活性炭化学组成

1、活性炭化学组成元素组成 活性炭吸附特性不仅和它的孔结构有关，而且与它的化学组成也有密切关系。活性炭所含主要元素是碳，一般含量在90%-95%左右。氧和氢大部分是以化学键和碳原子相结合形成有机官能团，氧含量为4%-5%，氢含量在1%-2%左右。 活性炭的表面官能团 在制备活性炭的活化反应中，微孔进一步扩大形成了许多大小不同的孔隙，孔隙表面一部分被烧掉，化学结构出现了缺陷或不完整，此外由于灰分及其他杂原子的存在，使活性炭的基本结构产生缺陷和不饱和键，使氧和其他杂原子吸附于这些缺陷上与层面和边缘上的碳反应形成的各种键，以至形成各种表面功能基团，因而使活性炭产生了各种各样的吸附性能。 活性炭的表面官能

2、团 对活性炭的吸附性质产生重要影响的化学基团主要是含氧官能团和含氮官能团。 Boehm等又把活性炭的表面官能团分成三组：酸性、碱性和中性。酸基团为羧基（COOH）、羟基（-OH）和羰基（-CO）；碱性基团为-CH2或-CHR基；-CH2或-CHR基能与强酸和氧反应；中性基团为醌型羰基。活性炭表面的含氧官能团活性炭表面的含氧官能团 活性炭表面的含氮官能团活性炭表面的含氮官能团 Boehm滴定法 采用Boehm滴定法，可以对活性炭的表面含氧官能团进行定量分析。一般认为NaHCO3仅中和炭表面的羧基，Na2CO3可中和炭表面的羧基和内酯基，而NaOH可中和炭表面的羧基、内酯基和酚羟基。根据碱的消耗量

3、的不同，可以计算出相应官能团的量。 泽塔电位在体系外部加上电场时，带电的固体颗粒便向着与其电荷相反的电极方向移动(电泳)。此时，在双电层上形成了从颗粒表面开始的一至几个分子层的固定层，固定在表面上并与颗粒一起移动。处于其外侧的液体称作移动层，不固定在颗粒的表面上而停留在原处。该面定层与移动层的境界面称作滑动面；此滑动面勺远离颗粒表面的均匀的溶液本体之间的电位差，便是泽塔电位(电位)。固体表面的双电层与泽塔电位X射线光电子能谱XPS（X-ray photoelectron spectroscopy) 是一种有效的检测表面化学结构的分析手段。 光电效应 价电子、内层电子结合能高能X射线原子光电子(

4、逃逸深度0.5-2nm)表面的元素组成、及元素的结合形式X射线光电子能谱390395400405410 IntensityBinding energy(eV)a390395400405410b IntensityBinding energy(eV)含氮表面官能团的含氮表面官能团的xps能谱能谱X射线光电子能谱520525530535540545 IntensityBinding energy (eV)a520525530535540545 IntensityBinding energy (eV)b含氮表面官能团的含氮表面官能团的xps能谱能谱傅立叶红外变换光谱FT-IR (Fourier tr

5、ansform infrared spectroscopy)FT-IR分子的转动态、振动态吸附物中心被吸附与表面间键合性质活性炭的特殊性：黑色、吸光程序升温脱附 Temperature programmed desorption (TPD)热重热重FT-IRMS质谱 Mass Spectrometry 活性炭的性能检测物理性能检测 水分、灰分、挥发份、固定碳、强度（耐磨、抗碎）等。 强度 旋转、打击组合 耐磨、抗碎 装填密度 100ml量筒 g/cm3 漂浮率 液相漂浮 %活性炭的性能检测吸附性能检测 碘值 微孔的表征 生产中应用最广 mg/g 亚甲基蓝 中孔的表征 分光光度计 mg/g 四氯

6、化碳吸附率 气相吸附能力 一定温度条件下，一定四氯化碳蒸汽浓度通过活性炭床层，60min/15min 饱和 此外，水容量、苯酚、饱和硫容量、穿透硫容量、防护时间等。分子探针模型化合物活性炭的性能检测化学性能检测 工业分析 元素分析 有害杂质 pH值、水溶物含量、酸溶铁、重金属、微量元素等 其它 活性炭的制备原材料选择 制备活性炭的原材料非常广泛，主要可分为三大类：植物类、矿物类和树脂类。植物类原材料有：木材、果壳、农业废弃物等；矿物类原材料有：煤、石油焦等；树脂类原料主要有：酚醛树脂等。对煤焦油、废旧轮胎等工业废弃物进行适当处理也可以生产出具有一定吸附能力的活性炭，还可以解决城市中部分废弃物的

