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如何選擇活性炭?一文帶你看懂!

活性炭是一種常用的吸附劑、催化劑或催化劑載體,在水處理過程中當有著廣泛的應用,那么如何選擇活性炭?我們來一起分析一下!

1、什么是活性炭?

活性炭是一種含碳材料制成的外觀呈黑色,內部孔隙結構發達,比表面積大、吸附能力強的一類微晶質碳素材料,是一種常用的吸附劑、催化劑或催化劑載體。活性炭按原料來源可分為:木質活性炭、果殼活性炭、獸骨/血活性炭、礦物原料活性炭、合成樹脂活性炭、橡膠/塑料活性炭、再生活性炭等;活性炭按外觀形態可分為:粉狀、顆粒狀、不規則顆粒狀、圓柱形、球形和纖維狀等。活性炭的應用極其廣泛,其用途幾乎涉及所有的國民經濟部門和人們日常生活,如水質凈化、黃金提取、糖液脫色、藥品針劑提煉、血液凈化、空氣凈化、人體安全防護等。

2、活性炭的成分及制作

活性炭材料是經過加工處理所得的無定形碳,具有很大的比表面積,對氣體、溶液中的無機或有機物質及膠體顆粒等都有良好的吸附能力。活性炭材料主要包括活性炭(AcTIvated Carbon , A C )和活性炭纖維(AcTIvated Carbon Fibers, ACF )等。活性炭材料作為一種性能優良的吸附劑,主要是由于其具有獨特的吸附表面結構特性和表面化學性能所決定的。活性炭材料的化學性質穩定,機械強度高,耐酸、耐堿、耐熱,不溶于水與有機溶劑,可以再生使用,已經廣泛地應用于化工、環保、食品加工、冶金、藥物精制、軍事化學防護等各個領域 。目前,改性活性炭材料被廣泛用于污水處理、大氣污染防治等領域,在治理環境污染方面越來越顯示出其誘人的美好前景。

活性炭80%-90%以上由碳元素組成,這也是活性炭為疏水性吸附劑的原因。除了碳元素外,還包含有兩類摻和物:一類是化學結合的元素,主要是氧和氫,這些元素是由于未完全炭化而殘留在炭中,或者在活化過程中,外來的非碳元素與活性炭表面化學結合,如用水蒸氣活化時,活性炭表面被氧化或水蒸氣氧化;另一類摻和物是灰分,它是活性炭的無機部分。

活性炭的主要原料幾乎可以是所有富含碳的有機材料,如煤、木材、果殼、椰殼、核桃殼、杏殼、棗殼等。這些含碳材料在活化爐中,在高溫和一定壓力下通過熱解作用被轉換成活性炭。在此活化過程中,巨大的表面積和復雜的孔隙結構逐漸形成, 而所謂的吸附過程正是在這些孔隙中和表面上進行的,活性炭中孔隙的大小對吸附質有選擇吸附的作用,這是由于大分子不能進入比它孔隙小的活性炭孔徑內的緣故。活性炭是由含炭為主的物質作原料,經高溫炭化和活化制得的疏水性吸附劑。活性炭含有大量微孔,具有巨大無比的表面積,能有效地去除色度、臭味,可去除二級出水中大多數有機污染物和某些無機物,包含某些有毒的重金屬。

3、活性炭的原理

3.1、過濾原理

活性炭過濾器是將水中懸浮狀態的污染物進行截留的過程,被截留的懸浮物充塞于活性炭間的空隙。濾層孔隙尺度以及孔隙率的大小,隨活性炭料粒度的加大而增大。即活性炭粒度越粗,可容納懸浮物的空間越大。其表現為過濾能力增強,納污能力增加,截污量增大。同時,活性炭濾層孔隙越大,水中懸浮物越能被更深地輸送至下一層活性炭濾層,在有足夠保護厚度的條件下,懸浮物可以更多地被截留,使中下層濾層更好地發揮截留作用,機組截污量增加。

從嚴格的理論上講,活性炭所具有的對懸浮物的截留能力來自活性炭所提供的表面積。流速低時,機組的過濾能力主要地來自活性炭的篩除作用,而流速快時,過濾能力來自活性炭顆粒表面的吸附作用,在過濾過程中活性炭所提供的顆粒表面積越大,對水中懸浮物的附著力越強。

3.2、吸附原理

根據吸附過程中活性炭分子和污染物分子之間作用力的不同,可將吸附分為兩大類:物理吸附和化學吸附(又稱活性吸附)。在吸附過程中,當活性炭分子和污染物分子之間的作用力是范德華力(或靜電引力)時稱為物理吸附;當活性炭分子和污染物分 子之間的作用力是化學鍵時稱為化學吸附。物理吸附的吸附強度主要與活性炭的物理性質有關,與活性炭的化學性質基本無關。由于范德華力較弱,對污染物分子的結構影響不大,這種力與分子間內聚力一樣,故可把物理吸附類比為凝聚現象。物理吸附時污染物的化學性質仍然保持不變。

