性炭发展很快,煤质活性炭的应用范围和数量也在逐渐扩大。

3 国内外活性炭制造方法

目前国内外活性炭的制造方法从原理上讲可分为3类。

3.1 气体活化法

气体活化法是把原料炭化以后,用水蒸汽、二氧化碳、空气、烟道气在600~1 200?下进行活化的方法[25]。世界上生产活性炭的厂家70%以上都是采用气体活化法。我国主要以气体活化法生产活性炭。

一般认为,水蒸气活化的反应机理如下:

C*+H2O C[H2O]

C[H2O] H2+C[O]

C[O] CO

此处,C*表示位于活性点上的碳原子,[]表示处于化学吸附状态。由于氢结合在活性点上而妨碍了反应的进行:

C+H2C[H2]

并且,还有下式所示的副反应存在:

CO+H2O?H2+CO2气体活化法是以消耗碳原子而形成孔隙结构,因而得率较低。其工艺特点是活化温度高,设备投资大,但对环境无污染。

3.2 化学活化法

化学活化法是把化学药品以一定比例加入原料中,然后在惰性气体介质中加热,同时进行炭化和活化[25]。最后又将加入的化学药剂予以回收。在活化过程中,用化学药剂刻蚀含碳材料,并使其中的氢和氧等元素主要以H2O、CH4等小分子形式逸出,抑制副产物焦油的形成,可提高活性炭收率。使用的主要化学药剂有KOH、KCNS、H3PO4、H2SO4、ZnCl2、NaOH等。

目前文献报导最多的化学活化法是利用KOH活化制备高比表面积活性炭[18~19][26~39]。1980s年代中期,美国阿莫卡公司以KOH为活化剂,采用化学活化法,制得比表面积大于2 500m2/g的活性炭[26~28]。日本大阪煤气公司,用中间相沥青微球为原料、也采用类似的活化方法制得比表面积高达4 000 m2/g的活性炭[29]。日本关西热化学也有这种称之为Maxsorb的制品[18]。中国科学院山西煤炭化学研究所于1990s年代初开展了这

方面的研究工作,并成功制得了高比表面积活性炭(SBET~3 600

m2/g)[19][30~31]。下面以KOH活化为例简单叙述化学活化法。

范文五：活性炭活化机理与再生

活性炭活化机理与再生

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摘要：介绍了几种主要的活性炭再生方法：光催化再生、热再生法、湿式氧化再生

法、溶剂再生法、电化学再生法、超临界流体再生法、微波辐照再生法。指出了各种

性炭再生法的特点；评述了各种再生法的优点和缺点。

关键字：活性炭；活化机理；再生

活性炭因其比表面积大，空隙多，无毒无污染被定义为优良吸附剂。它是利用植 中图分类号：TQ12 物原料(木屑、木炭、果壳、果核) 、煤和其它含碳工业废料作原料，通过物理和化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列工序加工制造而成。国内活性炭在失活后往往被废弃，对环境产生二次污染并浪费了资源，故本文对目前主要几种活性炭再生方法进行分析，评述每种方法的优点和缺点。

1. 光催化再生法

1.1光催化再生的机理

活性炭的光催化再生由三个准一级反应组成，再生初期 ,再生反应速度由光催化降解吸附质的速率决定。反应的第二个阶段由光催化反应速度和吸附质的解吸速度共同决定，再生后期, 再生反应速度由吸附质在活性炭上的解吸速率所决定，活性炭表面及其大孔内负载的是使苯酚降解转化分解为无机物的降解中心，正是由于降解中心的存在及其表面苯酚浓度趋于零的状态, 使得已吸附于活性炭孔内的苯酚不断向这个中心扩散 ,形成活性炭孔内苯酚的浓度差在浓度差的作用下, 扩散作用持续进行, 导致活性炭内吸附位的逐步空出, 从而实现活性炭的光催化再生。

1.1.1光催化再生的优缺点

该技术所需原料成本低, 设备简单。炭的损失低，无二次污染等优点，开发此新型活性炭再生技术具有重要意义。

其再生后吸附能力与光催化降解质的浓度有很大的关系。12h 后由于吸附质解吸速度有限，再生速度将减缓。

2. 热再生法

2.1热再生法机理

活性炭高温热再生方法是通过加热对活性炭进行热处理，使活性炭吸附的有机物在高温下炭化分解，最终成为气体逸出，从而使活性炭得到再生。高温热再生在除去炭吸附的有机物的同时，还可以除去沉积在炭表面的无机盐，而且使炭的新微孔生成，使炭的活性得到根本的恢复。

2.1.1热再生法优缺点

热再生法是 目前工艺最成熟，工业应用最多的活性炭再生方法。加热再生法再生效率高，再生时间短，应用范围广，但热再生过程中炭损失较大，一般在 5 ％～1 O ％，再生炭机械强度下降。另外在热 再生过程中，须外加能源加热，投资及运行费用较高。任何活性炭高温加热再生装置都需要解决如何防止炭粒相互粘结，烧结成块并造成局部起火或堵塞通道，甚至导致运行瘫痪的现象。