7、处理问题，具有重要环保意义，并能创造出一定的经济效益 活性炭的制备制备方法制备工艺过程：活化炭化前处理粒度、灰分化学活化法物理化学活化法物理活化法活性炭的制备炭化炭化可以去除小分子有机物及挥发分，得到适宜于活化的初始孔隙和具有一定机械强度的炭化料。炭化实质是原材料中有机物的热解过程，包括热分解反应和缩聚反应。F.Rodriguez-Reinoso 认为，植物类原材料(如椰壳、橄榄核等)的炭化过程可大致分为三个阶段： 在300 K -470 K温度范围内脱水； 470 K-770 K时初步热解，大部分气体和焦油挥发出来，形成基本炭框架； 770 K-1120 K时炭架结构强化，并有微小失重。随着

8、炭化温度升高，烧失率显著增加，同时颗粒也在收缩，炭化料堆密度略有降低 。活性炭的制备活化 物理活化法 用合适的氧化性气体（水蒸气、二氧化碳、氧气或空气）对炭化物进行活化处理，通过开孔、扩孔和创造新孔，形成发达的孔隙结构。一般活化过程中发生如下反应： C+H2O=H2+CO（H=117KJ/mol） C+CO2=2CO（H=159KJ/mol） 通过上述两反应消耗碳原子，从而创造出丰富的微孔。 活性炭的制备活化物理活化的影响因素物理活化的影响因素 活性炭的孔隙率除了与制备活性炭的原材料性质有关外，还与炭化、活化条件（如炭化温度、炭化时间、活化温度、活化时间、等）有着密切的关系。 利用物理活化法制

9、备HSSAAC时往往添加催化剂进行催化活化。如日本专利采用过度金属化合物作催化剂，不仅减少了反应时间，而且获得了比表面积达到20002500m2/g的HSSAAC。有代表性的过渡金属化合物有Fe(NO3)3、Fe(OH)3、FeBr3、Fe2(SO4)3、Fe2O3、Ni(NO2)2、Co(NO2)2等。 活性炭的制备活化 化学活化法 化学活化法就是将化学药品加入原料中，然后在惰性气体的保护下进行加热，同时进行炭化和活化的一种方法。 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、H3PO4等，其中以K

10、OH作为活化剂制得的活性炭吸附性能最优异 。活性炭的制备活化KOH的活化机理 立本英机曾研究过KOH与石油焦的混合物加热升温时所产生的气体组成，所得结果如图所示。 300左右开始产生大量的水蒸气 400左右时，气体产物中开始出现氢气和甲烷，大于500时，才出现少量CO与CO2，这一点与水蒸气活化时气体产物的组成中存在大量CO和CO2是大不相同的。活性炭的制备活化理论分析表明发生的主要反应有： 2KOHK2O+H2O 脱水反应 C+H2OH2+CO 水煤气反应 CO+H2OH2+CO2 水煤气转移反应 K2O+CO2K2CO3 转变为碳酸盐 K2O+H22K+H2O 生成金属钾 K2O+C2K+

11、CO 生成金属钾 气体产物中主要成分是H2，仅观察到极少量的CO、CO2、CH4及焦油状的物质。活化过程中选择性反应消耗掉的碳主要生成了K2CO3，选择性反应的结果使产物具有发达的孔隙结构和很大的比表面积。 当温度上升到800左右时，反应体系中出现金属钾蒸汽（金属钾的沸点为762），这是由于高温下，K2O被H2或碳还原的结果。显然金属钾的蒸汽不断的挤入已生成的微孔和石墨微晶的层间还会继续对活性炭起催化活化作用。 活性炭的制备活化活性炭的制备活化 活化过程中，活化剂首先会选择原料煤中非碳原子（灰分）和一些活性较强的无序碳进行反应，形成初步的微孔结构。随着活化的进行，除了生成新的微孔以外，KOH还

12、可通过刻蚀已形成的微孔壁上的碳原子而起到扩孔作用。因而孔径分布逐渐变宽，孔容增大。 活性炭的制备活化物理-化学联合活化法 物理-化学联合活化法就是将物理活化中的气体和化学活化中的化学物质相结合共同对炭材料进行活化，使炭材料具有发达孔隙结构的方法，这种方法可以得到性能较高的活性炭材料。采用物理-化学联合活化法可以制备具有较高中孔率的HSSAAC。化学活化法活性炭的制备及其影响因素化学活化法活性炭的制备及其影响因素1.高纯氮, 2.氮气减压阀, 3.气体转子流量计, 4.活化炉,5.活化釜, 6.热电偶, 7.控温仪, 8.尾气处理装置活性炭的制备装置活性炭的制备装置活性炭的制备活化剂用量0.00

13、.20.40.60.81.002004006008001000120014001600 Adsorption volume (cm3/g)Relative pressure (p/p0) TACK1 TACK2 TACK3 TACK4 TACK5不同用量的活化剂所制活性炭的不同用量的活化剂所制活性炭的N2吸附等温线吸附等温线 活性炭的制备活化剂用量01234560.000.050.100.150.2001234560.000.050.100.150.2001234560.000.050.100.150.2001234560.000.050.100.150.2001234560.000.050.

