活性炭的发展及应用课件.pptx

活性炭的发展及应用活性炭的发展及应用活性炭的发展及应用活性炭的发展及应用1主要内容主要内容一、活性炭的简介一、活性炭的简介二、活性炭的制备二、活性炭的制备三、活性炭的表征三、活性炭的表征四、活性炭的应用四、活性炭的应用五、新型的碳材料五、新型的碳材料2 22 2一、活性炭的简介一、活性炭的简介l活性炭是一种多孔炭材料，具有高度发达的孔活性炭是一种多孔炭材料，具有高度发达的孔隙结构和巨大的比表面积，吸附能力强、化学隙结构和巨大的比表面积，吸附能力强、化学稳定性好、机械强度高、使用失效后易再生等稳定性好、机械强度高、使用失效后易再生等特点。特点。广泛应用化学工业、食品加工、医疗卫广泛应用化学工业、食品加工、医疗卫生、农业、国防等领域生、农业、国防等领域。3 3（一）组成、结构与性质（一）组成、结构与性质组成组成4 4结构及孔的形状结构及孔的形状l结构结构：活性炭是非晶体物质，由排列成六边形的活性炭是非晶体物质，由排列成六边形的碳原子平面层组成，这些平面层的排列不是类似碳原子平面层组成，这些平面层的排列不是类似于石墨的结构，而是杂乱且无规律地排列成于石墨的结构，而是杂乱且无规律地排列成“螺螺层状结构层状结构”。l孔的形状孔的形状：圆筒孔、狭缝孔、圆锥孔、锥形狭缝圆筒孔、狭缝孔、圆锥孔、锥形狭缝孔、墨水瓶孔孔、墨水瓶孔分类分类1（按孔径）（按孔径）微孔（微孔（r 2 nm）中孔（中孔（2 nm r 50 nm）气相吸附气相吸附气相吸附气相吸附液相吸附，催化剂载体液相吸附，催化剂载体液相吸附，催化剂载体液相吸附，催化剂载体作为通道作为通道作为通道作为通道5 52 按形状分按形状分3 按原料分按原料分（a）植物类原料活性炭：木材、椰壳、核）植物类原料活性炭：木材、椰壳、核桃壳、杏核、竹材、稻草等。桃壳、杏核、竹材、稻草等。6 6（b）矿物类原料活性炭）矿物类原料活性炭:煤、石油焦、煤焦煤、石油焦、煤焦油、煤沥青、石油残渣、石油沥青等。油、煤沥青、石油残渣、石油沥青等。(c)其他原料活性炭：塑料类、纸浆废液、旧其他原料活性炭：塑料类、纸浆废液、旧轮胎、动物骨轮胎、动物骨、蔗糖、糖蜜、蔗糖、糖蜜等。等。3 按制备方法分按制备方法分（a）化学碳，以）化学碳，以ZnCl2,H3PO4,KOH等为活等为活化剂，化学活化法制备的活性炭化剂，化学活化法制备的活性炭（b）物理碳，以水蒸气，）物理碳，以水蒸气，CO2等为活化剂等为活化剂制备的活性炭制备的活性炭7 7（二）国内外发展现状（二）国内外发展现状l 国外活性炭生产国有美国、俄罗斯和日本国外活性炭生产国有美国、俄罗斯和日本等。世界活性炭的年产量约等。世界活性炭的年产量约70万吨，其中一半万吨，其中一半以上是由美国、日本及西欧经济共同体等工业以上是由美国、日本及西欧经济共同体等工业国生产。欧美等发达国家在活性炭制造技术方国生产。欧美等发达国家在活性炭制造技术方面已完成大型化、自动化、连续化、无公害化面已完成大型化、自动化、连续化、无公害化制造体系。而且对制造新工艺的研究与活性炭制造体系。而且对制造新工艺的研究与活性炭微孔结构和表面化学基团的关系研究，做到了微孔结构和表面化学基团的关系研究，做到了品种的专用化和多样化。品种的专用化和多样化。8 8 我国活性炭工业生产起步于我国活性炭工业生产起步于20世纪世纪50年代，年代，80年代以后发展迅速，主要以煤质活性炭为主。我国年代以后发展迅速，主要以煤质活性炭为主。