3. 湿式氧化再生法

3.1湿式氧化再生法机理

湿式氧化再生法是指在高温高压的条件下，用氧气或空气作为氧化剂，将处于液相状态下活性炭上吸附的有机物氧化分解成小分子的一种处理方法。

3.1.1湿式氧化再生法优缺点

该技术具有投资少、能耗低、工艺操作简单。再生相对效率高、活性炭损失率低，过程无二次污染。对吸附性能影响小等特点。

但该技术通常用于再生粉末活性炭，适宜处理毒性高，生物难降解的吸附质。温度和压力须根据吸附质的特性而定，因为这直接影响炭的吸附性能恢复率和炭的损 耗。这种方法的再生系统附属设施多，操作较麻烦 。

4. 催化湿式氧化法

4.1 催化湿式氧化法机理

湿式氧化法再生活性炭的过程是：吸附在活性炭表面上的有机污染物在水热环境中脱附，然后从活性炭内部向外部扩散，进入溶液；而氧从气相传输进入液相，通过产生羟基自由基( - O H) 氧化脱附出来的有机物。

4.1.1 催化湿式氧化法优缺点

催化湿式氧化法具有快速、能耗低、二次污染小等特点。

但是，D i n g在研究粉末活性炭湿式氧化再生时发现，随着时间的延长，活性炭表面的氧化程度加强，使得活性炭中的孔系被氧化物堵塞，从而表现出再生效率下降的趋势。

5. 溶剂再生法

5.1溶剂再生法机理

溶剂再生法是利用活性炭、溶剂与被吸附质三者之间的相平衡关系，通过改变温度、溶剂p H值等条件，打破吸附平衡，将吸附质从活性炭上脱附下来。

5.1.1溶剂再生法优缺点

溶剂再生法一般比较适用于那些可逆吸附，如对高浓度、低沸点有机废水的吸附。它的针对性较强，往往一种溶剂只能脱附某些污染物，而水处理过程中的污染物种类繁多，变化不定，因此，一种特定溶剂的应用范围较窄。采用药剂脱洗的化学再生法，有时可从再生液中回收有用的物质，再生操作可在吸附塔内进行，活性炭损

失较小，但是再生不太彻底，微孔易堵塞，影响吸附性能的恢复率，多次再生后吸附性能明显降低。

6. 电化学再生法

6.1电化学再生法机理

电化学再生法是一种正在研究的新型活性炭再生技术。该方法将活性炭填充在2个主电极之间，在电解液中，加以直流电场，活性炭在电场作用下极化，一端成阳性，另一端呈阴性，形成微电解槽，在活性炭的阴极部位和阳极部位可分别发生还原反应和氧化反应，吸附在活性炭上的有机物大部分因此而分解，小部分因电泳力的作用发生脱附。

6.1.1电化学再生法优缺点

该方法操作方便且效率高、能耗低，其处理对象所受局限性较少。若处理工艺完善，可以避免二次污染。

7. 超临界流体再生法

7.1超临界流体再生法机理

许多物质在常压常温下对某些物质的溶解能力极小，而在亚临界状态或超临界状态下却具有异常大的溶解能力。在超临界状态下，稍改变压力，溶解度会产生数量级的变化。利用这种性质，可以把超临界流体作为萃取剂，通过调节操作压力来实现溶质的分离，即超临界流体萃取技术。超临界流体( S C F )的特殊性质和其技术原理确定了它用于再生活性炭的可能性。

7.1.1超临界流体再生法优缺点

通过理论分析和实验结果，证明 S C F再生方法具有以下优点 ：

( 1 )温度低，S C F吸附操作不改变污染物的化学性质和活性炭的原有结构 ，在吸附性能方面可以保持与新鲜活性炭一样；

( 2 )在 S CF再生中，活性炭无任何损耗；

( 3 ) S C F再生可以方便地收集污染物，利于重新利用或集中焚烧 ，切断了二次污染；

( 4 ) S C F再生可以将干燥 、脱除有机物连续操作化，做到一步完成。

8. 微波辐照再生法

8.1微波辐照再生法机理

当微波遇到不同材料时，会产生反射、吸收和穿透现象，这取决于材料的介电常数、介质损耗系数、比热、形状和含水量等特性。大多数导体能反射微波，所以在微波系统中，导体用来传播和反射微波能量；而绝缘体则可以将微波部分反射或被穿透；所以其吸收微波的功率小：介质的性能介于金属和绝缘体之间，具有吸收、穿透和反射微波的性能，故在微波加热系统中， 被处理的物料通常是吸收微波能量的介质即有耗介质，或极性介质。

8.1.1微波辐照再生法优缺点

微波辐照再生活性炭具有再生时间短、耗能低、设备构造简单、再生效率高及活性炭吸附容量恢复率高等优点，是一种经济可行的再生新技术。但由于微波的加热过程是封闭的，蒸发的物质不能及时排除，对实验的再生效果会有一定的影响。

9. 结语

活性炭在处理污水、废气等具有无可替代的优良性能，长久以来在国内外得到了迅速的发展，而活性炭的再生技术处于起步阶段，应加大力度进行科学研究，找出最为经济、环保、节能的再生技术。

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