炭气凝胶吸附性能研究
介孔碳材料特异性吸附低密度脂蛋白的研究
二O一O年11月
介孔碳材料特异性吸附
低密度脂蛋白的研究
【摘要】
【关键字】
一、背景
碳是自然界储量丰富和存在形式变化最多的元素。与其它无机非金属材料相比，碳元素的特点之一是存在着众多的同素异形体，其原子间除单键外，还能形成稳定的双键和叁键，从而形成许多结构和性质完全不同的物质，人们所熟知的就有金刚石、石墨和不同石墨化程度的各种过渡态炭，近年来又发现了以C60为代表的富勒烯和碳纳米管。由于炭元素键合方式的多样化，炭材料的特性几乎可包括地球上所有物质的各种性质甚至相对立的性质，如从最硬到极软，全吸光到全透光，绝缘到半导体直至高导体，绝热到良导体，铁磁体到高临界温度的超导体等。从特性来看，炭材料可以是兼有金属、陶瓷和高分子材料三者性能于一身的独特材料。近年来对炭材料的认识又有飞跃性的发展，发现炭在纳米尺度的不同组装或排列方式对炭材料的性能有本质的影响。由于纳米孔结构炭材料有良好的结构可设计性，表面积、孔结构及表面物理化学性质的可控制性，可根据不同应用对其结构的要求设计出相应的纳米孔结构炭材料，因此纳米孔结构炭材料的结构设计与可控制备及其在能源、催化和生物领域的应用成为该领域的一个重要研究方向。
（一）、多孔材料概述
从20世纪60年代美国对高比表面积活性炭的研究开始，多孔材料第一次作为一门新兴的材料学跃上了材料研究的舞台，并发挥了重要的作用，成为材料研究领域不可缺少的一部分。随着科学技术的迅速发展，多孔材料的发展也更加迅猛，不仅局限于某一方面，而且逐步面向工业生产和日常生活的每一个方面。与一般材料不同，多孔材料不仅能和原子、离子和分子在材料的表面发生作用，而且这种作用还能贯穿于整个材料的体相内的微观空间。由于这种独特的性能，多孔材料在多相催化、吸附分离、传感器、天然气和氢气储存、电化学电极材料等众多领域有广泛的应用前景，一直受到人们的关注，全世界有上千个实验室开展相关研究。
根据国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）的规定，孔径小于2 nm称为微孔材料（microporous materials），孔径介于2-50 nm为中孔或介孔材料（mesoporous materials），而孔径大于50 nm
称为大孔材料（macroporous materials）。其中常见的微孔材料有沸石、活性炭以及有机金属调和
聚合物等，中孔材料包括气凝胶、层状粘土、MCM系列和SBA系列有序中孔氧化硅材料，大孔材料主要包括有多孔陶瓷等。
（二）、炭气凝胶
1、炭气凝胶结构
炭气凝胶(Carbon Aerogels)是经溶胶一凝胶、超临界干燥及炭化过程制备的一种新型轻质纳米多孔无定形炭素材料．其孔隙率高达80～98%，典型孔隙尺寸小于5Onm，网络胶体颗粒尺寸3～20nm，比表面积高达600～lO00m2/g，密度变化范围0.05～0.80g/cm3，是一种具有许多优异性能(导电性、光导性、绝热性等)和广阔应用前景的功能性材料。
气凝胶是最轻的凝聚态固体材料口，具有特殊的纳水结构，从而导致了其独特的性能和用途。进入八十年代气凝胶的研究异常活跃，在制备和性能的基础和应用研究方面已取得引人注目的成绩。其中最具影响力的进展之一是美国Lawrance Livermore国家实验室Pekala R.W。在1987年首次制备出有机气凝胶．并炭化得到炭气凝胶。虽然经过近十年的研究开发有机气凝胶和炭气凝胶，但与无机气凝胶相比，还处于研究起步阶段，有许多规律和应用需要进一步研究和开拓。尤其是炭气凝胶与众多的高新技术相联系，我们认为其研究必将有利于高新技术的发展。
2、炭气凝胶的性质
（1）气凝胶的微孔特性
通过低温N2吸附法可测量气凝胶的比表面积和孔径分布，气凝胶是典型的中孔材料，最可几孔径通常小于50nm，比表面积约200～1100㎡/g，控制溶胶一凝胶过程的合成条件可以控制孔结构。但N2吸附过程可能使一些闭孔无法检测，同时测试结果的计算涉及到模型的选择问题，不同的模型得到的结果往往相差较大，因而不能完全真实反映气凝胶的孔径分布和总孔容。
核磁共振(NMR)结合傅立叶红外光谱(FTIR)可以从分子水平了解凝胶网络结构中交联键的形成
过程，为合成机理的论证提供依据。高分辨透射电镜(HRTEM)和扫描电镜(SEM)则从直观图象给出气凝胶的内部交联网络结构,但是高压电子束与气凝胶纤细网络之间的相互作用容易引起气凝胶结构
的烧结，导致气凝胶电镜图象变形。
小角散射(SAX)是目前表征气凝胶最可信、最有力的手段，且对样品没有损害。散射结果可以反映网络和粒子的分形特征，孔、团簇和粒子的关联长度。硅气凝胶具有典型的分形特征，而有机气凝胶的分形行为还不能确定。硅气凝胶已成为研究分形结构动力学行为的最佳材料。
（2）气凝胶的热性能
纳米多孔气凝胶具有极低的热导率。气凝胶的热导率由气相热导率、固相热导率和辐射热导率组成。降低气凝胶的周边气压是降低气相热导率的有效途径，当气压减少到10 Pa时，气相热导率可
以忽略不计，固相和辐射热导率之和仅为0．01 w/(m·K)。固相热导率与气凝胶的密度成标度关系，密度越低，固相热导率越低；辐射热导率则与气凝胶的红外吸收有关，通过在溶胶凝胶过程添加适量的红外吸收剂(如炭黑)可有效降低辐射热导率。目前室温常压掺杂硅气凝胶的热导率仅0．014
W/(m·K)，抽真空后热导率小于0．009 w/(m·K)，隔热性能最好的硅气凝胶热导率仅0．002 w/(m·K)，是热导率最低的固态材料。
（3）气凝胶的电化学性能
有机气凝胶经过炭化以后得到炭气凝胶，这是唯一具有导电性的气凝胶。炭气凝胶是一种强无序结构的纳米炭材料，与其他炭材料相比，常温下具有很高的电导率(10-25S/cm)，其常温电导率的大小由炭气凝胶的密度决定。炭气凝胶的低温电输运机制是费米能级附近跳跃电导，不同温区输运机制各不相同，相应的激活能也不同。循环伏安法测试结果显示炭气凝胶具有良好的电化学稳定性。（三）、低密度脂蛋白LDL
1、LDL的形成
LDL在血液中起到运输脂类尤其是胆固醇的作用。其形成机制比较复杂，它的产生从肝脏将极低密度脂蛋白(VLDL)捧入血液中开始。VLDL主要由肝细胞台成，其内部主要包含在肝脏中合成的甘油三酯和少部分胆周醇酯。表面有几种蛋白质：载脂蛋白B(apoB-100)、载脂蛋白E(apoE)和载脂蛋白C(apoC)等。其中apoB-100和apoE都可与LDL受体结合，但在VLDL中与受体结合的仅是apoE。当VLDL 颗粒到达脂肪组织或肌肉的毛细管时，其中的甘油三酯释放出来，并脱掉apoc，这样就生成r一种新的颗粒。其尺寸比VLDL小．富含胆固醇，但仍然含有apoB-100和apoE，这种颗粒称为中间密度脂蛋白(IDL)。
对于人类而言．大约半数的IDL将很快从血液循环中除去，(一般在其形成的2--6h内即除去)与肝细胞结台，放出胆固醇用于制造新的VLDL和胆汁酸。没有被肝脏吸收的IDL继续留在血液循环中，经过一段时间后apoE从IDL脱落，剩下的颗粒则转变为低密度脂蛋白(LDL)，此时apoB-100成为LDL中主要的蛋白质。由于apoB-100与LDL受体的亲和力较低。LDL的寿命比IDL要长，它们在与肝脏和其它组织中的LDL受体结合前，通常在体内可咀存在2 5天。
2、LDL的整体结构
LDL含有一个单分子的载脂蛋白apoB一100，几乎不含其它蛋白质。传统上，人类LDL定义为密度在1 019～1 0639／ml的脂蛋白。LDL中含19～21％蛋白质，37—43％胆固酵酯，8-11％未酯化的胆固醇，4～11％甘油三酯，22％磷脂以及约1％糖类。其数均分子量为2．7×106。假定LDL为球形，且设定其密度为1 030g/ml，则其无水半径可通过计算得到，为R=10.1nm。根据定义,Stokes半径为无水半径乘上移动摩擦系数，而LDL的移动摩擦系数为1 11。因此人类LDL的平均Stokes半径11.2,LDL