14、100.150.20 TACK5 TACK1 Incremental pore volume (cm3/g) TACK2 TACK3 Pore width (nm) TACK4不同用量的活化剂所制活性炭的孔径分布不同用量的活化剂所制活性炭的孔径分布 活性炭的制备活化剂用量0246100015002000250030003500KOH/Coal ratioSpecific surface area (m2/g)0.51.01.52.0Pore Volume (cm3/g)活性炭的比表面积、孔容与活化剂用量的关系活性炭的比表面积、孔容与活化剂用量的关系 02465055606570758085 K

15、OH/Coal ratioYeild (%)0.20.30.40.50.6Apparent density (g/cm3)活性炭的制备活化剂用量活性炭收率、表观密度与活化剂用量的关系活性炭收率、表观密度与活化剂用量的关系 SampleChemical ratioYield/%Density/g/cm3Iodine value/mg/gMethylene blue value/mg/gTACK1182.030.60139850TACK2279.030.382386328TACK3372.010.282697486TACK4462.040.212843508TACK5554.500.1929565

16、28不同碱炭比下活性炭的收率、表观密度及吸附性能不同碱炭比下活性炭的收率、表观密度及吸附性能 活性炭的制备活化剂用量活性炭的制备活化温度75080085090028003000320034003600Temperature (0C)Specific surface area (m2/g)1.51.61.71.8Pore Volume (cm3/g)活性炭的比表面积、孔容与活化温度的关系活性炭的比表面积、孔容与活化温度的关系 活性炭的制备活化温度7508008509005560657075 Temperature (0C)Yeild (%)0.100.150.200.250.30Apparent

17、 density (g/cm3)活性炭收率、表观密度与活化温度的关系活性炭收率、表观密度与活化温度的关系 样品温度 SBET m2/gVtcm3/g收率/ %密度/ g/cm3碘值/mg/g亚甲基蓝/ mg/gH175028431.5869.240.272602362H280030591.6662.040.212843508H385032031.7360.530.202870532H490033111.7859.890.192880543不同活化温度下活性炭的孔结构、收率、表观密度及吸附性能不同活化温度下活性炭的孔结构、收率、表观密度及吸附性能 活性炭的制备活化温度0.51.01.52.02.

18、53.03000350040004500Retention time (h)Specific surface area (m2/g)1.61.82.02.22.4Pore volume (cm3/g)活性炭的比表面积、孔容与活化时间的关系活性炭的比表面积、孔容与活化时间的关系 活性炭的制备活化时间活性炭的制备活化时间012358606264 Retention time (h)Yeild (%)0.1900.1950.2000.2050.2100.215Apparent density (g/cm3)活性炭收率、表观密度与活化时间的关系活性炭收率、表观密度与活化时间的关系 活性炭的制备活化时间

19、样品温度 SBET m2/g中孔率收率/ %密度g/cm3碘值/mg/g亚甲基蓝/ mg/gT10.5298760.2363.270.212838494T21305963.8662.040.212843508T32452688.6660.140.193030568T43363190.1359.590.192865527不同活化时间下活性炭的孔结构收率、表观密度及吸附性能不同活化时间下活性炭的孔结构收率、表观密度及吸附性能 活性炭的制备活化剂0.00.20.40.60.81.0020040060080010001200 Adsorption volume (cm3/g)Relative pres

20、sure (p/p0) ACN ACK2N8 ACK4N6 ACK9N1 ACK不同组成的活化剂所制活性炭的不同组成的活化剂所制活性炭的N2吸附等温线吸附等温线 活性炭的制备活化剂0204060801002000220024002600280030003200Mass ratio of KOH (%)Specific surface area (m2/g)1.21.31.41.51.61.7Pore volume (cm3/g)活性炭比表面积、孔容与活化剂组成的关系活性炭比表面积、孔容与活化剂组成的关系 活性炭的制备活化剂01234560.000.050.100.1501234560.000.050.100.1501234560.000.