佛山市萬展活性炭科技有限公司
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活性炭是一種黑色粉狀,粒狀或丸狀的無定形具有多孔的碳,主要成分為碳,還含少量氧、氫、硫、氮、氯。也具有石墨那樣的精細結構,只是晶粒較小,層層間不規則堆積。具有較大的表面積(500~1000米2/克),有很強的吸附性能,能在它的表面上吸附氣體、液體或膠態固體;對于氣體、液體,吸附物質的質量可接近于活性炭本身的質量。其吸附作用具有選擇性,非極性物質比極性物質更易于吸附。在同一系列物質中,沸點越高的物質越容易被吸附,壓強越大溫度越低濃度越大,吸附量越大。反之,減壓,升溫有利于氣體的解吸。常用于氣體的吸附、分離和提純,溶劑的回收,糖液、油脂、甘油、藥物的脫色劑,飲用水及冰箱的除臭劑,防毒面具中的濾毒劑,還可用作催化劑或金屬鹽催化劑的載體。早期生產活性炭的原料為木材、硬果殼或獸骨,后來主要采用煤,經干餾、活化處理后得到活性碳生產方法有:
不同制造方法的活性炭分類 | |
種類 | 造孔活化劑 |
化學藥品活化法活性炭 | 氯化鋅、磷酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉等化學藥品 |
強堿活化法活性炭 | 氫氧化鉀、氫氧化鈉等 |
氣體活化法活性炭 | 水蒸氣、二氧化碳、煙道氣和空氣等 |
水蒸氣活化法活性炭 | 水蒸氣 |
物理化學法 | 化學藥品與氣體先后或者同時組合使用 |
詳解活性炭制造方法:
1.1 原料
幾乎所有含碳材料都可用來征稅活性炭,例如木材、鋸屑、泥炭、稻草等含纖維素材料通常僅以化學品活化法處理。有使用稻草和玉米稈的蹭試驗,也有以豆渣為原料用碳酸鉀的活化制成活性炭。
雖然通常在氣體活化法中先要把原料炭化,但是國外公司有用泥炭直接氣體活化,而不以蹭的炭化的報道。
很適用于氣體活化法的原料是木炭、堅果殼炭、褐煤或泥炭制得的焦炭。
1.2 活化
制造活性炭的關鍵工藝是活化。由于所用活化劑的不同,可分為兩類方法:
(1) 用氯化鋅或磷酸等化學品為活化劑的化學品活化法;
(2) 用水蒸氣或二氧化碳等為活化劑的氣體活化法。
前者稱為化學活化法,后者稱為物理活化法。其實兩類活化過程都各自民生質的變化,都是化學變化的過程。
1.2.2化學品活化法
(一) 氯化鋅活化法
以化學品氯化鋅為活化劑。
將0.1-0.5份氯化鋅濃溶液和1份泥炭或鋸屑混合,在轉爐中干燥,加熱到600-700℃,成品以酸洗和水洗回收鋅鹽。有時化學品活化后繼續進行水蒸氣活化,藉以增加大量的細孔。
氯化鋅活化的活性炭具有較多大也。雖然這是有效和簡單的方法,但因鋅化合物化合物的環境污染而漸衰。
(二) 磷酸活化法
以化學品磷酸為活化劑。
炭化的或未炭化的含碳物作起始原料。例如將研細的鋸屑和磷酸混成漿狀,在轉爐中干燥,加熱到100-600℃。萃取回收磷酸,有時中和后回收磷酸鹽。干燥得活性炭,一般較氯化鋅法的活性炭具有更細的細孔。
也可采用磷酸和水蒸氣聯合活化法。近年磷酸活化法趨向廣泛應用,磷酸回收等革新未見發表。
(三) 氫氧化鉀活化法
以化學品氫氧化鉀為活化劑。
將含碳原料以熔融的無水氫氧化鉀處理,激烈的反應產生非常高的多孔性,比表面積可高達3000m2/g。
(四) 其他化學品活化法
硫酸、硫化鉀、氯化鋁、氯化銨、硼酸鹽、硼酸、氯化鈣、氫氧化鈣、氯氣、氯化氫、鐵鹽、鎳鹽、硝酸、亞硝氣、三氧化二磷、金屬鉀、高錳酸鉀、金屬鈉、氧化鈉和二氧化硫均可用于活化。
1.2.2氣體活化法
以水蒸氣、二氧化碳或兩者混合氣體為活化劑,將含碳物料和氣體在轉爐或者沸騰爐內,在800-1000℃高溫下進行碳的氧化反應,制成細孔結構發達的活性炭。
水蒸氣、二氧化碳和碳的反應是吸熱反應,而氧和碳的反應是很強的放熱反應,因此爐內反應溫度難以控制,尤其要避免局部過熱,防止不均勻活化更難,故氧或空氣不宜作為活化劑。有時使用空氣和水蒸氣的混合氣體,用碳的燃燒作為熱源。多數情況下用煙道氣和水蒸氣的混合氣體,由于不可避免地會混入少量氯氣,造成水蒸氣、二氧化碳和氧氣三種氣體同時參與活化。