由于化學鍵強,對污染物分子的結構影響較大,故可把化學吸附看做化學反應,是污染物與活性炭間化學作用的結果。化學吸附一般包含電子對共享或電子轉移,而不是簡單的微擾或弱極化作用,是不可逆的化學反應過程。物理吸附和化學吸附的根本區別在于產生吸附鍵的作用力。

吸附過程是污染物分子被吸附到固體表面的過程,分子的自由能會降低,因此,吸附過程是放熱過程,所放出的熱稱為該污染物在此固體表面上的吸附熱。由于物理吸附和化學吸附的作用力不同,它們在吸附熱、吸附速率、吸附活化能、吸附溫度、選擇性、吸附層數和吸附光譜等方面表現出一定的差異。活性炭吸附技術在國內用于醫藥、化工和食品等工業的精制和脫色已有多年歷史。20世紀70年代開始用于工業廢水處理。生產實踐表明,活性炭對水中微量有機污染物具有卓越的吸附性,它對紡織印染、染料化工、食品加工和有機化工等工業廢水都有良好的吸附效果。一般情況下,對廢水中以BOD、COD等綜合指標表示的有機物,如合成染料、表面性劑、酚類、苯類、有機氯、農藥和石油化工產品等,都有獨特的去除能力。所以,活性炭吸附法已逐步成為工業廢水二級或三級處理的主要方法之一。

吸附是一種物質附著在另一種物質表面上的緩慢作用過程。吸附是一種界面現象,其與表面張力、表面能的變化有關。引起吸附的推動能力有兩種,一種是溶劑水對疏水物質的排斥力,另一種是固體對溶質的親和吸引力。廢水處理中的吸附,多數是這兩種力綜合作用的結果。活性炭的比表面積和孔隙結構直接影響其吸附能力,在選擇活性炭時,應根據廢水的水質通過試驗確定。對印染廢水宜選擇過渡孔發達的炭種。此外,灰分也有影響,灰分愈小,吸附性能愈好;吸附質分子的大小與炭孔隙直徑愈接近,愈容易被吸附;吸附質濃度對活性炭吸附量也有影響。在一定濃度范圍內,吸附量是隨吸附質濃度的增大而增加的。另外,水溫和pH值也有影響。吸附量隨水溫的升高而減少。

4、活性炭的特性

4.1、吸附特性

活性炭吸附法是利用多孔性的活性炭,使水中一種或多種物質被吸附在活性炭表面而去除的方法,去除對象包括溶解性的有機物質,合成洗滌劑、微生物、病毒和一定量的重金屬,并能夠脫色、除臭、空氣凈化。

活性炭、磺化煤、沸石、焦炭等都是水處理常用的吸附劑,活性炭經過活化后碳晶格形成形狀和大小不一的發達細孔,大大增加比表面積,提高吸附能力。活性炭的細孔有效半徑一般為1-10000nm,小孔半徑在2nm以下,過渡孔半徑一般為2-100nm,大孔半徑為100-10000nm。小孔容積一般為0.15-0.90mL/g,過渡孔面積一般為0.02-0.10mL/g;大孔容積一般為0.2-0.5mL/g。

活性炭是一種很細小的炭粒,有很大的表面積,而且炭粒中還有更細小的孔——毛細管。這種毛細管具有很強的吸附能力,由于炭粒的表面積很大,所以能與氣體(雜質)充分接觸。當這些氣體(雜質)碰到毛細管被吸附,起凈化作用。活性炭的表面積研究是非常重要的,活性炭的比表面積檢測數據只有采用BET方法檢測出來的結果才是真實可靠的,國內有很多儀器只能做直接對比法的檢測。現階段國內外比表面積測試統一采用多點BET法,國內外制定出來的比表面積測定標準都是以BET測試方法為基礎的,請參看中國國家標準(GB/T 19587-2004)-氣體吸附BET原理測定固態物質比表面積的方法。

比表面積檢測其實是比較耗費時間的工作,由于樣品吸附能力的不同,有些樣品的測試可能需要耗費一整天的時間,如果測試過程沒有實現完全自動化,那測試人員就時刻都不能離開,并且要高度集中,觀察儀表盤,操控旋鈕,稍不留神就會導致測試過程的失敗,這會浪費測試人員很多的寶貴時間。F-Sorb 2400比表面積測試儀是真正能夠實現BET法檢測功能的儀器(兼備直接對比法) ,更重要的F-Sorb 2400比表面積測試儀是迄今為止國內唯一完全自動化智能化的比表面積檢測設備,其測試結果與國際一致性很高,穩定性也很好,同時減少人為誤差,提高測試結果精確性。

影響活性炭吸附的因素有:活性炭的特性;被吸附物的特性和濃度;廢水的PH值;懸浮固體含量等特性;接觸系統及運行方式等。活性炭能有效吸附氯代烴、有機磷和氨基甲酸酯類殺蟲劑,還能吸附苯醚、正硝基氯苯、萘、乙烯、二甲苯酚、苯酚、DDT、艾氏劑、烷基苯磺酸及許多酯類 和芳烴化合物。二級出水中也含有不被活性炭吸附的有機物,如蛋白質的中間降解物質,比原有的有機物更難被活性炭吸附,活性炭對THMS的去除能力較低,僅達到23-60%。活性炭吸附法與其他處理方法聯用,出現了臭氧-活性炭法、混凝-吸附活性炭法、Habberer工藝、活性炭-硅藻土法等,使活性炭的吸附周期明顯延長,用量減少,處理效果和范圍大幅度提高。

