活性炭的解析及其在氧化反應(yīng)中的應(yīng)用

1、活性炭的解析及其在氧化反應(yīng)中的應(yīng)用,制作者：張玉倩 孫龍鳳 陳優(yōu) 曾心美 張海倫 賀蘭雁 唐會敏,總論,第一節(jié) 活性碳的概述第二節(jié) 活性碳的應(yīng)用行業(yè)第三節(jié) 活性炭工業(yè)應(yīng)用解析第四節(jié) 活性炭在低溫下催化氧化反應(yīng)的研究第五節(jié) 活性炭在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀,一、活性炭的概論,1 、定義 活性炭是炭在炭化時、炭化前、炭化后經(jīng)與氣體或與化學(xué)品（如氯化鋅）作用以增加吸附性能的多孔炭。（IUP

2、AC）2、歷史 活性炭作為人造材料，是在1900年和1901年才發(fā)明的，發(fā)明者是Raphael von O-strejko。 活性炭應(yīng)用歷史：（1）活性炭防毒面具，在20世紀20年代在第一次世界大戰(zhàn)中的應(yīng)用。（2）活性炭脫臭作用，在20 世紀40 年代數(shù)以百計的自來水廠中采用了活性炭脫臭。,3、性質(zhì)（1）吸附性 吸附性質(zhì)是活性炭的首要性質(zhì)?；钚蕴烤哂邢袷Яs無規(guī)則地排列的微晶

3、。在活化過程中微晶間產(chǎn)生了形狀不同、大小不一的孔隙。 微孔 25 nm 活性炭表面積理應(yīng)包括內(nèi)表面積和外表面積，事實上吸附性質(zhì)主要來自巨大的內(nèi)表面積，因此不,能誤認為：把活性炭研碎磨細會明顯提高表面積從而提高吸附力。很多吸附是可逆的物理吸附，即被吸附物為液體，在一定溫度和壓力下被活性炭吸附，在高溫低壓下被吸附物又解吸出來，活性炭內(nèi)表面恢復(fù)原狀。這是廣泛應(yīng)用的物理吸附，學(xué)

4、術(shù)上又稱為范德華吸附。（2）化學(xué)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、功能團形式的氧和氫。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。（3）催化性 活性炭在許多吸附過程中伴有催化作用，表現(xiàn)出催化劑的活性。例如活性炭吸附二氧化硫經(jīng)催化

5、氧化變成三氧化硫。 由于活性炭有特異的表面含氧化合物或絡(luò)合物的存在，對多種反應(yīng)具有催化劑的活性，例如使氯氣和一氧化碳生成光氣。,由于活性炭和載持物之間會形成絡(luò)合物，這種絡(luò)合物催化劑使催化活性大增，例如載持物鈀鹽的活性炭，即使沒有銅鹽的催化劑存在，烯烴的氧化反應(yīng)也能催化進行，而且速度快、選擇性高。 由于活性炭具有發(fā)達的細孔結(jié)構(gòu)、巨大的內(nèi)表面積和很好的耐熱性、耐酸性、耐堿性，可作為催化劑的載體。例如，有機化學(xué)中加氫、脫

6、氫、環(huán)化、異構(gòu)化等反應(yīng)中，活性炭是鉑、鈀催化劑的優(yōu)良載體。,（4）機械性 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。 表觀密度或堆密度：包含孔隙容積和顆粒間空隙容積的單位體積活性炭的重量。 體積密度或顆粒密度：包含孔隙容積而不包含 顆粒間空隙容積的單位體積活性炭的重量。 強度：即活性炭的耐破碎性。 耐磨性：即耐磨損或抗磨擦的性能。,二 活性炭的

7、應(yīng)用,含炭制品 軍用防毒面具 空氣凈化器,雜草抑制劑 香煙過濾嘴,含炭日用品,碧巖竹炭 安逸枕 居家日用,收納,禮品竹炭日用品,竹炭護理品碧巖,用于醫(yī)療,外用 治療創(chuàng)傷 活性炭可用于包扎皮膚上的各種創(chuàng)傷，尤其是用于不易愈合和常伴發(fā)炎癥的潰瘍和化膿傷口，不僅能除去臭