值得注意:在混合氣體中少量的氧會使活性炭具有很大的孔隙。氧與碳的作用速度百倍于二氧化碳,而且因鉀鹽存在而大增,因此含鉀的原料在含氧的氣體中會劇烈反應,以致發生失控的燃燒而不是活化。
各種少量化合物,例如堿金屬和堿土金屬的鹽類,幾乎全部氯化物、硫酸鹽、醋酸鹽和碳酸鹽,還有大多酸類和氫氧化物,在氣體活化中具有催化加速作用。工業上常用的催化劑是氫氧化鉀和碳酸鉀,用量在0.1%到5%之間。以固態催化劑和含碳物料混合,或以溶液加入,或成型低溫炭化。
如果煙煤中加堿金屬鹽類活化,那么不單用水蒸氣活化,而要用含二氧化碳的混合氣體活化。
1.3活化爐:活化爐的型式很多。國外活性炭制造工廠采用的爐型主要有豎爐、轉爐和流化床爐等。
(1) 豎爐:原由幾個簡單垂直的燃燒室構成,室壁砌以耐火磚。后來改進混料,又設法控制爐內氣流的方向、速度和溫度。該爐還可用來再生回收炭。
(2) 轉爐:是最通用的臥式活化爐。
(3) 流化床爐:又稱沸騰床爐,是固體粒子補充流體吹成懸浮狀態,氣固之間傳熱、傳質速率快,但粒子磨損大,以前常以間歇法生產粉炭,現已民展成連續生產,并能制成而磨的粒炭。
我國目前常用的活化爐主要有:
(1) 斯列普爐:又稱鞍式爐,因其活化帶的耐火磚是馬鞍型,原為法國專利,20世紀50年代由原蘇聯引進我國。后經一系列改進,成為我國目前生產顆粒狀活性炭的最主要爐型。
活化氣體:水蒸氣。
主要優點:連續生產、產量大、質量高、過熱蒸汽溫度高、穩定、不需外部供熱。
主要問題:對原料要求高、造價高、技術要求高、維修費用大。
(2) 燜燒爐:
活化氣體:燃煤所產生的高溫煙道氣。
主要優點:簡單投資省。
主要問題: 耗燃料多、活化不均勻、勞動強度大、粉塵大。
(3) 土耙爐:
活化氣體:水蒸氣(空氣)
主要優點:最簡易爐型。
主要問題:得率低、質量不高、原始作坊式、污染環境。
(1) 多管爐:
活化氣體:水蒸氣
主要優點:不需燃料、穩定、易控制、產量較大。
主要問題:活化不均勻、炭質量不高、過熱蒸汽溫度低、耐火管易損壞、投資較大。
(5) 回轉爐:
活化氣體:煙道氣、水蒸氣
主要優點:連續操作、活化較均勻、適合生產氣相活性炭。
主要問題:設備龐大、熱效率差、耗燃料、成品質量較低。
(6) 沸騰爐
活化氣體:空氣、水蒸氣。
主要優點:氣固接觸好、活化均勻、機械化占地面積小。
主要問題:間歇生產、易結渣影響正常操作、耗燃料。
(7) 多層耙式爐
活化氣體:煙道氣、水蒸氣。
主要優點:國外引進大型設備、活化強度大、產量大。適應多種產品。
主要問題:投資大、技術要求高、操作費用較高。
此外,還有多管沸騰爐、外溢流式沸騰爐、旋流噴動活化爐、隧道窯活化爐、斜板式活化爐、等。
1.4活性炭后處理
去雜:活化時加過催化劑如氯化鋅、磷酸、碳酸鉀的活性炭常用酸洗或用水洗處理,以減少各種化合物含量。
低灰分活性炭可用水、鹽酸或硝酸洗滌,去除一些雜質。用于精細化學品、藥物、催化劑、催化劑載體的活性炭,需要特殊的充分洗滌。
浸漬:活性炭的浸漬是針對特定用途的一種后處理。
(1) 用于防護毒氣的活性炭銅鹽和鉻鹽浸漬。
(2) 用于去氮的活性炭以鋅鹽浸漬。
(3) 用于從含氧氣體中去硫化氫、從廢氣中去汞蒸氣的活性炭以碘化合物處理。
(1) 用于提取核裝置發生的放射性甲基碘和其他氣體的活性炭也以碘化合物處理。
(5) 用于將硫化氫和甲醛氧化為無毒物的活性炭以二氧化錳浸漬。高溫下甲醛不氧化到甲酸,而直接生成二氧化碳。
(6) 用于從低氧的氣體混合物中除去二價化合物的活性炭以鐵鹽浸漬,再加熱轉變為三價的氧化鐵。
(7) 用于從天然氣、氫氣和其他氣體中消除汞蒸氣的活性炭以元素硫處理。
(8) 用于飲用水凈化的活性炭以銀鹽浸漬。
(9) 用于各種目的的催化劑的活性炭以貴金屬化合物浸漬。例如涂鈀的活性炭是典型的氫化催化劑。
(10) 用于礦物油中硫醇的氧化的活性炭以酞菁鈷浸漬。
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