4.2、化學特性

活性炭的吸附除了物理吸附,還有化學吸附。活性炭的吸附性既取決于孔隙結構,又取決于化學組成。

活性炭不僅含碳 ,而且含少量的化學結合、功能團開工的氧和氫,例如羰基、羧基、酚類、內酯類、醌類、醚類。這些表面上含有的氧化物和絡合物,有些來自原料的衍生物,有些是在活化時、活化后由空氣或水蒸氣的作用而生成。有時還會生成表面硫化物和氯化物。在活化中原料所含礦物質集中到活性炭里成為灰分,灰分的主要成分是堿金屬和堿土金屬的鹽類,如碳酸鹽和磷酸鹽等。

4.3、機械特性

1、粒度:采用一套標準篩篩分法,求出留在和通過每只篩子的活性炭重量,表示粒度分布。

2、靜觀密度或堆密度:應是孔隙容積和顆粒間空隙容積的單位體積活性炭的重量。

3、體積密度和顆粒密度:應是孔隙容積而不應是顆粒間空隙容積的單位體積活性炭的重量。

4、強度:即活性炭的耐破碎性。

5、耐磨性:即耐磨損或抗磨擦的性能。

這些機械性質直接影響活性炭應用,例如:密度影響容器大小;粉炭粗細影響過濾;粒炭粒度分布影響流體阻力和壓降;破碎性影響活性炭使用壽命和廢炭再生。

5、活性炭的分類

5.1、按原料來源分:

1、木質活性炭2、獸骨 / 血活性炭3、礦物質原料活性炭4、其它原料的活性炭5、再生活性炭

5.2、按制造方法分:

1、化學法活性炭(化學炭)2、物理法活性炭(物理炭)3、化學–物理法或物理–化學法活性炭

5.3、按外觀形狀分:

1、粉狀活性炭2、顆粒活性炭3、不定型顆料活性炭4、圓柱形活性炭5、球形活性炭6、其它形狀的活性炭

5.4、按孔徑分:

1、大孔:孔徑》1000A°2、過渡孔:孔徑20 ~1000A°3、微孔:孔徑《 20A°活性炭的表面積主要是由微孔提供的,

5.5、按材質分類:

1、種類:原料2、木質活性炭:以木屑、木炭等制成的活性炭3、果殼活性炭:以椰子殼、核桃殼、杏核殼等制成的活性炭 煤質活性炭 以褐煤、泥煤、煙煤、無煙煤等制成的活性炭 石油類活性炭 例如以瀝青等為原料制成的瀝青基球狀活性炭 再生炭 以用過的廢炭為原料,進行再活化處理的再生活性炭。

6、活性炭的技術指標

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注:選用優質木炭和木屑為原料,采用物理法和化學法精制而成。產品為黑色粉末狀,無毒無味,孔隙發達,不含對水質有不良影響的水中溶解物。具有吸附能力強、脫色效果佳、過濾速度快等優點。能有效吸附液相中大小分子結構不良物質,廣泛應用于生活污水、化工污水、醫用污水及城市污水等各種類型的污水,特別是對污水的脫色、除味,降COD等有絕佳的效果。

7、水處理活性炭的選型

好的活性炭必須具有吸附容量大、使用壽命長、機械強度高、灰份低、易沖洗、出水水質好等特點,它不但能除去異臭、異味、提高色度,而且對水中的各種有毒有害物質如:氯、酚、汞、鉛、砷、氯化物、洗滌劑、農藥、化肥等污染物具有很高的去除率。

具體主要技術指標如下:

1、粒度(10—24目2.0—0.8mm ):≥95%

說明:通常來說,顆粒越小的活性炭,比表面積越大,也就是吸附效果越好,但是顆粒越小,損耗也會越大,粉塵也會越多。

2、碘吸附值:≥1000mg/g

說明:一般來說碘吸附值越高,活性炭的吸附能力越強。

3、比表面積:1000---1200m2/g

說明:若取1克活性炭,將里面所有的孔壁都展開成一個平面,這個面積將達到1000平方米(既比表面積為1000g/m2)!影響活性炭吸附性的主要因素就取決于內部孔隙結構的發達程度。(既比表面積越大,活性炭的吸附效果越好)。

4、亞甲蘭脫色力:≥10mL/g

說明:除色能力。

5、耐磨強度:≥95%

說明:即耐磨損或抗磨擦的性能;強度越高,活性炭性能越好。

6、干燥減量:≤10%

說明:干燥減量及指水分,此值越低,活性炭質量越好。

7、灼燒殘渣:≤3%

說明:灼燒殘渣及指灰分,此值越低,活性炭質量越好。

8、充填比重:0.48---0.55g/mL

說明:充填比重及指密度,一般密度越小,活性炭的吸附力越好。

9、PH值:6—8


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