碳质吸附剂及吸附分离技术碳质吸附剂制备及城市污泥处理

1、活性炭的制备及城市污泥制吸附剂,1,活性炭的定义,经过一定工艺处理的、内部孔隙发达的具,有吸附分子级物质能力的含碳材料。活性炭属,于碳质吸附剂的一种，一般是指普通性能的碳,质吸附剂,碳质吸附剂是一种内部孔隙发达的人工含,碳材料的总称。有时活性炭与碳质吸附剂在名,称上不加明确区分,一、活性炭的概念,2,活性炭的孔隙,活性炭巨大的吸附能力主要归功于其发达的内部孔,隙。正是由于内部孔隙的表面提供了吸附质被吸附的场,所。所以，比表面积是活性炭的一项重要指标,活性炭的孔隙可分为,微孔,Micropore,2.0nm,中孔,Mesopore,2.0 50nm,大孔,Macropore,50nm,其中微孔提

2、供的比表面积占,95,以上，中孔比表面,积一般小于,5,大孔比表面积几乎可以忽略,一、活性炭的概念,2,活性炭的孔隙,一、活性炭的概念,孔径与吸附质分子,按外形分,颗粒活性炭（包括破碎炭；以及成型炭如,柱状炭、球形炭），粉状活性炭，纤维活性炭，微球活性,炭,按使用场合分,气相炭、液相炭等,按用途分,溶剂回收炭、气体净化炭、脱色炭、药用,炭、催化剂炭、变压吸附炭、黄金炭、脱硫炭、血液灌流,炭、水处理炭等,按制造方法分,物理法炭、化学法炭（包括氯化锌炭,磷酸炭等,按原料分,木质炭、煤质炭、沥青炭等,按孔径分,微孔炭、中孔炭等,二、活性炭的种类,三、活性炭的应用,1,活性炭作为气相吸附剂的应用,1,

3、脱硫,有机合成气中，经常含有一些诸如硫化氢,二硫化碳、硫醇等硫化物杂质，这些杂质能使合成催化剂,中毒而失效。用活性炭可以将合成气中的硫脱除至,0.2ppm,以下，是工业上合成气的精脱硫剂,2,溶剂回收,在橡胶、合成树脂制造、军工、胶片及油,漆喷涂作业等环境中，使用的溶剂大量挥发，会污染空气,危害工人健康、引发火灾和爆炸事故。用活性炭可对含有,低浓度的有机溶剂的空气进行有效吸附脱除，使净化后的,气体达到排放和安全标准。活性炭能吸附回收的溶剂气体,包括甲苯、二甲苯、甲醇、乙醇、异丙醇、乙醚、丙酮等,2,活性炭作为液相吸附剂的应用,1,活性炭在制糖工业中用于脱色精制,2,在味精制造中，用活性炭精制谷

4、氨酸溶液，可以脱除,色素和胶质，在谷氨酸与氢氧化钠中和后，用活性炭可进,一步精制谷氨酸钠溶液，脱除残余的色素和胶质,3,在食用油的净化中，用活性炭进行脱色和脱臭,4,制药行业经常使用活性炭作为药品的脱色、除杂质和,精制，以提高药品的纯度，减少和消除副作用，例如，在,抗菌素类药品、生物碱以及激素的生产中，要用活性炭脱,色提纯,5,葡萄酒、啤酒和果汁等进行脱色和去除不良气味等,6,葡萄糖、氯化钠等针剂的制造中，可以脱除,热源,杂质,7,在电镀时，有机添加剂硫酸胺,1,2,氧萘酮、丁二醇,和吡啶等的氧化物对电镀有害，用活性炭可以去除,8,活性炭在污水深度处理上应用十分普遍，如印染废水,含硝基化合物的

5、废水、含酚废水、炼油厂废水、焦化厂废,水、城市废水等废水的处理,3,活性炭在饮用水处理中的应用,由于工业的发展，饮用水源不同程度地受到污染，自,来水供应公司必须对入水进行消毒和净化处理，同时对水,中的异味进行脱除。消毒方法一般是采用液氯，脱除异味,要用到活性炭，通过吸附去除水中溶解的异味物质，主要,是有机物的氯化物,如氯仿、氯酚、水藻发霉产生的怪味,等，此外，还有油类，如汽油、柴油、机油等,利用活性炭对饮用水进行深度净化处理在世界各个国,家已经广泛采用，但在我国还没有普遍推广，只有在北京,上海等大城市的自来水厂采用该技术，小城市由于财力限,制，大多没有活性炭处理设施。但随着生活水平的提高和,水