的平均尺寸和密度存在个体差异，这些差异主要由于遗传和饮食因素所引起。
关于LDL的结构，现在普遍被人们所接受的是乳状液颗粒模型(emulsion particle model)。在这个模型中，LDL颗粒近似为球形，球内部呈中性。主要为且日固醇酯(约1600个)，也有少量甘油三酯。外层为亲水亲油的单分了层，包括磷脂、术酯化的胆固醇以及一个分子的载脂蛋白apoB-100。这个亲承亲油的外层围绕着疏水的胆固醇酯和H油三酯，将其与血浆水溶液分隔开来，磷脂有序排列以使它们的亲水头部朝外，从而使得LDL可以溶解在血液中。磷脂、胆固醇和apoB-100形成的表面单分子层的厚度可根据脂蛋白组成随脂蛋白尺寸的变化估算出，为2.15nm或2.02nm。在该单分子层中，磷脂和未酯化胆固醇的摩尔比约为l：1，磷脂和胆固醇的体积占据了一个中等尺寸LDL的2 02nm厚外表层的约70％，单分子的apoB-100占据了剩下的约30％体积。实际上，LDL内核与外层的界限并不是十分分明，有少量的内桉脂类溶解在表面单分子层(约3mol％)，而约l/9的未成酯的胆固醇则溶解在内核中。
家族性高胆固醇血症(Familialh ypercholesterolemia,FH)是低密度脂蛋白受体(Lowdensity lipoprotein receptor,LD L-R)基因突变引起的一种常染色体显性遗传性疾病。纯合子患者症状严重发病率为1/100 000，血浆总胆固醇水平较正常高4倍，早年即出现严重的动脉粥样硬化(Atherosclerosis,AS )和黄色瘤。杂合子患者的发病率为1/500，由于只含有一条突变的LDL-R基因，仅50%的受体异常，同时体内存在其他代偿机制，症状较轻，黄色瘤和心肌梗死一般在30岁以后出现，40-60岁进人高峰。对于家族性高胆固醇血症由于是基因缺陷所致的高脂血症，无法通过调整饮食习惯(膳食治疗)和改善生活方式(生活方式治疗)和药物治疗获得改善。低密度脂蛋白血液净化
(LDL-apheresis)作为一种有效的治疗冠心病严重高胆固醇血症方法，近年来被广泛采用。
3、新型LDL血液吸附剂材料的要求
新型血液净化材料的开发是低密度脂蛋白血液净化研究的核心。研究重点主要集中在从配基和载体两方面人手的新型吸附剂的开发上。作为一种生物医用高分子吸附材料，必须符合以下要求仁旧:
对人体无毒，安全。具有稳定的化学性质，与人体血液接触时，不发生任何化学和生理变化。吸附剂具有较高机械强度、颗粒稳定、不易变性、破碎和脱落。具有良好的血液相容性，即不引起血栓，不破坏血细胞，不致使血浆蛋白变形，不破坏酶系统，不扰乱电解质系统，不引起有毒的免疫反应和过敏反应，不损害邻近的组织不致癌，不产生毒性反应易消毒和灭菌，易贮存等。
目前国内外研究得最多的仍是通过静电间引力与LDL结合的原理制得的离子型吸附剂。
对脂蛋白的结构研究指出，各种脂蛋白一般为球形结构，以非极性醋类(如胆固醇醋、三甘油醋等)为核心，表面是极性脂类(如磷脂)和载脂蛋白。对不同脂蛋白，其醋类物质的含量、载脂蛋白的种类和数量均有显著差异。对LDL和VLDL而言，载脂蛋白主要为ApolipoproteinB(Apo-B)；而对HDL
而言，其载脂蛋白主要为ApolipoproteinA(Apo-A)。这两种载脂蛋白在空间结构、氨基酸组成及分布上均有明显差别。在Apo-B中含有的大量赖氨酸、精氨酸和组氨酸等碱性氨基酸残基，且多暴露于载脂蛋白的表面。这些氨基酸残基在正常生理pH值环境下带正电荷。而Apo-A中碱性氨基酸残基的含量较低，且多位于载体蛋白内部。LDL和HDL由于表面碱性氨基酸残基的差异，使带电量方面有明显区别，LDL和VLDL表面带有大量正电荷基团。因此，根据静电吸引原理，聚阴离子吸附剂可选择性吸附含Apo-B的脂蛋白(LDL和VLDL)，而对HDL影响不显著。
【实验流程】
有机气凝胶的制备过程和传统的无机气凝胶的制备过程非常相近，先采用溶胶--凝胶工艺生成无序、枝状刚络结构的凝胶，采用超临界干燥工艺去除溶剂．由于有机物种类繁多，因此合成有机气凝胶的配方也很多，但目前的合成一般基于下列两组物质的聚合反应，即间苯二酚和甲醛或三聚氰(酰)胺与甲醛．合成的有机气凝胶分别称为RF气凝胶和MF气凝胶．由于RF气凝胶在惰性气体保护下经高温碳化能制备出碳气凝胶，称为CRF气凝胶．本次试验制备的是RF气凝胶。
首先将间苯二酚和甲醛以l：2的摩尔比混合，加入二次去离子蒸馏水作为溶剂调节其最终密度(加入水的量由气凝胶的密度决定)，并以适量碳酸钠作为催化剂，充分搅拌使反应溶液均匀混合后移至密闭容器内，故人恒温箱保持恒温(85±5)℃，经过一段时间的反应(即溶胶--凝胶过程)，生成红色透明的RF凝胶。
由于间苯二酚苯环的2、4或6位可以比较容易地加上甲醛分子，而替换有甲醛分子的间苯二酚之间相互凝聚，在溶液中形成一个个纳米尺度的团簇．团簇的尺寸由催化剂的量决定．最后，团簇间通过其表面官能团(如-CH2-、-CH2OH-)相互交联形成凝胶．该过程可描述如下：随着反应的进行，溶液内逐渐形成许多具有成核位的间苯二酚单体及结合形成的间苯二酚胶体小颗粒，胶体小颗粒表面具有许多-CH2-、-CH2OH官能囝，随着反应的进一步进行，更多的间苯二酚单体通过缩聚反应相互连接或连到胶体小颗粒上，这些胶体颗粒之间也通过缩聚反应相互连接，胶体颗粒逐步变大并相互聚集形成一个个团簇，这些团簇的尺寸在纳米量级，团簇之间再进一步交连，最终形成贯通整个容器的阿络结构，此时溶液不流动处于凝胶态．经过一段时间的老化，溶液中游离的间苯二酚单体、胶体颗粒、团簇等继续连到凝胶网络上，网络表面的-CH2-、-CH2OH之间继续缩聚，网络结构趋于稳定。
凝胶在超临界于燥之前先用丙酮彻底清洗，直到其孔洞中所有的水、催化剂等都被丙酮替换洗净的凝胶放入高压容器中，用液态二氧化碳替换其中的丙酮，然后进行超临界干燥，在二氧化碳的临界点以上(40℃，7.5 MPa)恒定数小时，再在维持温度不变的条件下缓慢放掉二氧化碳气体，由此即可得到RF气凝胶。
RF气凝胶在惰性气体的保护下经高温碳化处理(温度为500～I 200℃)即可得到CRF气凝胶实验
中为了防止材料受热不均而碎裂，必须缓慢加热，且通常在碳化温度处恒温4 h左右以保证均匀碳化。【实验方案及原理】
炭气凝胶的制备一般可分为:有机气凝胶的制备和有机气凝胶的炭化。其中，有机气凝胶的制备又可分为两步，即利用溶胶--凝胶方法形成有机凝胶和利用超临界干燥技术干燥有机凝胶得到有机气凝胶四。本实验采用间苯二酚--甲醛(RF)气凝胶。
第一步是间苯二酚和甲醛在碱性催化剂(Na2C03)作用下形成单/多元羟甲基间苯二酚(i)，这一步是加成反应，速度快:第二步是缩聚反应，发生在中间体(i)的羟甲基(-CH2OH)和苯环上未被取代的位置之间，以及两个羟甲基之间，分别形成以亚甲基键(一CH2一)和亚甲基醚键(-CH2OCH2-)连接的基元胶体颗粒(ii)，在这些基元胶体颗粒(ii) 中，小颗粒的溶解能力比大颗粒强，易于溶解而使大颗粒(iii) 继续生长成团簇(iv)，团簇(iv) 进一步缩聚最终形成网络状体型聚合物，即RF有机凝胶(v)。然后，对RF有机凝胶进行超临界干燥，得到RF有机气凝胶，将有机气凝胶进行炭化，便得到炭气凝胶。
1、影响有机气凝胶及其炭气凝胶结构的工艺条件
溶胶--凝胶法的优点是可通过改变溶胶--凝胶过程参数，裁剪控制纳米材料的结构。因此，改变合成条件可以有效控制有机气凝胶及其炭气凝胶的结构。另外，干燥工艺和炭化条件的不同，也会对炭气凝胶结构产生影响。
2、催化剂及其浓度的影响
制备有机凝胶一般使用Na2C03作催化剂，也有使用K2C03、NaHC03、KHC03、NaOH、CaOH、Mg(CH3COO)2和HCl、HNO3。不同催化剂得到的气凝胶结构非常相似，但在胶球粒径和孔径分布方面略有区别。不同化合价、不同离子半径的催化剂金属阳离子对炭气凝胶性能有一定影响。因为催化剂的金属阳离子参与了反应，形成了金属离子中间螯合物，螯合物骨架中正电荷的增加，有利于螯合物的稳定，从而有利于甲醛加到酚环上，促进醚键的生成，使反应向形成二聚物小簇的方向进行。醚键的加速生成，簇的加速形成，使网络粒子小而均匀。