8、氣，而且能加快愈合。內(nèi)服 治療腸胃失調(diào)，腹部膿毒癥，卟啉癥，治療瘙癢，防醉，解毒，緩釋抗癌藥，降低血脂等。其他 防治動物中毒，血液灌流，醫(yī)學(xué)檢驗,用于環(huán)境保護,我們討論的環(huán)境保護是指自然環(huán)境中的大氣、水、土壤、環(huán)境污染問題越來越為人們引起關(guān)注。針對大氣、水、土壤、環(huán)境污染問題，有許多防治的對策，有物理的、化學(xué)的、生物的，其中應(yīng)用活性炭不失為一項重要的措施。,凈化水質(zhì) 在飲用水深度處理中,生物活性炭技術(shù)(BAC)是目前

9、去除水中有機污染物最有效的技術(shù)之一。盡管人們對生物活性炭凈水機理的認知還沒有達成共識，但是一般認為，生物活性炭對有機 物污染物的去除是在活性炭吸附和生物降解的共同作用下完成的[[1]] ，活性炭的吸附作用使生長在它表面的微生物獲得養(yǎng)料，而微生物的氧化分解作用又使活性炭的吸附能力得到恢復(fù)，兩者相互促進，得到穩(wěn)定的處理效果。因此在生物活性炭工藝中，吸附和生物降解是相輔相成，缺一不可的。因此如何針對當?shù)厮|(zhì)快速選擇出最適合的活性炭、提出相應(yīng)的

10、活性炭結(jié)構(gòu)，并最終建立起一套可行的活性炭性能評價體系成為當前急待解決的問題,凈化空氣 只有具備大量孔徑略大于有毒有害氣體分子直徑的活性炭，才有極強的吸附能力。而要達到這一要求，對活性炭的材料選擇和加工（造孔、活化）要求就極為嚴格?；钚蕴客耆蠚庀辔?，顆粒大小在20-40目，比表面積極大，內(nèi)部空隙發(fā)達，密度小，手感輕，氣泡現(xiàn)象劇烈，同樣重量體積更大，可有效凈化室內(nèi)空氣。能夠吸附空氣中的有味、有毒及各種有害氣體，特別是對空氣

11、中的甲醛、苯系物、TVOC、CO（一氧化碳）、NH3（氨氧）、O3（臭氧）CL2（氯氣）等有獨特的吸附凈化及催化的能力，廣泛用于裝修污染去除、過慮器和空調(diào)等設(shè)備中。,改良土壤 從環(huán)境污染來看，土壤是藏垢納污之地，污染物來自：污水、廢水的排放；大氣中廢氣、雜物的沉降；固體垃圾、廢渣的堆積；農(nóng)藥、化肥的使用；有害微生物的存活等，使用活性炭可以調(diào)理土壤的性能、促進植物幼苗的生長、增產(chǎn)農(nóng)作物、改善貧瘠土壤、緩釋土壤中的農(nóng)肥。,活性炭

12、的工業(yè)解析 中國活性炭進出口統(tǒng)計,* 據(jù)報道，中國從1995年到1997年出口活性炭增加了4倍，1995年中國出口活性炭53200t，而1997年出口活性炭224300t，但是根據(jù)數(shù)據(jù)分析顯示，其中統(tǒng)計的許多產(chǎn)品并不是活性炭，二十炭化煤或精制煤。,中國活性炭出口主要國家,*其中有些出口產(chǎn)品到一些國家后，被加工處理，再售往美國、歐盟、日本等國。,中國出口活性炭平均價格,*據(jù)分析，1995年中國出口到日本、美國、歐盟的活性炭

13、32200t；1997年達51800t，增加了60%以上，但平均價格下降了16%，由每噸783美元跌至660美元。,世界主要國家和地區(qū)活性炭產(chǎn)量,世界主要國家和地區(qū)活性炭產(chǎn)量,續(xù)表,活性炭在低溫下催化氧化反應(yīng)的研究,目前，活性炭的再生具有很多方法，但是，大都存在一定的局限性或者還處于實驗室研究階段。催化氧化方法應(yīng)用于活性炭再生具有反應(yīng)快、能耗低等特點。國外及國內(nèi)一些大學(xué)也已有過實驗性的研究并取得了一定的成果，但均是應(yīng)用于顆?；钚蕴康脑偕?/p>