6、源污染程度的加剧，普遍采用活性炭处理饮用水是迟早,的事,4,活性炭作为催化剂的应用,活性炭作为催化剂，在加成卤化反应、卤化置换反,应、脱氯化氢反应、氧化反应、醇的脱水反应、裂解,异构化、酯化、氢解等反应中已得到广泛应用,例如，在用一氧化碳和氯气合成光气,COCl,2,的加,成卤化反应中，活性炭的加入使反应速度加快，收率,提高；三聚氯氰是生产农药、染料、医药中间体等的,主要原料，在除草剂和增白剂生产时用量也很大，用,活性炭作催化剂，可以把原来的液相聚合催化工艺改,为气相催化聚合工艺，结果转化率提高,300,倍，总收率,超过,90,产品质量也得到大幅度提高,5,活性炭作为催化剂载体的应用,活性炭在

7、工业上已广泛地被用作催化剂的载体。通过,把活性炭在含催化剂的溶液中浸渍的方法可把催化剂负载,在活性炭上,在用作催化剂载体时，活性炭不限于仅起消极的载体,作用。活性炭所具有的大比表面积、孔隙结构特性以及表,面化学性质均会对催化剂的活性、选择性、使用寿命等产,生重大的影响。有时候，活性炭作为载体是不能用其它任,何多孔材料所取代的,活性炭作催化剂载体在合成醋酸乙烯酯单体生产维尼,纶中得到广泛使用。此外，在加氢、脱氢、芳构化、环化,异构化、脱卤化、水合、聚合等反应中的应用也非常广泛,6,活性炭在气体分离和净化中的应用,1,空气分离制氮炭分子筛,利用空气中氧分子和氮分子在炭分子筛孔隙中扩散动,力学速度的

8、差异，将氮气和氧气分离开。氧的扩散速度快,优先在炭分子筛上吸附，所以可以得到,99.9,的氮气。一,般是利用变压吸附技术实现制氮操作的,2,氢气的分离变压吸附炭,氢气是有机合成中的重要原料，利用变压吸附技术,可以从许多含氢气源中分离回收和制备纯氢，如水煤气,焦炉煤气、合成氨弛放气均可作为含氢气源,3,乙烯回收,CO,2,制备,变压吸附炭,乙烯回收,CO,2,制备也是通过变压吸附技术实现的,这在石油化工领域有广泛的应用,7,活性炭在污染防治中的应用,1,被溶剂污染的空气的净化,家装污染物甲醛、苯等挥发性污染物的净化,2,汽车内饰污染物的净化,新购的汽车，由于大量使用塑料件和溶剂，能够挥发,出有毒

9、气体，通过活性炭吸附可以净化车内空气,3,污水治理,在印染、染料、化工、生化、皮革以及造纸等行业,有大量难降解废水，通过活性炭处理可以得到深度净化,达到排放标准，甚至可以达到废水回用的目的,理论上说，只要含碳固体材料均可用于活性炭的制造,如煤炭、泥炭、沥青、椰壳、果核、木材、木制品加工下,脚料、棉花秸秆、甘蔗渣、废橡胶制品、树脂,甚至垃圾,城市污泥,等均有研制活性炭的报道。在实际生产中，由于,考虑到原料来源的可靠性、成本的高低、活性炭品质的要,求等，真正用于活性炭生产的原料主要有三类,五、制备活性炭的原料,1,煤炭：褐煤、长焰煤、气煤、贫煤、无烟煤,等,2,椰壳、果核,3,木材加工下脚料，如木

10、屑、废木料、树枝等,五、制备活性炭的原料,制备活性炭的方法大致可以分为两类，即,化学活化法,和物理活化法,1,化学活化法,以化学法生产活性炭所使用的活化剂一般是脱水性和,氧化性物质，常用的有氯化锌和磷酸。化学法生产活性炭,要求原料中氢、氧含量高。因此，化学法活性炭最适宜的,原料是各种木质原料如木屑、椰壳、果壳等,六、制备活性炭的方法,化学法制备活性炭的基本工艺,目前在工业上普遍采用的化学活化法工艺是用一定浓,度的氯化锌水溶液或磷酸溶液充分,浸渍,木质原料（通常木,质原料需粉碎到,2mm,以下），然后,烘干,并在炉内,加热,到一,定温度保持一定时间。磷酸法加热的温度控制在,400,600,氯化锌