催化剂浓度控制着有机气凝胶的密度、孔隙率、比表面积等结构特征。一般地，随着催化剂浓度的增加，有机气凝胶的比表面积(S BET)和中孔体积(Vmes)先增加而后减小。当反应物含量相同时，随着催化剂浓度增大，体系的反应点增多，生成的溶胶粒径减小，气凝胶的网络颗粒尺寸也相应减小。所以，催化剂浓度开始增大时，S BET随颗粒的减小而相应增大，大颗粒间相互堆叠形成的大孔随粒径的减小而逐渐变成中孔，导致Vmes相应增大;但催化剂浓度很大时，基元颗粒尺寸则变得很小，中孔孔径也很小，其气凝胶的力学强度变差，超临界干燥后，收缩严重，并伴随大量的凝胶网络塌
陷，S BET和Vmes反而减小。
炭气凝胶保留了有机气凝胶的网络结构，因此，催化剂浓度对炭气凝胶结构的影响与有机气凝胶相似。由于炭化过程中生成一定量的微孔，因此，催化剂浓度对炭气凝胶S BET的影响较小。在低催化剂浓度下，炭气凝胶的S BET比有机气凝胶高，在高催化剂浓度下则相反。这是由于在低催化剂浓度下，炭化过程中有挥发性副产品生成，基元颗粒形成附加孔，并且颗粒尺寸因炭化而变小，因此S BET 增大;在高催化剂浓度下，气凝胶中基元颗粒粒径太小，以至在炭化过程中熔合，因此S BET减小。3、反应物浓度的影响
有机气凝胶和炭气凝胶的密度可通过改变反应物浓度进行调控。同时，因为反应物浓度控制颗粒间相互堆叠的紧密程度，所以对气凝胶的孔结构也有一定的影响。反应物浓度低，气凝胶的孔径呈多重峰分布;反应物浓度高，气凝胶的孔径呈单峰分布;在一定浓度范围内，Vmes随着反应物浓度的增大而增大。所以，通过控制反应物浓度可以有效地控制气凝胶的中孔体积和孔径。但反应物浓度对气凝胶的S BET的影响不明显。
4、溶剂的影响
一般选用去离子水作为溶剂制备有机气凝胶，但有时为了简化制备流程也会选用有机溶剂，如甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇和正戊醇等。不同溶剂制备得到的气凝胶的结构是有一定的差异。例如，以碱性催化剂制备RF气凝胶，有机相溶胶--凝胶法的凝胶化时间要比水相的长，这跟半缩醛的形成有关。半缩醛的形成将减慢间苯二酚与甲醛的反应速度，而半缩醛的稳定性一般随参与反应的醇的分子量减小而减小。另外，醇的分子量和分子体积越大，RF气凝胶的干燥收缩率和密度也越大。同时，炭气凝胶的收缩率和密度也随醇溶剂分子量的增大而增大。
5、反应温度及老化时间的影响
凝胶老化时间随反应温度的不同而改变，因此，反应温度对气凝胶结构有一定的影响。通常反应温度高，凝胶时间短，得到的气凝胶的网络颗粒粒径小，比表面积大。但是，当间苯二酚与催化剂的摩尔比侧R/C=50--200时，反应温度对气凝胶的中孔结构影响不大。此外，反应温度越高，交联度越大，有机凝胶在干燥过程中收缩率减小，有机气凝胶和炭气凝胶的密度也随之下降。
尽管在溶胶--凝胶过程中凝胶已经形成，但在保持孔内液体环境的情况下，凝胶的结构和性质继续发生变化，如孔径增大，网络变粗，比表面积下降等，这一过程称为凝胶的老化。一般使用热老化或者酸老化。采用统计光散射技术跟踪溶胶一凝胶过程，发现胶体颗粒的分子量随老化过程进行逐渐增大。老化过程越彻底，凝胶干燥过程的收缩率越小。老化时间、温度、pH值是影响凝胶老化过程的三个主要参数。老化时间延长，凝胶的网络颗粒增大，网络变粗，孔径相应地增大，使比表面积下降。老化温度提高会导致气凝胶密度增加，比表面积下降。溶剂不同，老化过程中对凝胶
的影响也各不相同。所以，并非老化时间越长越好，老化时间过长既增长了反应周期，又降低了气凝胶的比表面积，只要得到合适的凝胶网络强度即可终止老化处理。
6、超临界干燥
虽然溶胶--凝胶过程能通过化学手段剪裁控制材料的显微结构，但凝胶在干燥过程中山于强烈的毛细收缩，容易发生弯曲、变形和开裂。普遍认为超临界干燥方法是最有效的凝胶干燥方法，以CO2超临界干燥应用最为广泛。在超临界条件下气液界面消失，表面张力不复存在，凝胶孔隙中不存在毛细管附加压力，有机凝胶原先的网络结构在千燥后得到保持。由于CO2超临界干燥前需要进行溶剂交换，过程繁琐，因此相继开发了丙酮、甲醇、异丙醇等有机溶剂超临界干燥。不同超临界干燥介质得到的有机气凝胶的化学组成和结构形态相似。
7、炭化工艺的影响
体型交联结构的有机气凝胶经过炭化处理转变为炭气凝胶。升温速率、炭化温度和炭化时间都对炭气凝胶结构和性能产生影响。炭化温度一般在600℃以上。在600℃之后，炭气凝胶开始出现石墨化结构1481，750℃以上炭气凝胶具有导电性，温度从100℃升至180℃，炭气凝胶中的带状石墨化结构逐渐出现平面有序。在一定条件下，随升温速率的提高，炭气凝胶密度增大;随炭化温度的提高，炭气凝胶密度降低;而炭化时间对炭气凝胶密度的影响不大。RF炭气凝胶在高达280 ℃的高温炭化过程中随热处理温度的升高，微孔隙率减少。当热处理温度达到加0℃时，微孔隙消失。中孔结构在热处理温度达到280℃仍能保持，但是由于炭颗粒的熔并，50%的中孔容积消失。
影响活性炭吸附性能的因素.
影响活性炭吸附性能的因素 在水处理中,活性炭对水中有机物的吸附量与很多因素有关,去除率在 20%~80%之间, 。 1 . 活性炭的结构及特性 活性炭的孔径、空容分布及比表面积影响吸附容量。因活性炭吸附有机物主要在微孔中进行, 微孔所占空容和表面积的比例愈大,吸附容量愈大。 由于活性炭表面带微弱的电荷, 水中极性溶质竞争活性炭表面的活性位置, 导致活性炭对非极性溶质的吸附量降低,而对某些金属离子产生离子交换吸附或络合反应。 2 . 被吸附有机物的性质 a. 分子结构和表面张力 芳香族有机物比脂肪族有机物更易被活性炭吸附; 越是能降低溶液表面张力的有机物越容易被活性炭吸附。 b. 有机物的分子量 一般水中有机物的分子量增加, 吸附量也增加。但也有出现随分子量的增大, 吸附速度降低的现象。当活性炭微孔大小为有机物分子的 3~6时能够有效地吸附,由于分子筛的作用而使扩散阻力增加,吸附速度就降低。 c. 有机物的溶解度 活性炭在本质上是一种疏水性物质, 因此被吸附有机物的疏水性愈强愈易被吸附。因此, 在水中溶解度愈小的有机物愈易被活性炭吸附。 3 . 影响活性炭吸附的因素 a. 水中有机物的浓度
大多数的有机物在浓度和吸附量之间存在特定的关系, 而且一般是浓度增加吸附量按指数关系增加。 b. 温度和共存物质 活性炭对水中有机物的吸附, 温度的影响可以忽略不计。一般天然水中存在的无机离子对活性炭吸附有机物也几乎没有影响。但汞、铬、铁等金属离子含量较高时,则可能因为在活性炭表面起化学反应并生成沉淀、积累在炭粒内,使活性炭的孔径变小,影响活性炭的吸附效果。 c. 接触时间 因为吸附是液相中的吸附质向固相表面的一个转移过程, 所以吸附质与吸附剂之间需要一定的接触时间,才能使吸附剂发挥最大的吸附能力。在水处理量一定的情况下,增加接触时间,意味着增加水处理设备或增大水处理设备, 而且接触时间太长时, 吸附量的增加并不明显。因此, 一般设计时接触时间约 20~30分钟。 d. pH值 在多数情况下, 先把水的 pH 值降低到 2~3, 然后再进行活性炭吸附往往可以提高有机物的去除率。这是因为水中的有机酸在低 pH 值下电离的比例较小, 为活性炭提供了容易吸附的条件。
活性炭的吸附性能及有机物吸附介绍