我国目前有中小型活性炭生产企业目前有中小型活性炭生产企业1 000余家，活性炭产余家，活性炭产量占世界产量的三分之一，已成为世界上最大的活量占世界产量的三分之一，已成为世界上最大的活性炭生产国，性炭生产国，2007年生产量达到年生产量达到35万吨，出口量万吨，出口量25万吨。万吨。但是我国活性炭行业在制造技术上不如欧美国但是我国活性炭行业在制造技术上不如欧美国家，存在生产规模小、产品质量参差不齐、资源浪家，存在生产规模小、产品质量参差不齐、资源浪费费等问。等问。9 9二、活性炭的制备二、活性炭的制备活化机理：活化机理：活化剂在高温下与碳发生氧化活化剂在高温下与碳发生氧化还原反应，生成气体（如还原反应，生成气体（如CO、H2）。由于碳）。由于碳化物表面受到化物表面受到侵蚀侵蚀，是碳化物的孔结构更加，是碳化物的孔结构更加发达。发达。1010影响因素：影响因素：碳化温度（碳化温度（400600左右）、左右）、碳化时间（碳化时间（1h左右）、活化温度（左右）、活化温度（8001000 ）、活化时间（）、活化时间（1h左右）、活化剂流量左右）、活化剂流量。1111活化机理活化机理（3）其他活化法：如物理）其他活化法：如物理-化学法，模板法等。化学法，模板法等。1212 (4)成型活性炭的制备成型活性炭的制备v由于活性炭的由于活性炭的“螺层状结构螺层状结构”，平面层之间，平面层之间都是以分子间力相互结合，因此，活性炭的都是以分子间力相互结合，因此，活性炭的耐磨损度、耐压强度都很差。耐磨损度、耐压强度都很差。成型活性炭的优点成型活性炭的优点（1）具有一定的形状和尺寸，易于调变和加）具有一定的形状和尺寸，易于调变和加工。工。（2）密度和强度较高，无粉尘污染。）密度和强度较高，无粉尘污染。（3）单位体积的吸附量远高于粉状活性炭）单位体积的吸附量远高于粉状活性炭1313 成型活性炭的制备方法成型活性炭的制备方法v以碳质前驱物为原料制备成型活性炭以碳质前驱物为原料制备成型活性炭原料预处理原料预处理成型成型碳化、活化碳化、活化后处理后处理产品产品特点特点：该种方法制备的成型活性炭，骨架易遭：该种方法制备的成型活性炭，骨架易遭到破坏，难以制的高比表面积的成型活性炭。到破坏，难以制的高比表面积的成型活性炭。1414v以粉状活性炭为原料制备成型活性炭以粉状活性炭为原料制备成型活性炭粉状活性炭粉状活性炭粘结剂粘结剂混合混合压缩成型压缩成型加热处理加热处理后处理后处理成型活性碳成型活性碳该方法是制备高性能成型活性碳所必须的方法该方法是制备高性能成型活性碳所必须的方法1515粘合剂的分类粘合剂的分类有机类粘结剂有机类粘结剂：腐植酸及其钠盐、黏结性木：腐植酸及其钠盐、黏结性木质素、煤焦油、聚乙烯醇及其衍生物和酚醛质素、煤焦油、聚乙烯醇及其衍生物和酚醛树脂等。树脂等。无机粘合剂无机粘合剂：氧化铝、二氧化钛，硅酸盐、氧化铝、二氧化钛，硅酸盐、蒙脱土等。蒙脱土等。用有机粘合剂易得到比表面积较高的成型活用有机粘合剂易得到比表面积较高的成型活性炭，但是其机械强度不是很好。性炭，但是其机械强度不是很好。1616 总的来说，成型活性炭的吸附性能和机总的来说，成型活性炭的吸附性能和机械强度是相互矛盾的，要同时提高其吸附性械强度是相互矛盾的，要同时提高其吸附性能和机械强度是十分困难的。能和机械强度是十分困难的。