活性炭活化原理

活性炭的活化机理及应用
材研1407 朱明2014200483 活性炭是一种非常优良的吸附剂，它是利用植物原料(木屑、木炭、果壳、果核)、煤
和其它含碳工业废料作原料，通过物理和化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列工序加工制造而成。

根据活化介质的不同，活性炭活化方法分
为物理活化法、化学活化法和物理—化学复合活化法。

物理活化水蒸汽、二氧化碳、空气
或它们的混合气体对环境污染小，因其依靠氧化碳原子形成孔隙结构，活化温度较高且活
性炭得率低。

化学活化法活性炭得率较高，孔隙发达，吸附性能好。

但此法对设备腐蚀性大，环境污染严重。

热解能量循环利用困难。

而且活性炭中残留化学药品．在应用方面受
到限制。

一．活性炭的活化机理
1.物理活化法
物理活化法一般分两步进行，先将原料在500℃左右炭化，再用水蒸汽或CO2 等气体在高温下进行活化。

高温下，水蒸汽及二氧化碳都是温和的氧化剂，碳材料内部C原子与活化剂结合并以CO+H 2或CO的形式逸出，形成孔隙结构。

物理活化法所需的活化温度一般较化学活化法高，而且活化所需的时间也更长，因此耗能比较大，成本高。

尽管有这些缺点，物理活化法在实际生产中的应用仍然十分广泛，原因在于其制得的活性炭无需过多
的后处理步骤，不像化学活化法制得的活性炭需要除去残留的活化剂。

将炭化材料在高温下用水蒸气、二氧化碳或空气等氧化性气体与炭材料发生反应，使炭材料中无序炭部分氧化刻蚀成孔，在材料内部形成发达的微孔结构。

炭化温度一般在600℃，活化温度一般在800℃∽900℃。

其主要化学反应式如下：
C+2H2O 2H2+CO2 △H=18kcal
C+H2O H2+CO △H=31kcal
CO2+C 2CO △H=41kcal
上述三个化学反应均是吸热反应，即随着活化反应的进行，活化炉的活化反应区域温度将逐步下降，如果活化区域的温度低于800℃，上述活化反应就不能正常进行，所以在活化炉的活化反应区域需要同时通入部分空气与活化产生的煤气燃烧补充热量，或通过补充外加热源，以保证活化炉活化反应区域的活化温度。

活化反应属于气固相系统的多相反应，活化过程中包括物理和化学两个过程，整个过程包括气相中的活化剂向炭化料外表面的扩散、活化剂向炭化料内表面的扩散、活化剂被炭化料内外表面所吸附、炭化料表面发生气化反应生成中间产物（表面络合物）、中间产物分解
成反应产物、反应产物脱附、脱附下来的反应产物由炭化料内表面向外表面扩散等过活化反应通过以下三个阶段最终达到活化造孔的目的。

第一阶段是炭化时形成的但却被无序的碳原子及杂原子所堵塞的孔隙的打开，即高温下，活化气体首先与无序碳原子及杂原子发生反应。

第二阶段是打开的孔隙不断扩大、贯通及向纵深发展，孔隙边缘的碳原子由于具有不饱和结构，易于与活化气体发生反应，从而造成孔隙的不断扩大和向纵深发展。

第三阶段是新孔隙的形成，随着活化反应的不断进行，新的不饱和碳原子或活性点则暴露于微晶表面，于是这些新的活性点又能同活化气体的其它分子进行反应，微晶表面的这种不均匀的燃烧就不断地导致新孔隙的形成。

2.化学活化法
化学活化法是通过将化学试剂嵌入炭颗粒内部结构，经历一系列的交联缩聚反应形成微孔。

化学活化可一步进行，即直接升温到700℃左右进行活化。

在活化前，先将活化剂水溶液与原料以一定比例浸渍一段时间，烘干后再放入惰性气氛中升温进行活化。

活化剂与原料的浸渍比是影响活性炭性能的一个重要因素，因此可以通过控制浸渍比以及不同的活化温度来制备所需的活性炭。

化学活化法制得的活性炭产率高，而且其孔隙结构比物理活化法更加发达。

按活化剂不同分ZnCl2法、KOH法、H3PO4法.相对于物理活化，化学活化有以下优点：化学活化需要较低的温度，活化产率高，通过选择合适的活化剂控制反应条件可制得高比表面积活性炭.但化学活化对设备腐蚀性大，污染环境，其制得的活性炭中残留化学药品活化剂，应用受到限制.
以KOH作为活化剂为例，原料破碎→与KOH混合→低温脱水(200～500℃)→高温活化(600～800℃)→酸洗→热水洗→蒸馏水洗→干燥→产品
在300～600℃时主要发生分子交联或缩聚反应，该阶段除一些非碳元素挥发出来外，焦油类物质的挥发是失重的主要原因。

KOH的加入，抑制了焦油的生成，提高了反应收率。

同时，KOH的加入，使得活化反应的实际温度降低了大约100℃，即在540℃左右就可反应。

在此温度下，KOH的加入也加快了非碳原子N、H等的脱除，KOH活化反应成孔机理就是通过KOH与原料中的碳反应，把其中的部分碳刻蚀掉，经过洗涤把生成的盐及多余的KOH 洗去，在被刻蚀的位置出现了孔。