活性炭的吸附性能及有机物吸附介绍 活性炭的吸附性能及有机物吸附的一般概念 活性炭的强吸附性能除与它的孔隙结构和巨大的比表面积有关 外（其比表面积可500-1700m2/g），还与细孔的行状和分布以及表面化学性质有关。 活性炭的细孔一般为1～10nm，其中半径在2nm以下的微孔占95％以上，对吸附量影响最大；过渡孔半径一般为10～100nm，占5％以下，它为吸附物质提供扩散通道，影响扩散速度；半径大于100nm、所占比例不足1％的大孔也是作为提供扩散通道的。 活性炭的吸附通道决定影响吸附分子的大小，这是因为孔道大小影响吸附的动力学过程。有报道认为，吸附通道直径是吸附分子直径的1.7～21倍，最佳范围是1.7～6倍，一般认为孔道应为吸附分子 的3倍。
活性炭表面化学性质可以说其本身是非极性的，但由于制造过程中处于微晶体边缘的碳原子共价键不饱和而易与其他元素（如H、O）结合成各种含氧官能团，如羟基、羧基、羰基等，以致活性炭又具有微弱的极性，并具有一定的化学和物理吸附能力。这些官能团在水中发生离解，使活性炭表面具有某些阴离子特性，极性增强。为此，活性炭不仅可以除去水中的非极性物质，还可吸附极性物质，优先吸附水中极性小的有机物，含碳越高范德华力越大，溶解度越小的脂肪酸愈易吸附，甚至微量的金属离子及其化合物。 活性炭过滤用以脱除水中的微量污染物和对反渗透膜产生损害 的游离氯。因为活性炭是一种非极性吸附剂，外观为暗黑色，粒状。主要成分碳、氧、硫、氢，具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，可以耐强酸、强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎。活性炭是用动植物、煤、石油及其它有机物作原料，经加热脱水、炭化、活化制成的。具有巨大的比表面积和发达的微孔，微孔直径为20~30埃。此外，活性炭的表面有大量的羟基和羧基官能团，可以对各种性质的有机物进行化学吸附、以及静电引力作用。因此，可以脱色，除臭味，脱除重金属、各种溶解性有机物、放射性元素、胶体及游离氯等。 活性炭对有机物的去除 活性炭去除有机物的影响因素
气凝胶研究现状
气凝胶 1、简介 气凝胶，英文aerogel又称为干凝胶。当凝胶脱去大部分溶剂，使凝胶中液体含量比固体含量少得多，或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体，外表呈固体状，这即为干凝胶，也称为气凝胶。 按其组分，可分为单组分气凝胶，如SiO2，Al2O3，TiO2，炭气凝胶（有机气凝胶炭化后得到）等；多组分气凝胶，如SiO2/Al2O3，SiO2/TiO2等。最典型的研究最多的气凝胶是单组份的SiO2气凝胶和炭气凝胶（有机气凝胶）。 气凝胶，英文aerogel又称为干凝胶。当凝胶脱去大部分溶剂，使凝胶中液体含量比固体含量少得多，或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体，外表呈固体状，这即为干凝胶，也称为气凝胶。如下图所示。 图1气凝胶 按其组分，可分为单组分气凝胶，如SiO2，Al2O3，TiO2，炭气凝胶（有机气凝胶炭化后得到）等；多组分气凝胶，如SiO2/Al2O3，SiO2/TiO2等。最典型的研究最多的气凝胶是单组份的SiO2气凝胶和炭气凝胶（有机气凝胶）。 2、气凝胶的特点 (1)孔隙率很高，可高达99.8%；科学家们表示，因为它有数百万小孔和皱摺，所以如果把1立方厘米的气凝胶拆开，它会填满一个有足球场那么大的地方。它的小孔不仅能像一块海绵一样吸附污染物，还能充当气穴。研究人员认为，一些形式的由铂金制成的气凝胶能用于加速水解及氢的产生。这样的话，气凝胶就能用来生产以氢为基础的燃料。
(2)纳米级别孔洞(~20nm)和三维纳米骨架颗粒(2~5nm)； (3) 高比表面积，可高达1000m2/g； (4) 低密度，可低至0.003g/cm3。 (5) 气凝胶独特的结构决定了其具有极低的热导率，常温下可以低至0.013W/(m·K)，比空气的导热系数还低。下图为不同材料的导热系数对比图。 图2 气凝胶与传统材料导热系数对比图 (6) 强度低，脆性大，由于其比表面积和孔隙率很大，密度很低，导致其强度很低。如SiO2气凝胶杨氏模量不到10MPa，抗拉强度只有16KPa，断裂韧度只有0.8kPa·m1/2)孔隙率很高，可高达99.8%；科学家们表示，因为它有数百万小孔和皱摺，所以如果把1立方厘米的气凝胶拆开，它会填满一个有足球场那么大的地方。它的小孔不仅能像一块海绵一样吸附污染物，还能充当气穴。研究人员认为，一些形式的由铂金制成的气凝胶能用于加速水解及氢的产生。这样的话，气凝胶就能用来生产以氢为基础的燃料。 3、气凝胶应用
影响活性炭吸附能力的三大主要因素
活性炭水处理所涉及的吸附过程和作用原理较为复杂，影响活性炭吸附能力的因素也较多。活性炭吸附能力的影响因素主要有以下三点： 一、活性炭的性质 由于吸附现象发生在吸附剂表面上，所以吸附剂的比表面积是影响吸附的重要因素之一，比表面积越大，吸附性能越好;活性炭的微孔分布是影响吸附的另一重要因素;此外活性炭的表面化学性质、极性及所带电荷，也影响吸附的效果。 二、吸附质(溶质或污染物)的性质 同一种活性炭对于不同污染物的吸附能力有很大差别。 (一)溶解度 对同一族物质的溶解度随链的加长而降低，而吸附容量随同系物的系列上升或分子量的增大而增加。溶解度越小，越易吸附。 (三)极性 活性炭基本可以看成是一种非极性的吸附剂，对水中非极性物质的吸附能力大于极性物质。 (四)吸附物的浓度 吸附质的浓度在一定范围时，随着浓度增高，吸附容量增大。因此吸附质(溶质)的浓度变化，活性炭对该种吸附质(溶质)的吸附容量也变化。 三、溶液pH 由于活性炭能吸附水中氢、氧离子，因此影响对其他离子的吸附。活性炭从水中吸附有机污染物质的效果，一般随溶液pH值的增加而降低，pH值高于9.0时，不易吸附，pH值越低时效果越好。在实际应用中，通过试验确定最佳pH值范围。 水处理分为上水处理和下水处理：
上水通常指生活用水、工业用水、纯水等经过人工处理后使用的水；下水通常指生活污染水、工业污水等。1.上水的活性炭处理：20世纪末我国有些水厂开始应用臭氧与活性炭滤池联合使用的生物活性炭法。实践表明，有如下作用： 能去除水中容解的有机物；能降低UV的吸收值，降低水中总有机碳（total otganic carbon,TOC)、化学需氧量及氯的含量；能将低进水中三卤甲烷前体；对色度、铁、锰、酚有去除效果；能使致实验为阳 性的水分显阴性。韩研活性炭采用先进的水质深度处理技术，结合城市自来水使用分配的实际情况，将椰壳活性炭投入小型、高效，且能去除致癌、致突变、致畸等污染物的净化装置，以自来水为原料作更深度的加工，保证饮用水的高质量。这样既确保了居民的健康，又在居民经济承受范围之内。2.下水活性炭处理：1953年发生在日本的水俣病事件，就是含甲基汞工业废气污染水体，使水俣湾打批居民发生神经性中毒的公害大事。韩研活性炭上引入聚硫脲有利于提高对汞吸附能力。该活性炭对汞的吸附能力最佳。含二氯乙烷的废水可以用活性炭柱吸附，饱和后用蒸汽再生，蒸汽冷凝后分成去水，常可定量地回收二氯甲烷。 xx公司相关产品介绍： 水处理活性炭系列介绍 污水处理粉末活性炭http: 煤质污水处理活性炭http: 果壳净水活性炭http:
生物炭应用技术研究
