人类是什么时候开始发现活性炭的?活性炭是传统而现代的人造材料。
自从问世一百年来,应用领域日益扩展,应用数量不断递增。
简要回顾一下木炭的应用史:(1)公元前1550年,埃及用作为医用的记载;(2)公元前460~359年,希腊医生Hippocrate用以治羊癫疯;(3)1518~1593年,中国李时珍的本草纲目中提及用于治病;(4)1993年有外用于溃疡;(5)1794年,英国有家糖厂用于脱色。
而活性炭作为人造材料,是在1900年和1901年才发明的,发明者Raphael von Ostrejko,取得英国专利B.P.14224(1900);英国专利B.P.18040(1900)德国专利Ger.P.136792(1901)。
他发明将金属氯化物炭化植物源原料或用二氧化碳或水蒸气与炭化材料反应制造活性炭。
1911年在维也纳附近的工厂首次用于工业生产,当时产品是粉状活性炭,商品名使Epomit;同年在荷兰有Norit上市;1912年在捷克斯洛伐克又Carboraffin出售。
(Ger.Pat.290656)。
人们常说的活性炭到底是什么?概念角度:活性炭是一种经特殊处理的炭,将有机原料(果壳、煤、木材等)在隔绝空气的条件下加热,以减少非碳成分(该过程称为炭化),然后与特定气体反应,表面被侵蚀,产生微孔发达的结构(此过程称为活化)。
由于活化的过程是一个微观过程,即大量的分子碳化物表面侵蚀是点状侵蚀,所以造成了活性炭表面具有无数细小孔隙。
结构角度:活性炭是由石墨微晶、单一平面网状碳和无定形碳三部分组成,其中石墨微晶是构成活性炭的主体部分。
活性炭的微晶结构不同于石墨的微晶结构,其微晶结构的层间距在0.34~0.35nm之间,间隙大。
即使温度高达2000 ℃以上也难以转化为石墨,这种微晶结构称为非石墨微晶,绝大部分活性炭属于非石墨结构。
石墨型结构的微晶排列较有规则,可经处理后转化为石墨。
非石墨状微晶结构使活性炭具有发达的孔隙结构,其孔隙结构可由孔径分布表征。
活性炭的孔径分布范围很宽,从小于1nm到数千nm。
有学者提出将活性炭的孔径大致分为三类:孔径小于2nm为微孔,孔径在2~50nm为中孔,孔径大于50nm为大孔。
活性炭的吸附机理是什么?活性炭吸附是指利用活性炭的固体表面对水中的一种或多种物质的吸附作用,以达到净化水质的目的。
活性炭的吸附能力与活性炭的孔隙大小和结构有关。
一般来说,颗粒越小,孔隙扩散速度越快,活性炭的吸附能力就越强。
吸附能力和吸附速度是衡量吸附过程的主要指标。
吸附能力的大小是用吸附量来衡量的,吸附速度是指单位时间内单位重量的吸附剂所吸附的量。
在水处理中,吸附速度决定了吸附剂与污水的接触时间。
活性炭发生的主要是物理吸附,大多数是单层分子吸附,其吸附量与被吸附物的浓度服从朗格缪尔单分子层吸附等温方程 :式中:θ(覆盖度)—— 一定温度下,吸附分子在固体表面上所占面积占表面总面积的分数;ρ——吸附质在气相的分压;κ1/κ2——吸附与脱附的速度之比;α ——气体在固体表面上的吸附量。
你知道活性炭分类吗?中国国家标准将活性炭按照两部分进行分类:一部分按制造使用的主要原材料,另一部分按制造使用的原材料及对应的产品形状组合分类。
活性炭按制造使用的主要原材料分为四类:① 煤质活性炭;② 木质活性炭;① 合成材料活性炭;② 其他类活性炭。
按制造使用主要原材料及对应的产品形状组合分类分为16种类型。
如下图:活性炭能应用在哪些方面?活性炭主要作为固体吸附剂,应用在化工、医药、环境等方面,用于吸附沸点及临界温度较高的物质及分子量较大的有机物。
在空气净化、水处理等领域应用也呈现出应用量增长的趋势,专用高档炭如高比表面积炭、高苯炭、纤维炭已渗透到航天、电子、通讯、能源、生物工程和生命科学等领域。
活性炭的优缺点你知道吗?优点:“活性炭具有发达的空隙结构,从而具有较大的接触面积,对气态物质具有良好的吸附性能。
化学性能相对稳定,具有催化性能;并可以在不同温度、酸碱中使用,也能在水溶液和许多溶剂中使用,但不溶于水和其他溶剂。
表面的微孔直径大多在2~50 nm之间,即使是少量的活性炭,也有巨大的表面积,每克活性炭的表面积为500~1500 m2,所以活性炭的一切应用,几乎都基于活性炭的这一特点。
缺点:活性炭的吸附为物理过程,当其所吸附的容量达到上限后,由于“饱和效应”的存在,迅速失去吸附能力,如不能及时对其进行更换,由于“范德华力”的存在,气体分子间会失去抓力从而造成二次释放,形成二次污染。
而且,颗粒污染物极易对活性炭的孔洞结构造成堵塞,也会导致其失效。
与化学滤料相比,活性炭的过滤性能存在诸多局限性。
活性炭的再生你了解多少?活性炭再生原理:是指在吸附剂本身结构不发生或很少变化的情况下,用某种方法将吸附质从吸附剂微孔中除去,恢复它的吸附能力,以达到重复使用的目的。
活性炭在吸附的过程中,对吸附质和溶剂都有吸附作用,因亲和力的不同,经过一定时间的吸附,达到吸附平衡。
活性炭再生就是要采取办法破坏这种平衡关系,其依据主要为以下几个方面:①改变吸附质的化学性质;②用对吸附质亲和力强的溶剂萃取;③用对活性炭亲和力比吸附质大的物质把吸附质置换出来,然后再使置换物质脱附,活性炭得到再生;④用外部加热、升高温度的办法改变平衡条件;⑤用降低溶剂中溶质浓度(或压力)的方法再生;⑥使吸附物(有机物)分解或氧化而除去。
再生的方法:热再生法、生物再生法、电化学再生法、湿式氧化再生法、微波辐射再生法、超临界流体再生法例:生物再生法生物再生法是利用微生物的作用,把被活性炭吸附的有机物氧化分解,从而使活性炭得到再生。
生物再生法是利用经驯化过的细菌,解析活性炭上吸附的有机物,并进一步消化分解成H,0和CO,的过程。
生物再生法与污水处理中的生物法相类似,也有好氧法与厌氧法之分。
由于活性炭本身的孔径很小,有的只有几纳米微生物不能进入这样的孔隙,通常认为在再生过程中会发生细胞自溶现象,即细胞酶流至胞外而活性炭对酶有吸附作用,因此在炭表面形成酶促中心,从而促进污染物分解,恢复其吸附性能,达到再生的目的。
问题思考:1.现在活性炭发展成什么样子了?2.未来活性炭将会是什么发展趋势?