这一过程主要发生以下反应：
4KOH+—CH2一K2CO3+K2O+3H2 K2CO3+2—C—2K+3CO
K2O+—C—2K+CO 2KOH K2O+H2O
C+H2O H2+CO CO+H20 H2+C02
K2O+CO2K2CO3K2O+H22K+H2O
K2O+C 2K+CO
在KOH活化法制备活性炭时，活化后的洗涤是关键。

未洗时，产品的孔很少。

先后经过酸洗、热水洗、蒸馏水洗，把产品中的非本体物质洗去，它们原来占据的空间就形成了孔.
因此，尽管洗涤比较麻烦，但一定要反复洗涤，直到洗干净为止。

二．活性炭的应用
活性炭广泛应用于工农业生产的各个方面，如石化行业的无碱脱臭（精制脱硫醇）、乙烯脱盐水（精制填料）、催化剂载体（钯、铂、铑等）、水净化及污水处理；电力行业的电厂水质处理及保护；化工行业的化工催化剂及载体、气体净化、溶剂回收及油脂等的脱色、精制；食品行业的饮料、酒类、味精母液及食品的精制、脱色；黄金行业的黄金提取、尾液回收；环保行业的污水处理、废气及有害气体的治理、气体净化；以及相关行业的香烟滤嘴、木地板防潮、吸味、汽车汽油蒸发污染控制，各种浸渍剂液的制备等。

活性炭在未来将会有极好的发展前景和广阔的销售市场。

1.活性炭在气相上的应用
空气净化活性炭空气净化活性炭，选用优质的木材或椰子壳，通过深度活化和独特的孔径调节工艺，使活性炭有丰富的孔，且孔的大小略大于有毒气体，比表面积>1300平方米/克，对于苯，甲醛，氨气等有毒有害气体具有高效能吸附能力，可有效去除室内空气中的气态污染物及有害恶臭物质，进而达到降低污染、净化空气的目的。

工业上用于：各种作业场所的除臭去毒及空调过滤网，空气净化机，中央空调过滤系统，空气过滤器，空气净化器，汽车滤清器等。

其原理是：（1）自身独特的孔隙结构活性炭是一种主要由含碳材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料。

活性炭材料中有大量肉眼看不见的微孔，1克活性炭材料中微孔，将其展开后表面积可高达800－3000平方米，特殊用途的更高。

也就是说，在一个米粒大小的活性炭颗粒中，微孔的内表面积可能相当于一个客厅面积的大小。

正是这些高度发达，如人体毛细血管般的孔隙结构，使活性炭拥有了优良的吸附性能。

（2）分子之间相互作用力也叫“范德华引力”。

虽然分子运动速度受温度和材质等原因的影响，但它在微环境下始终是不停运动的。

由于分子之间拥有相互吸引的作用力，当一个分子被活性炭内孔捕捉进入到活性炭内孔隙中后，由于分子之间相互吸引的原因，会导致更多的分子不断被吸引，直到添满活性炭内孔隙为止。

活性炭吸附有害物质的特性活性炭为物理吸附原理，在作用过程中，依靠空气作为媒介，因此被界定为被动空气净化材料。

2.活性炭在液相上的应用
废水中的一些有机物是难于为微生物或一般氧化法所氧化分解的，如酚、苯、石油及其产品、杀虫剂、洗涤剂、合成染料、胺类化合物以及许多人工合成有机物，经生化处理后很难达到对排放要求较高的水体中排放的标准，也严重影响废水的回用，因此需要深度处理。

由于活性炭对有机物的吸附能力大，在废水深度处理中得到广泛的应用，具有以下优点：①
处理程度高，城市污水用活性炭进行深度处理后，生化需氧量BOD可降低99%，总有机碳量TOC可降到1～3mg/L。

②应用范围广，对废水中绝大多数有机物都有效，包括微生物难于降解的有机物。

③适应性强，对水量及有机物负荷的变动有较强的适应性能，可得到稳定的处理效果。

④粒状炭可进行再生重复使用，被吸附的有机物在再生过程中被烧掉，不产生污泥。

⑤可回收有用物质，例如用活性炭处理含酚废水，用碱再生吸附饱和的活性炭，可以回收酚钠盐。

⑥设备紧凑、管理方便。

3.活性炭在催化上的应用
（1）制造过氧化氢用活性炭覆盖的多孔管作阴极，使从阴极上放出的氢同压入的氧作用生成过氧化氢。

（2）使硫化氢转化为元素硫活性炭能吸附硫化氢并使氧化成元素硫，以除去气体中的硫化氢。

（3）活性炭催化均四氯乙烷脱HCl制备三氯乙烯、甲烷裂解制氢活性炭催化剂。

（4）水的脱氯作用活性炭能起吸附和催化两种作用，从水中除去氯。

（5）用于生产光气,三聚氯氰,氯乙烷,卤化磺酰,农药中间体.由于活性炭的催化作用能使氯和一氧化碳反应生成光气；使二氧化硫和氯反应生成硫酰氯；使氯和氢反应生成氯化氢；使溴和水蒸汽反应生成氢溴酸；使硫酸亚铁氧化硫酸铁；以及作为三聚氯氰聚合物反应的催化剂载体。