［收稿日期］2010－12－06；修回日期2010－12－13 ［作者简介］陈温福（1955—），男，辽宁法库县人，中国工程院院士，沈阳农业大学教授，博士生导师，从事稻作科学研究和生物炭技术开发与 应用研究；E －mail ：wfchen5512@yahoo．com．cn 生物炭应用技术研究 陈温福，张伟明，孟 军，徐正进 （辽宁生物炭工程技术研究中心，沈阳110866） ［摘要］对生物炭研究历史、现状、存在的问题及产业化前景进行了综合分析与评述，重点阐述了生物炭在能源、 环境、农业等领域的应用价值与重要作用。认为生物炭在应对气候与环境变化、固碳减排、保障能源安全和粮食安全等方面都具有重要应用价值和现实意义。文章提出了以农林废弃物资源化利用为基础的生物炭研究发展方向、建议和产业化开发与应用的技术途径。为推动生物炭工程技术创新与产业化发展提供参考依据。 ［关键词］生物炭；气候变化；能源替代 ［中图分类号］TK6［文献标识码］A ［文章编号］1009－1742（2011）02－0083－07 1前言生物质炭化技术是公认的解决气候变化问题的 可行技术措施之一，具有原材料来源广泛、生产成本低、 生态安全、无污染、可大面积推广等显著特点。生物质炭化后产生的生物炭应用于生态与环境领域，可以固碳减排，是一种有效的“碳汇”技术，与农、林业相结合，可解决农林废弃物污染与温室气体排放问题。生物炭施入农田，可有效改善土壤理化性质，增加作物产量，促进农业可持续发展。应用于能源领域，可成为替代煤、石油、天然气的清洁能源。生物炭进一步加工成活性炭，可用于重金属污染吸 附、 水质净化等。生物炭的综合利用在很大程度上可以解决可持续发展、节能降耗、环境保护与治理等领域面临的复杂问题，有助于构建低碳高效经济发展模式，对保障国家环境、能源、粮食安全意义重大。适逢国家推出战略性新兴产业发展规划，笔者针对现阶段生物炭在农业、环境、能源等领域的应用研究与开发进展作简要的综述，以期为促进生物炭产业的快速发展提供参考。 2生物炭应用技术研究概述 到目前为止，“生物炭”还没有十分确切的定 义。但广义上可以认为是黑碳的一种，通常是指以 自然界广泛存在的生物质资源为基础， 利用特定的炭化技术，由生物质在缺氧条件下不完全燃烧所产生的炭质。国外将其定义为biochar ［1］ ， 一般指生物质如木材、农作物废弃物、植物组织或动物骨骼等在缺氧和相对温度“较低” （＜700?）条件下热解而形成的产物［1，2］ 。常见的生物炭包括木炭、竹炭、秸 秆炭、稻壳炭等。它们主要由芳香烃和单质碳或具有石墨结构的碳组成， 含有60%以上的碳元素，还包括H 、 O 、N 、S 及少量的微量元素［3］。生物炭可溶性极低，具有高度羧酸酯化和芳香化结构［4，5］ ，拥有 较大的孔隙度和比表面积［6］ 。这些基本性质使其具备了吸附力、抗氧化力和抗生物分解能力强的特性，可广泛应用于农业、工业、能源、环境等领域。图1为生物炭微观结构，采用“颗粒炭化炉”生产新工艺制备的生物炭保留了完整的孔隙结构。炭的制备是人类在长期生产实践中摸索出来的一项古老的实用技术，历史悠久，应用广泛。最常见的制炭方法是将杂草、秸秆、枯枝、落叶等堆积起来， 3 82011年第13卷第2期
影响活性炭吸附性能的因素
影响活性炭吸附性能的因素 在水处理中，活性炭对水中有机物的吸附量与很多因素有关，去除率在20%～80%之间，。 1 .活性炭的结构及特性 活性炭的孔径、空容分布及比表面积影响吸附容量。因活性炭吸附有机物主要在微孔中进行，微孔所占空容和表面积的比例愈大，吸附容量愈大。 由于活性炭表面带微弱的电荷，水中极性溶质竞争活性炭表面的活性位置，导致活性炭对非极性溶质的吸附量降低，而对某些金属离子产生离子交换吸附或络合反应。 2 .被吸附有机物的性质 a.分子结构和表面张力 芳香族有机物比脂肪族有机物更易被活性炭吸附；越是能降低溶液表面张力的有机物越容易被活性炭吸附。 b.有机物的分子量 一般水中有机物的分子量增加，吸附量也增加。但也有出现随分子量的增大，吸附速度降低的现象。当活性炭微孔大小为有机物分子的3～6时能够有效地吸附，由于分子筛的作用而使扩散阻力增加，吸附速度就降低。 c.有机物的溶解度 活性炭在本质上是一种疏水性物质，因此被吸附有机物的疏水性愈强愈易被吸附。因此，在水中溶解度愈小的有机物愈易被活性炭吸附。 3 .影响活性炭吸附的因素 a.水中有机物的浓度 大多数的有机物在浓度和吸附量之间存在特定的关系，而且一般是浓度增加吸附量按指数关系增加。
b.温度和共存物质 活性炭对水中有机物的吸附，温度的影响可以忽略不计。一般天然水中存在的无机离子对活性炭吸附有机物也几乎没有影响。但汞、铬、铁等金属离子含量较高时，则可能因为在活性炭表面起化学反应并生成沉淀、积累在炭粒内，使活性炭的孔径变小，影响活性炭的吸附效果。 c.接触时间 因为吸附是液相中的吸附质向固相表面的一个转移过程，所以吸附质与吸附剂之间需要一定的接触时间，才能使吸附剂发挥最大的吸附能力。在水处理量一定的情况下，增加接触时间，意味着增加水处理设备或增大水处理设备，而且接触时间太长时，吸附量的增加并不明显。因此，一般设计时接触时间约20～30分钟。 d. pH值 在多数情况下，先把水的pH值降低到2～3，然后再进行活性炭吸附往往可以提高有机物的去除率。这是因为水中的有机酸在低pH值下电离的比例较小，为活性炭提供了容易吸附的条件。
如何判断活性炭碘的吸附值
在无检测设备的情况下如何简单识别活性炭吸附值的高低 1、直接看厂家提供的指标。活性炭常用吸附指标主要有：碘吸附值、四氯化碳（CTC）吸附值、亚甲蓝吸附值，碘吸附值用来表示活性炭对液体物质的吸附能力，四氯化碳吸附值用来表示活性炭对气体物质的吸附能力，亚甲蓝吸附值是用来表示活性炭脱色能力的。这三种指标越高，表明活性炭的吸附能力越强。因此大家在购买活性炭时可根据自己的使用情况结合厂家提供的这些指标来选购适合自己用途的活性炭。 2、看体积：要提高活性炭的吸附性能，只有尽可能多地在活性炭上制造孔隙结构，孔隙越多，活性炭越酥松，相对密度也就会越轻，因此好的活性炭手感上会比较轻，在同等重量包装的情况下，性能好的活性炭会比劣质活性炭体积大许多。 3、看气泡。将一小把活性炭投入水中，由于水的渗透作用，水会逐渐浸入活性炭的孔隙结构中，迫使孔隙中的空气排出，从而产生一连串的极为细小的气泡，在水中拉出一条细小的气泡线，同时会发出丝丝的气泡声，这种现象发生得越剧烈，持续时间越长，活性炭的吸附性就越好。 4、看脱色能力。活性炭吸附能力的另一个表现就是脱色能力，活性炭具有能将有色液体变成浅色或无色的神奇能力，这其实就是因为活性炭吸附了有色液体里的色素分子的原因造成的。正因为活性炭的这种特性，被广泛应用于制糖工业领域中红糖变白糖的生产过程中。取两只透明杯子，在一只杯子里放入纯净水，然后滴入一滴红墨水（这里可以用任何一种便于观察但不改变水的性质的色素都可以，例如蓝墨水、打印机彩色墨水，但不能使用墨汁和碳素墨水），搅拌均匀后将一半有色水倒入另一个杯子中留作对比样。将活性炭放入有色水中，数量应达到水的一半或更多，这样效果会比较明显，静置10—20分钟后与对比水样进行对照，在同等条件下，脱色效果越强说明活性炭吸附性越好。
活性炭的性能检验
活性炭的性能检验x 活性炭的性能检验分为物理性能检验、吸附性能检验和化学性能检验 1、物理性能检验指标 活性炭的物理性能检验指标主要包括水分含量、灰分含量、强度、表现密度、粒度分布、着火点、漂浮率、挥发物含量等，其物理检验指标有强度、表观密度（装填密度）等。活性炭的应用目的不同，如对用于水处理的颗粒活性炭，一般要求测试其强度、灰分、水分、粒度分布等项目，而采用粉末活性炭时，一般可不测试强度和漂浮率；当活性炭用于溶剂回收用途时，需检测着火点、水分、强度、表观密度、粒度分布等。 ①强度：指活性炭的机械耐磨强度或抗碎裂强度，其测试方法为将活性炭放在一个装有一定数量不锈钢球的专用盘中，进行定时旋转和定时击打组合运动，运动中活性炭骨架和表层同时受到破坏，测定被破坏活性炭的粒度变化情况，用保留在强度试验筛上的颗粒部分所占活性炭样品的百分数作为活性炭的强度。活性炭强度指标是活性炭经常测试的重要物理指标，在活性炭的生产和应用中，是各种颗粒状活性炭产品必测的指标。 ②表观密度：是指材料在自然状态下单位体积所具有的质量，自然状态下的体积是指材料的实体积与材料内所含全部孔隙体积之和。测试方法是将活性炭震荡后落入量筒中，称取100ml活性炭的质量，计算表观密度。表观密度的高低与活性炭的吸附性能，强度等指标有密切的关系，一般对同一种原料和工艺生产的活性炭产品，其表观密度越高，吸附性能越差，强度越高，表观密度在活性炭生产和应用中是最常用的检测指标之一。 ③漂浮率：主要是测试活性炭在液相或水中的漂浮性能，其测试方法是将烘干的活性炭样品放在盛有一定水的容器内浸渍，经搅拌静置后，将漂浮在水面上的活性炭取出，烘干、称重，计算出漂浮率。