14、。考慮到粉狀炭和粒狀炭具有一定的相似性，因而將催化氧化技術(shù)應(yīng)用于粉狀活性炭的再生應(yīng)該有一定的可行性，同時，也將為粉狀活性炭的再生探索一種新的方法。,傳統(tǒng)濕式氧化法,傳統(tǒng)濕式氧化法再生效率不高，能耗大。再生溫度是影響再生效率的主要原因，但提高再生溫度會增加活性炭的表面氧化，從而降低再生效率。因此，人們考慮借助高效催化劑，采用催化濕式氧化再生活性炭。同濟大學(xué)水環(huán)境控制欲資源化研究國家重點實驗室的科研人員正在開展此方面的研究。,催化氧化再生

15、,催化氧化法再生活性炭，是在熱再生法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的活性炭再生方法，主要思路是在活性炭投入吸附之前，預(yù)先在活性炭上負載具有催化氧化化作用的物質(zhì)，由于催化劑的作用，活性炭上有機物吸附質(zhì)的分解反應(yīng)的活化能大大降低了，再生反應(yīng)在較低的溫度下即可進行，從而能有效地實現(xiàn)低溫操作和在線操作，縮短了反應(yīng)時間。催化劑的存在不僅使有機物的分解溫度降低了，也是活性炭的氧化溫度降低了，通過控制再生溫度在有機物氧化溫度與活性炭氧化溫度的范圍內(nèi)，可以有效

16、地避免活性炭的燒失，從而能夠有效的實現(xiàn)低溫再生和在線操作。 這種方法在國外得以較為系統(tǒng)的研究。1975年，Nwankwo和Turk首次在活性炭上負載金屬氧化物，比如Cr2O3、CuO、Co3O4、V2O5、WO3和Pt、Pd等金屬催化氧化再生活性炭，研究結(jié)果表明，活性炭上吸附的苯乙烯和苯在低溫下可以完全分解，從而活性炭可以在低溫下得到再生。一些早期工作者也做了關(guān)于催化氧化再生的初步研究工作。,一些研究者對催化氧化法中應(yīng)用的

17、催化劑既要能激發(fā)高的反應(yīng)活性又要保證吸附質(zhì)的分解溫度盡量低于活性炭的氧化溫度。Kochetkova等對各種金屬氧化物對苯酚的液相氧化的氧化性能進行了研究，列出了催化活性順序：CuO>CoO>Cr2O7>NiO>MnO2>Fe2O3>YO2>Cd2O3>ZnO>TiO2>Bi2O7，同樣Simonov等在225~440℃的溫度范圍內(nèi)對氣相催化氧化進行了研究，列出相應(yīng)催化劑活性順

18、序：Pt>Cu>(Cu+Cr)>CuO>CuO+Cr2O3>V2O7>Cr2O3>Fe2O3>MnO2>ZnO。近年來，Yurii.Matatow-Meytal等對翠湖氧化再生研究較為系統(tǒng)，他們采用Fe2O3、CuO、Cr2O3等的混合物為催化劑，對飽和酚類活性炭的直接在線氣相催化氧化法進行了系統(tǒng)的研究。通過熱重量分析等方法確定再生溫度為240~290℃之間，在該實驗條件下，經(jīng)過多

19、次再生循環(huán)后，吸附苯酚的活性炭的再生效率仍幾乎可達到100℅。由于催化劑的作用，再生溫度降低了，再生效率和速率提高了，改變。但活性炭對酚類的吸附本質(zhì)卻沒有改變。,再生條件的確定（粒狀炭為例）1.再生時間的影響,再生時間較短，苯酚去除率偏低顯然是苯酚的氧化不夠完全所致，再生時間偏長時，活性炭已經(jīng)開始了炭表面的部分氧化，致使對苯酚的吸附能力下降，再生率偏低。結(jié)果表明，再生時間以60分鐘為宜。2.再生溫度的影響,,在較低溫度下，活性炭再生