11、法加热的温度控制在,600,700,这样加热,处理一定时间后，从炉内卸除物料，用水,漂洗,至中性，然,后进行,干燥和粉磨、包装,即可作为成品出售,化学法生产活性炭的工艺在我国活性炭产量中,占有十分重要的地位，约占活性炭总产量的,40,化学法活性炭的中孔较为发达，适合于作液相吸附,剂使用。但该法容易产生较严重的空气污染和水污,染，特别是氯化锌法污染严重，已趋于淘汰,原料,粉碎,浸渍,活化剂溶液,干燥,炭活化,漂洗,烘干,成品,化学法制备活性炭的基本原理,将氯化锌、磷酸等化学品渗入原料原始孔隙,中，这些化学品与原料孔隙表面上的有机质发生,化学反应，形成部分挥发性气体产物、流动性液,体产物或水溶性盐

12、类，从而导致原料内部部分有,机物质的“失去”，最终生成孔隙，使其具有吸,附能力,2,物理活化法,物理活化法也称为气体活化法。,物理活化法”的,称谓是不符合实际情况的，但多年来人们习惯了，也不,作纠正。该方法准确的叫法是,气体活化法或水蒸汽活,化法,物理活化法处理的原料一般为具有一定粒度的,颗粒状含碳物质。煤基活性炭的生产常采用物理活化法,2,物理活化法,通常物理活化法至少经过,炭化和活化,两个步骤。对,于成型炭还要经过,原料磨粉、与粘结剂混捏和成型、炭,化等步骤,原料炭化后获得具有一定机械强度和初步孔隙结构,的炭化料，然后在一定温度下通入,CO,2,O,2,水蒸气,空气等活化剂，与固体炭材料进

13、行反应,使炭基体内部,的部分碳被烧蚀,从而在炭基材上形成可观的孔隙，制,备出炭质多孔材料活性炭,物理活化法现多用于煤质活性炭的制备,2.1,活化造孔理论,活化时由于在不同的方向上碳烧失的速度不同，最终,导致了孔隙的形成,从微观结构来看，结晶态碳材料的纯度高，杂质元素,少，易于形成结构一致的晶体。非结晶态碳材料中的杂原,子数量多，且多以化合态与碳结合，就很难形成结构一致,的晶体结构,非结晶态碳材料也是由结构均匀的类晶体杂乱无章地,堆砌而成，即所谓的,微晶”。在微晶的边角上有大量的,杂原子存在，如氧原子、氮原子、硫原子、氢原子等，使,得电子云分布畸变，化学稳定性变差，反应的活性增大,这就是所谓的“

14、活性点”。在活性点处的碳反应速度明显,比微晶中心的碳快，孔隙在微晶交界的界面上优先生成,从而逐渐在某个方向形成孔隙。由此可见，碳微晶的杂乱,排列是孔隙形成的基础,2.2,柱状煤基活性炭生产的基本工艺,制备柱状煤基活性炭的工艺过程如图所示,煤,磨粉,捏合,粘结剂,挤条,炭化,活化,筛包,成品,3.1,研究的意义,我国水资源现状,人均水资源量少，污染严重，局面严峻,据报道，我国人均水资源量约为世界平均水平的,1/4,尤其是我国的北方，可用的水资源每年人均不到,全国平均值的,1/2,我国符合饮用水卫生标准的水仅占,10,基本符合,标准的占,20,不符合饮用水标准的达,70,3,城市污泥制备活性炭,2

15、007,年太湖蓝藻爆发,被污染的黄河水,十二五”规划加强污水处理，将会带来,水质改善，但是：产生新的问题,污水污泥排放量将迅速增大,污水污泥是城市污水处理过程中产生的固体沉淀,物，含水高达,80,左右，其中还含有许多危险成分,国内外城市污泥的处置方式及特点,1,填,埋,2,土地利用,3.2,城市污泥处置研究现状,只是转移污染，不能根本解,决污染,消除有机污染，但不好解决,重金属，且能耗高、成本高,3,焚,烧,等,高污染、高能耗、高成本,产品品质差，使用受限制,4,传统方法,制活性炭,1,消除有机污染，较好地使,重金属稳定化,2,能耗低,成本低,3,还可得到高附加,值的吸附剂，使污泥资源化,污泥秸秆共热解,制,吸,附,剂,3.3,本研究提出的方案,城市污泥与秸秆共热解可达到以下目的,1,较彻底解决污泥的各种污染,使重金属稳定化,2,减容减量,减,80,以上,3,资源化,炭粉作吸附剂，可用于污水处理等,4,无需外补能量,做到热量自给，能耗显著降低,5,大幅度降低污泥处理的成本,可大规模推广,3.4,本课题研究的初步结果,图,2,工艺条件对含炭吸附剂碘值的影响,Fig.2 Effects of preparation condition on I,2,number of carbon adsorbe