漂浮率越低表示活性炭质量越好，为了降低漂浮率，需对活性炭进行风选或水洗处理，一般水净处理用活性炭均检测此指标。 2、吸附性能检验指标 活性炭的吸附性能检验指标主要包括水容量、碘值、亚甲基蓝吸附值、苯酚吸附值、四氯化碳吸附率、四氯化碳脱附率、饱和硫容量、穿透硫容量等。 ①碘值：碘值是指活性炭孔隙结构的相对指标值，主要反映微孔的总表面积。其测试方法是称取一定量的活性炭样与配制好已知浓度的碘溶液充分震荡混合吸附后，用滴定法测定溶液中残留的碘值，计算出每克活性炭样吸附碘的毫克数。本测试方法具有简单、快速、易操作等特点，所以活性炭的碘值指标是衡量和评价活性炭吸附能力的重要且常用指标。 ②亚甲基蓝吸附值：亚甲基蓝吸附值主要表征活性炭中直径1.6nm附近孔隙的发达程度，即中孔数量的多少，也可近似反映活性炭对大分子有机物的吸附能力。其测试方法是称取一定量的活性炭样与配制好的已知浓度亚甲基蓝溶液充分震荡混合吸附，利用分光光度计测试亚甲基蓝溶液浓度的变化，计算出每克活性炭样吸附亚甲基蓝的毫克数。亚甲基蓝吸附指标是测定活性炭吸附性能的常用指标，我过水处理用活性炭一般均用此指标表征活性炭的吸附性能，在日本活性炭的检测方法中也有亚甲基蓝检测指标，但与我国的检测方法略有不同，而在美国活性炭的检测方法中没有亚甲基蓝检测指标。 ③四氯化碳吸附率：四氯化碳吸附指标是测定活性炭吸附性能的常用指标，主要表示活性炭气相吸附的能力。其测试方法是在一定温度条件下将含有一定浓度四氯化碳蒸汽的混合空气流连续不断地通过活性炭床层，通过60min后对活性炭进行称重，以后每隔15min称重一次，直至活性炭吸附饱和，活性炭吸附饱和时吸附的四氯化碳质量占活性炭样质量的百分数作为四氯化碳吸附率。 3、化学性能检验指标 活性炭的化学指标包括元素组成、表面氧化物（官能团）、Ze-ta电位的等电点、pH值等，元素组成包括元素分析、工业分析和有害杂质分析3个部分。
热解污泥生物炭化学组成及环境效应研究进展
董智伟等 热解污泥生物炭化学组成及环境效应研究进展 热解污泥生物炭化学组成及环境效应 研究进展* 第一作者：董智伟，男，1993年生，硕士研究生，研究方向为生物质资源化利用」通讯作者# *国家自然科学基金资助项目（No.41763016）；昆明理工大学分析测试基金资助项目（No.2017T20130171） # 董智伟左宁王彦周昱伟陈芳媛$ （昆明理工大学环境科学与工程学院，云南昆明650500） 摘要 污泥是生物法处理市政污水、工业废水产生的副产物，产量大，且处理不当会造成生态污染。用污泥制备污泥生物炭" 既能实现污泥资源化利用又能减少环境污染。对目前热解污泥生物炭制备和施用过程中产生的环境效应进行综述，着重讨论了热 解污泥制备污泥生物炭过程中的元素（碳、氢、氧、氮、硫等）转化、污泥生物炭中重金属形态、吸附性质及土壤施用情况#系统地分析 污泥生物炭从制备到施用过程的环境效应，有利于对其实际应用进行全面的环境风险评估# 关键词污泥生物炭热解元素转化环境效应 DOI ： 10.15985/https://www.360docs.net/doc/1117495642.html,ki. 1001-3865.2019.04.021 Research progress in chemical p roperties and environmental effects of pyrolysis sludge biochar DONG Zhixvei , ZUO Ning -, WANG Yan , ZHOU Yuzvei , CHEN Fangyuan . ( Faculty of Environmental Science and Engineering , Kunming University of Science and Technology ■, Kunming Yunnan 650500)Abstract : Sludge is by-product of biological process in the treatment of municipal sewage and industrial wastewater. It has a huge production and may cause ecological po l ution if improperly treated. Preparation of biochar with sludge may realize both resource utilization and po l ution reduction of the sludge. The environmental e f ects in thesludge biochar preparation and application process werereviewed.Thetransformation ofelements (carbon , hydrogen , oxygen , nitrogen , sulfur , etc. 5 and heavy metal species , adsorption property and applied conditions of sludge biochar were discussed. The systematical analysis of the environmental effect of pyrolysis sludge biochar from preparation to application was helpful to its comprehensive environmental risk evaluation. Keywords : sludge biochar ； pyrolysis ； element conversion ； environmental effect 近年来，生物炭由于其特殊的、多元的功能和价 值得到越来越多学者的关注#生物炭是生物质在完 全或部分缺氧状态下热解产生的一类难溶、稳定、含 碳量高的高度芳香化固态物质，其元素组成主要包 括碳、氢、氧、氮、硫、磷、钾、钙、硅等。主要元素碳质 量分数为66.6% #87.9%，氢质量分数为1.2%? 2.9%，氧质量分数为10.6%#26.6%。从化学构成 来看，生物炭主要由烷基和芳香结构组成，同时还包 含有羧酸及其衍生物、酚类、烯烃及其衍生物等。从 微观结构上看，生物炭多由紧密堆积、高度扭曲的芳 香环片组成，表面孔隙多，比表面积较大。多孔特征 促进了生物炭对有机物和重金属的吸附去除，施加 到土壤中可以为微生物生存提供附着位点和较大空 间，提高土壤水分和通气性，调节土壤微环境[12] # 因此，生物炭在环境修复和土壤改良等方面都拥有 巨大的应用潜力 污泥是污水处理厂的主要副产物。据估计, 2015 年中国污水处理厂产生了 34000000t 污泥 （含水量80%左右）56*。随着城镇化进程加快，污 水处理厂的进一步普及，污泥产量还将不断提高。 同时，污泥含重金属、有机物、病原体等各种污染物, 处理不当将会造成严重的环境问题7。热解是一项 应用较广的固废处理技术，热解污泥能够减少污泥 体积，杀死病原体，分解有机物，有利于污泥资源化 利用8。热解的基本过程是污泥在相对低温（通常 小于700 °C ）和无氧条件下加热，最终产生生物气、 生物油和生物炭产品。生物气和生物油可以用作生 物能源，生物炭可以回收利用。污泥中有机质含量达60%以上，具有较高的 碳、氮、硫含量。热解过程中，这些元素转化的CO ” HCN'H ^S 等气体排放到环境中，会造成大气污染。 同时，污泥相对其他生物质具有高含量重金属。热 解后，大量重金属将残留在污泥生物炭中，施加到土 壤后会影响农作物的生长。因此，了解污泥生物炭? 479 ?
