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如何選擇活性炭?
來源: | 作者:源洋水處理設(shè)備 | 發(fā)布時間: 2022-02-10 | 265 次瀏覽 | 分享到:
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(yīng)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(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達,比表面積大、吸附能力強的一類微晶質(zhì)碳素材料,是一種常用的吸附劑、催化劑或催化劑載體?;钚蕴堪丛蟻碓纯煞譃椋耗举|(zhì)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(tài)可分為:粉狀、顆粒狀、不規(guī)則顆粒狀、圓柱形、球形和纖維狀等。活性炭的應(yīng)用極其廣泛,其用途幾乎涉及所有的國民經(jīng)濟部門和人們?nèi)粘I?,如水質(zhì)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(jīng)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(zhì)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(yōu)良的吸附劑,主要是由于其具有獨特的吸附表面結(jié)構(gòu)特性和表面化學(xué)性能所決定的。活性炭材料的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)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(jīng)廣泛地應(yīng)用于化工、環(huán)保、食品加工、冶金、藥物精制、軍事化學(xué)防護等各個領(lǐng)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(lǐng)域,在治理環(huán)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(xué)結(jié)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(xué)結(jié)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(zhuǎn)換成活性炭。在此活化過程中,巨大的表面積和復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)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(zhì)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(nèi)的緣故?;钚蕴渴怯珊繛橹鞯奈镔|(zhì)作原料,經(jīng)高溫炭化和活化制得的疏水性吸附劑?;钚蕴亢写罅课⒖祝哂芯薮鬅o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(shù)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(tài)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(xiàn)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(fā)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(jù)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(xué)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(xué)鍵時稱為化學(xué)吸附。物理吸附的吸附強度主要與活性炭的物理性質(zhì)有關(guān),與活性炭的化學(xué)性質(zhì)基本無關(guān)。由于范德華力較弱,對污染物分子的結(jié)構(gòu)影響不大,這種力與分子間內(nèi)聚力一樣,故可把物理吸附類比為凝聚現(xiàn)象。物理吸附時污染物的化學(xué)性質(zhì)仍然保持不變。
由于化學(xué)鍵強,對污染物分子的結(jié)構(gòu)影響較大,故可把化學(xué)吸附看做化學(xué)反應(yīng),是污染物與活性炭間化學(xué)作用的結(jié)果。化學(xué)吸附一般包含電子對共享或電子轉(zhuǎn)移,而不是簡單的微擾或弱極化作用,是不可逆的化學(xué)反應(yīng)過程。物理吸附和化學(xué)吸附的根本區(qū)別在于產(chǎn)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(xué)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(shù)和吸附光譜等方面表現(xiàn)出一定的差異。活性炭吸附技術(shù)在國內(nèi)用于醫(yī)藥、化工和食品等工業(yè)的精制和脫色已有多年歷史。20世紀70年代開始用于工業(yè)廢水處理。生產(chǎn)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(yè)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(nóng)藥和石油化工產(chǎn)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(yè)廢水二級或三級處理的主要方法之一。
吸附是一種物質(zhì)附著在另一種物質(zhì)表面上的緩慢作用過程。吸附是一種界面現(xiàn)象,其與表面張力、表面能的變化有關(guān)。引起吸附的推動能力有兩種,一種是溶劑水對疏水物質(zhì)的排斥力,另一種是固體對溶質(zhì)的親和吸引力。廢水處理中的吸附,多數(shù)是這兩種力綜合作用的結(jié)果?;钚蕴康谋缺砻娣e和孔隙結(jié)構(gòu)直接影響其吸附能力,在選擇活性炭時,應(yīng)根據(jù)廢水的水質(zhì)通過試驗確定。對印染廢水宜選擇過渡孔發(fā)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(zhì)分子的大小與炭孔隙直徑愈接近,愈容易被吸附;吸附質(zhì)濃度對活性炭吸附量也有影響。在一定濃度范圍內(nèi),吸附量是隨吸附質(zhì)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(zhì)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(zhì),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(jīng)過活化后碳晶格形成形狀和大小不一的發(fā)達細孔,大大增加比表面積,提高吸附能力?;钚蕴康募毧子行О霃揭话銥?-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(zhì))充分接觸。當這些氣體(雜質(zhì))碰到毛細管被吸附,起凈化作用?;钚蕴康谋砻娣e研究是非常重要的,活性炭的比表面積檢測數(shù)據(jù)只有采用BET方法檢測出來的結(jié)果才是真實可靠的,國內(nèi)有很多儀器只能做直接對比法的檢測?,F(xiàn)階段國內(nèi)外比表面積測試統(tǒng)一采用多點BET法,國內(nèi)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(chǔ)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(tài)物質(zhì)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(xiàn)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(dǎo)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?qū)崿F(xiàn)BET法檢測功能的儀器(兼?zhèn)渲苯訉Ρ确ǎ?,更重要的F-Sorb 2400比表面積測試儀是迄今為止國內(nèi)唯一完全自動化智能化的比表面積檢測設(shè)備,其測試結(jié)果與國際一致性很高,穩(wěn)定性也很好,同時減少人為誤差,提高測試結(jié)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(tǒng)及運行方式等?;钚蕴磕苡行铰却鸁N、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(zhì)的中間降解物質(zhì),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%?;钚蕴课椒ㄅc其他處理方法聯(lián)用,出現(xiàn)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(xué)特性
活性炭的吸附除了物理吸附,還有化學(xué)吸附?;钚蕴康奈叫约热Q于孔隙結(jié)構(gòu),又取決于化學(xué)組成。
活性炭不僅含碳 ,而且含少量的化學(xué)結(jié)合、功能團開工的氧和氫,例如羰基、羧基、酚類、內(nèi)酯類、醌類、醚類。這些表面上含有的氧化物和絡(luò)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(zhì)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(yīng)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(yīng)是孔隙容積而不應(yīng)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(zhì)直接影響活性炭應(yīng)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(zhì)活性炭2、獸骨 / 血活性炭3、礦物質(zhì)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(xué)法活性炭(化學(xué)炭)2、物理法活性炭(物理炭)3、化學(xué)–物理法或物理–化學(xué)法活性炭
5.3、按外觀形狀分:
1、粉狀活性炭2、顆?;钚蕴?、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(zhì)分類:
1、種類:原料2、木質(zhì)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(zhì)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(shù)指標

注:選用優(yōu)質(zhì)木炭和木屑為原料,采用物理法和化學(xué)法精制而成。產(chǎn)品為黑色粉末狀,無毒無味,孔隙發(fā)達,不含對水質(zhì)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(yōu)點。能有效吸附液相中大小分子結(jié)構(gòu)不良物質(zhì),廣泛應(yīng)用于生活污水、化工污水、醫(yī)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(zhì)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(zhì)如:氯、酚、汞、鉛、砷、氯化物、洗滌劑、農(nóng)藥、化肥等污染物具有很高的去除率。
具體主要技術(shù)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(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)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(zhì)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(zhì)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