活性炭性能指标
1、活性炭的孔隙按孔径的大小可分為三类。 大孔：半径 1000 – 1000000 A。 过渡孔：半径 20 - 1000 A。 微孔：半径 20 A。以下 (1nm=10A。1纳米=10埃) 由椰壳制的活性炭具有最小的孔隙半径。（微孔） 木质活性炭一般具有最大的孔隙半径（大孔），它们用於吸附较大的分子，並且几乎专用于液相中，如水处理用柱状木质活性炭。 煤质活性炭的孔隙大小介於两者之间(过渡孔)。 2、二噁英是类固态物质，分子约长1.8nm，宽1.0nm，厚0.4nm 汞原子的直径大约是320pm=0.3nm(这个"pm"就是皮米了,1pm=10-12米) 活性炭空隙大小要比被吸附的物体的尺寸大一个数量级。 因此对吸附二噁英要选择过渡孔的煤质活性炭。如果吸附重金属则选用微孔椰壳活性炭。 3、性能检验 1、煤质柱状活性炭的物理性能检验一般将煤质柱状活性炭的水分含量、灰分含量、 强度（有时指机械耐磨强度，有时指抗碎裂强度）、粒度分布、表观密度（或称装填密度）、漂浮率、着火点、挥发物含量等项目归于物理性能检验范畴。 有时将其中的灰分含量和挥发物含量归属于煤质柱状活性炭的化学性质检测范畴。 煤质柱状活性炭的应用目的的不同，对物理性能的要求会有所不同（这种不同不仅指性能指标，还包括项目的数量），例如用于水处理的颗粒煤质柱状活性炭一般要求测试漂浮率、水分、强度、灰分、装填密度、粒度分布等项目，当用户指定采用粉状煤质柱状活性炭时，一般不测试强度和漂浮率；当煤质柱状活性炭用于溶剂回收用途时，一般需检测着火点、水分，强度、装填密度和粒度分布。 （1）、强度：强度是煤质柱状活性炭重要的物理性能测试指标，其测试原理是将煤质柱状活性炭样放在一个装有一定数量不锈钢球的专业盘中，进行时旋转和击打组合运动，运动中煤质柱状活性炭骨架和表层同时受到破坏，测定被破坏煤质柱状活性炭粒度变化情况，用保留在强度试验筛上的颗粒部分所占煤质柱状活性炭样品的百分数作为煤质柱状活性炭的强度，一般煤质柱状活性炭强度测试有专用设备，各种标准中都有专门的规定。煤质柱状活性炭强度指标是煤质柱状活性炭经常测试的物理指
生物炭生产与农用的意义及国内外动态
任务1-3 生物炭生产与农用的意义及国内外动态近年来，biochar一词不断地出现在科学期刊及媒体中，Biochar 是bio-charcoal的缩写，是指生物有机材料（生物质）在缺氧及低氧环境中经热裂解后的固体产物，大多为粉状颗粒，2007年在澳大利亚第一届国际生物炭会议上取得的统一命名，主要施用于农林业土壤。国内将biochar译为生物炭、生物质炭、生物质焦，为简便起见，本文-称之为“生物炭”。生物炭是粉状颗粒化的木炭，是活性炭的生产原料之一，在性质和特征上三者具有相似性，均属于黑炭（black carbon），黑炭涵盖了生物质略微炭化到燃烧后黑烟颗粒的炭化物质，包括自然野火或人为烧荒燃烧植物、化石燃料不完全燃烧形成的碳物质，黑炭对全球碳循环起着较大的作用。 实践任务 任务要求 1.了解生物炭与碳减排过程 2.理解生物炭的一举多赢战略 3.掌握生物炭生产与原料 4.了解生物炭国内外研究动态与方向 任务实施 目前全球对生物炭的科学研究重视源于对亚马逊盆地中部黑土（Terra Preta de Indio）的认识，在哥伦布进入南美大陆之前，南美洲土著人就用木炭作为改良当地高风化淋溶土壤的主要材料，这种黑土至今是全球最肥沃的土壤之一。然而，在20世纪80年代以前，
全球关于生物炭的科学研究论文仅有寥寥数篇，也尚未充分认识到生物炭的重要性。20世纪80年代，虽然日本人用生物炭作为盆景植物土壤的改良剂及作为生物菌肥的载体，并有研究论文发表。但是全球真正科学认识生物炭开始于20世纪90年代中期。为了应对气候变暖，在寻求更有效降低大气二氧化碳浓度及化石燃料碳排放的技术过程中，科学家从Terra Preta研究中认识到了生物炭作为二氧化碳俘获和碳封存剂的重要性，从此有关生物炭改良土壤及改善肥料性能及效益的研究日益增多，全球关于生物炭的期刊科研论文数从2000年的2篇左右上升到2009年约80篇以上，且仍呈增长趋势。在google 搜索引擎上以biochar关键词搜索（截止2010年10月31日）可搜到约15.1万条结果。“生物炭”搜索到211万条结果，这充分说明生物炭成为全球科学研究和媒体关注的焦点。 一、生物炭与碳减排 众所周知，现有的化石能源利用过程是一个碳排放过程，全球每年因化石能源利用而排放的二氧化碳相当于60多亿t碳，二氧化碳
如何分析活性炭吸附力的强弱
如何分析活性炭吸附力的强弱 活性炭吸附力的强弱主要取决碘值，丁烷值，灰分，堆积重，亚甲蓝值等11项数值。 1.碘值 碘值是指活性炭在0.02N 12/KL水溶液中吸附的碘的量。碘值与直径大于10A 的孔隙表面积相关联。活性炭价格高碘值是判断的标准之一。 2.丁烷值 丁烷值是饱和空气与丁烷在特温度和特定的压力下通过炭床后，每单位重量的活性炭吸附的丁烷的。 3.灰分 活性炭的灰粉有两种一种是表面灰粉，另外一种是内在灰粉，平时说的活性炭的灰粉是指内在灰粉。 4.水分 水分是测量碳所含水的多少即活性炭中被吸附的水的重量的百分比。 5.硬度 硬度值是指颗粒活性炭在RO-TAP仪器中对钢球衰变运动的阻力。硬度是测量活性炭机械强度的指标。 6.四氯化碳 四氯化碳值是总孔容的指示器，是用饱和的零摄氏度的CCI4气流通过25度的炭床来测量的。 7.糖蜜值 糖蜜值是测量活性炭在沸腾糖蜜溶液的相对脱色能力的方法。糖蜜值被解读为孔直径大于28A的表面积。因为糖蜜是多组分的混合物，必须严格按照说明测试本参数。糖蜜值是用活性炭标样和要测试的活性炭的样品处理糖蜜液，通过计算过滤物的光学密度的比率而得。
8.堆积重 堆积重是测量特定量炭的质量的方法。通过逐渐把活性炭添加一个有刻度圆桶内至100cc，并测量其质量。该值被用于计算填充特定吸附装置所需活性炭数量。简单地说，堆积重是活性炭每单位体积的重量。 9.颗粒密度 颗粒密度是每单位体积颗粒炭的重量，不包括颗粒以及大于0.1mm裂隙间的空间。 10.亚甲蓝 亚甲蓝值是指1.0克炭与1.0 mg/升浓度的亚甲蓝溶液达到平衡状态时吸收的亚甲蓝的毫克数。 11.磨损值 磨损值是测量活性炭的耐磨阻力的指标。颗粒活性炭的磨损值说明颗粒在处理过程中降低颗粒的阻力。测定最终的颗粒平均直径与原始颗粒的平均直径的比率来计算的。
生物炭的应用领域
1.生物炭的应用领域 (1)生物炭的环境效应 随着低碳经济和可持续发展理念的提出和实施，气候变化问题不容小觑，而COZ等气体的排放所造成的温室效应也成为全世界的环境难题。制备生物炭的生物质来源广泛，易集中处理，低污染，可再生，应用潜力巨大。Lehmann曾指出，植物光合作用吸收的CO2会转变为碳水化合物来储存，经过热解处理后得到的生物炭再重新施与土壤中会起到固碳的作用，这种循环可以称为一个净的“负碳”过程，可以有效缓解全球气候变暖问题[34] 除此以外，生物炭因其自身的特殊性能还常常被用于水质净化，污水处理，废气处理等环境领域。如生物炭常被用于脱硝脱硫工艺中，通过吸附作用有效去除二氧化硫及氮氧化物等污染物。 (2>生物炭的农业效应 己有研究发现，农林业废弃物通过热解炭化制备成生物炭并以土壤改良剂的形式重新施与土壤，可以起到改善土壤环境，增加土壤肥效，提高农作物产量，并修复土壤的效果，若能运用于实际中，能极大的促进土壤的可持续利用和农业的绿色发展。 生物炭含有丰富的矿质元素，施加到土壤中可提高土壤中P, K, N, Mg, Ca, N等元素的含量，尤其是畜禽粪便生物炭对贫瘩土壤的养分补充效果非常明显。生物炭的石灰当量值较大，因此施与土壤中能与石灰有同样的作用，通过提高土壤碱基饱和来降低可交换铝水平，而酸性土壤的pH值也可以通过生物炭对土壤质子的消耗作用来完成[35-37]，进而改良酸性土壤养分的有效性。生物炭自身的高碳含量，不但可以增加土壤中的有机碳，还可以一定程度的提高土壤中有机质的含量，外加它本身就具有一定的吸水能力，因此，能大幅度的提升和改善土壤整体的养分吸持容量和持水能力。在土壤保肥方面，生物炭因其自身的特殊性质具有较高的吸附能力，阳离子交换量(CEC)和化学反应性，因此，常起到肥料缓释载体的作用，通过延迟和缓冲土壤中肥料的释放来提高其利用率[[38,39]。同时，生物炭的水肥吸附作用及孔隙结构能有效的改善土壤微生物环境， 为有益微生物的生存提供良好的栖息环境，促进其种群的繁硝和活性的保持[40-42] (3)生物炭的能源效应 化石能源作为人类文明进步和社会发展所依赖的主要能源结构，因为不可持续性和人类的巨大消耗使其逐渐走向枯竭。能源危机也因此成为全球高速发展的限制性因素，如何探索和发现新型替代能源己是燃眉之急[43]。生物炭作为一种可再生碳源，燃烧性能好，热值高，清洁，无污染，因而具有极大的开发潜力。我国每年秸秆产量有七亿吨，制成生物炭具有的热值高达2.25亿吨，价值折合Ig00亿元人民币，可填补我国燃煤缺口的一半以上，可应用于农村分散供热，供暖以及城市集中供暖，发电等，有效调整我国能源结构，为绿色可持续发展提供新型起步点和着眼点。除此以外，生物炭制备过程中获得的混合气和生物油以蒸汽催化的方式进行重新整合收集后可得氢气副产品，作为一种新原料和能源被用于合成氨等其它方面与领域[44]。而生物油也可升级加工为工业化学品，和化学还可进一步精炼得到生物柴油燃料。因此，生物炭制备过程中所产生的生物能源品可在一定程度上缓解化石能源的压力，并 从总量上减小了化石原料的碳排放量。L (1)在污水处理中的应用 生物炭的多孔结构及高比表面积使其与活性炭类似，可以用于环境中的污染物的吸附剂(Beesley L, et al., 2010; Beesley L, et al., 2011; Chen X, et al.,2011; Ippolito J A, et al. , 2012a)。目前，己有很多研究使用废弃物制成的生物炭来去除水中的污染物，并且对多种污染物都有显着的吸附效果(Cao X D, et al.,2009; Chen X, et al.，2011;Dong X, et al.，2011;Ippolito J A, et al.，2012a;Qiu Y, et al. , 2008 ; Uchimiya M, et al. , 2010)。生物炭在污水处理方面的应用主要包含两个方面，即有机污染治理和无机污染治理。有机污染物主要包括染料、酚醛树脂、农药、芳烃以及抗生素等，无机污染物主要包括阳离子和阴离子。Chen等(Chen X, et al. , 2011)报道了由硬木和玉米秸秆制备的生物炭对Cu和Zn有很强的吸附性，分别高达12.5和11.0 mg/g o Klasson等使用杏仁壳生物炭吸附水中的二嗅氯，其比表面积可达到344 m2/g，最大吸附量为102 mg/g(Klasson K T,et al. , 2013) o Cao等(Cao X D, et al., 2009)研究表明在
[高分子材料] 苏州纳米所等在碳气凝胶研究领域取得新进展
2017-08-02 气凝胶曾被誉为改变世界的新材料，在航空航天、国防等高技术领域及建筑、工业管道保温等民用领域都有极其广泛的应用前景。从结构上看，气凝胶是由零维的量子点、一维的纳米线或者二维的纳米片等低维纳米结构经三维组装而成的超轻多孔纳米材料。低维纳米结构的各种变量，如几何形状、尺寸、密度、表面形貌、化学属性等参数，都会对最终获得的气凝胶性能产生重要影响。迄今为止，已有多种低维纳米结构组装成功能各异的气凝胶，但这些纳米结构单元的尺寸均在100纳米以下，甚至仅仅为几个纳米。对于结构单元的尺寸大于100纳米（即亚微米级）的气凝胶的制备挑战巨大，这主要是由两方面原因造成的：一是气凝胶结构单元的尺寸越大，其比表面积越小（两者成反比关系）。对于亚微米级的结构单元，无论其为无机物（密度较高）还是有机物（密度较低），获得的气凝胶的比表面积都非常小，因而失去了气凝胶比表面积大这一优异特征；二是无论 AHAHAGAHAGAGGAGAGGAFFFFAFAF
纳米级结构单元之间的连接是物理作用或者化学键合，随着结构单元尺寸的变大，连接处的原子占总原子数的比例会急剧降低，因而组装后的气凝胶材料会随着结构单元尺寸变大而急剧变脆。 针对这些挑战，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张学同带领的气凝胶团队与英国伦敦大学学院教授宋文辉及中国科学技术大学教授闫立峰等合作，以平均直径达到220纳米的导电高分子（聚苯胺聚吡咯共聚物）空心球为前驱体，以氧化石墨烯为交联剂，先后通过溶胶-凝胶工艺、超临界流体萃取工艺、高温热处理工艺等关键步骤（图1），成功获得了一种新型的全碳气凝胶，即石墨烯交联的碳空心球气凝胶（图2）。交联剂石墨烯的存在，把球与球之间的点对点接触巧妙转化为点对面接触，因而提高了最终气凝胶的力学性能；空心球结构的使用，以及在亚微米级空心球壳层上造出的大量微孔，保证了获得的最终气凝胶具有大的比表面积；而前驱体导电高分子的选择，使得最终的全碳气凝胶实现了氮元素的掺杂。 ▲ 图1 石墨烯交联的碳空心球气凝胶制备工艺路线示 意图 AHAHAGAHAGAGGAGAGGAFFFFAFAF
活性炭的吸附性能及有机物
活性炭的吸附性能及有机物吸附介绍--沈阳活性炭- 沈阳活性炭过滤器 作者：就是处理水来源：东北亚水网发布时间：2010-06-11 活性炭的吸附性能及有机物吸附介绍--沈阳活性炭-沈阳活性炭过滤器 活性炭的吸附性能及有机物吸附的一般概念 活性炭的强吸附性能除与它的孔隙结构和巨大的比表面积有关外（其比表面积可达 500-1700m2/g），还与细孔的行状和分布以及表面化学性质有关。活性炭的细孔一般为1～10nm，其中半径在2nm以下的微孔占95％以上，对吸附量影响最大；过渡孔半径一般为10～100nm，占5％以下，它为吸附物质提供扩散通道，影响扩散速度；半径大于100nm、所占比例不足1％的大孔也是作为提供扩散通道的。 活性炭的吸附通道决定影响吸附分子的大小，这是因为孔道大小影响吸附的动力学过程。有报道认为，吸附通道直径是吸附分子直径的1.7～21倍，最佳范围是1.7～6倍，一般认为孔道应为吸附分子的3倍。 活性炭表面化学性质可以说其本身是非极性的，但由于制造过程中处于微晶体边缘的碳原子共价键不饱和而易与其他元素（如H、O）结合成各种含氧官能团，如羟基、羧基、羰基等，以致活性炭又具有微弱的极性，并具有一定的化学和物理吸附能力。这些官能团在水中发生离解，使活性炭表面具有某些阴离子特性，极性增强。为此，活性炭不仅可以除去水中的非极性物质，还可吸附极性物质，优先吸附水中极性小的有机物，含碳越高范德华力越大，溶解度越小的脂肪酸愈易吸附，甚至微量的金属离子及其化合物。活性炭过滤用以脱除水中的微量污染物和对反渗透膜产生损害的游离氯。因为活性炭是一种非极性吸附剂，外观为暗黑色，粒状。主要成分碳、氧、硫、氢，具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，可以耐强酸、强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎。活性炭是用动植物、煤、石油及其它有机物作原料，经加热脱水、炭化、活化制成的。具有巨大的比表面积和发达的微孔，微孔直径为20~30埃。此外，活性
活性炭的指标和选择
活性炭的指标和选择 碘值 碘值是指活性炭在0.02N12/KL水溶液中吸附的碘的量。碘值与直径大于 10A的孔隙表面积相关联,碘值可以理解为总孔容的一个指示其器。 糖蜜值 糖蜜值是测量活性炭在沸腾糖蜜溶液的相对脱色能力的方法。糖蜜值被解读为孔直径大于28A的表面积。因为糖蜜是多组分的混合物，必须严格按照说明测试本参数。糖蜜值是用活性炭标样和要测试的活性炭的样品处理糖蜜液，通过计算过滤物的光学密度的比率而得。 堆积重 堆积重是测量特定量炭的质量的方法。通过逐渐把活性炭添加一个有刻度圆桶内至100cc，并测量其质量。该值被用于计算填充特定吸附装置所需活性炭数量。简单地说，堆积重是活性炭每单位体积的重量。 颗粒密度 颗粒密度是每单位体积颗粒炭的重量，不包括颗粒以及大于0.1mm裂隙间的空间。颗粒密度是用水银置换来测定的。 四氯化碳 四氯化碳值是总孔容的指示器，是用饱和的零摄氏度的CCI4气流通过25 度的炭床来测量的。在规定的时间间隔内，测量被吸附的CCI4的重量直到样品的重量变化可以忽略不计为止。 xx 亚甲蓝值是指1.0克炭与1.0 mg／升浓度的亚甲蓝溶液达到平衡状态时吸收的亚甲蓝的毫克数。 硬度
硬度是测量活性炭机械强度的指标。重量的改变，用百分比表示。更确切地讲，硬度值是指颗粒活性炭在RO-TAP仪器中对钢球衰变运动的阻力。在炭与钢球接触过以后，通过利用筛子上的炭的重量来计算硬度值。 磨损值 磨损值是测量活性炭的耐磨阻力的指标。该实验测量MPD的变化，通过百分比来表示。颗粒活性炭的磨损值说明颗粒在处理过程中降低颗粒的阻力。它是通过在RO_TAP机器中将炭样品和钢球接触，测定最终的颗粒平均直径与原始颗粒的平均直径的比率来计算的。丁烷值 丁烷值是饱和空气与丁烷在特温度和特定的压力下通过炭床后，每单位重量的活性炭吸附的丁烷的量。 灰分 活性炭中包含无机物，通常是铝和硅。灰分是研磨成粉状的碳在954摄氏度时燃烧3个小时的剩余残渣。从技术角度看，灰分是活性炭矿物氧化物的组分。通常定义为在一定量的样品被氧化后的重量百分比。 水分 水分是测量碳所含水的多少。用Dean-Stark trap和冷凝器，在二甲苯溶液中煮沸活性炭来测量水分。为了测试水分，水被冷凝和截留在待测定臂状容器内。活性炭的水含量也可以通过在150摄氏度下烘干3小时后活性炭重量上改变来测定。水分是活性炭中被吸附的水的重量的百分比。 对于不同用途的活性炭，时常用不同的物质和方法来检验它的吸附性能，如亚甲基蓝吸附值、碘吸附值、焦糖吸附值、硫酸奎宁吸附值等。其中亚甲基蓝吸附值是最常用的。亚甲基蓝是一种深蓝色染料，对它的吸附量反映了活性炭吸附小分子物质的能力；具有大量微孔的活性炭，此值较高。焦糖吸附值(或称焦糖脱色率、或糖蜜吸附率)是反映活性炭对具有较高分子量的有色物质的吸附性能，性能良好的活性炭，此值达到100～110。 国内外制造的活性炭，都有一类称为“糖用活性炭”的产品，它可用于糖厂，也可以用在其他类似的行业，如葡萄糖溶液及味精溶液的精制脱色等。它