无机类物质作为黏结剂，可以无机类物质作为黏结剂，可以大幅提高成大幅提高成型活性炭的机械强度型活性炭的机械强度，但添加量较少，则不，但添加量较少，则不能成型；而添加量过多，又会导致成型活性能成型；而添加量过多，又会导致成型活性炭中炭含量减少，比表面积下降。因此，该炭中炭含量减少，比表面积下降。因此，该类方法适合生产某些类方法适合生产某些具有特殊吸附性能具有特殊吸附性能的成的成型活性炭。型活性炭。1717三、活性炭的表征、分析与检测三、活性炭的表征、分析与检测（1）孔径分布）孔径分布 压汞法压汞法 主要用于测定较大的中孔和大孔，并主要用于测定较大的中孔和大孔，并可确定这部分孔的孔径分布。可确定这部分孔的孔径分布。毛细管凝聚法毛细管凝聚法 是物理吸附法中测定孔径分布是物理吸附法中测定孔径分布最常用的一种方法最常用的一种方法。分子吸附法分子吸附法 用来测微孔，如用来测微孔，如77K的氮气吸附。的氮气吸附。1818（2）表面化学性质）表面化学性质活性炭表面可能含有酸性、碱性、中性基团，活性炭表面可能含有酸性、碱性、中性基团，最常见的基团是最常见的基团是 羧基、羟基、内酯基和酚羟羧基、羟基、内酯基和酚羟基。基。常用的测定方法有：常用的测定方法有：Boehm滴定、零电荷点（滴定、零电荷点（PZC)、X射线光电射线光电子能谱子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱（傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和热重分析。和热重分析。1919（3）微观结构结构）微观结构结构 SEM和和TEM。（4）理论模型）理论模型2020（5）性能检测指标）性能检测指标物理性能物理性能：活性炭的水分含量、灰分含量、强：活性炭的水分含量、灰分含量、强度、粒度分布、表观密度、漂浮率、着火点、度、粒度分布、表观密度、漂浮率、着火点、挥发分含量等挥发分含量等。吸附性能吸附性能：包括水容量、亚甲基蓝吸附值、碘：包括水容量、亚甲基蓝吸附值、碘值、苯酚吸附值、四氯化碳吸附值、苯酚吸附值、四氯化碳吸附脱附率、饱和脱附率、饱和硫容量、防护时间等。硫容量、防护时间等。化学性能化学性能:元素组成（含工业分析、元素分析、元素组成（含工业分析、元素分析、和有害杂质分析），表面氧化物，泽塔电位等和有害杂质分析），表面氧化物，泽塔电位等。2121四、活性炭的应用四、活性炭的应用v活性炭作为优良的吸附剂，常用于水体净化、活性炭作为优良的吸附剂，常用于水体净化、空气的净化、工业废气回收、贵重金属的回空气的净化、工业废气回收、贵重金属的回收及提炼等。其应用范围涉及化学工业、食收及提炼等。其应用范围涉及化学工业、食品加工、医疗卫生、农业、国防等领域、催品加工、医疗卫生、农业、国防等领域、催化及电化学电源，在环境保护和人类生活中化及电化学电源，在环境保护和人类生活中起着重要作用起着重要作用。2222（1）在液相吸附中的应用）在液相吸附中的应用 活性炭在液相中主要用于包括水处理、食活性炭在液相中主要用于包括水处理、食品工业脱色及贵金属回收等。其中，水处理主品工业脱色及贵金属回收等。其中，水处理主要应用在饮用水的净化、废水处理、工业用水要应用在饮用水的净化、废水处理、工业用水处理这三大方面。处理这三大方面。（2）在气相吸附中的应用）在气相吸附中的应用 活性炭在气相吸附中的应用主要包烟道气、活性炭在气相吸附中的应用主要包烟道气、工业废气的处理和净化、生活空气净化、油工业废气的处理和净化、生活空气净化、油气回收及毒气防护等。气回收及毒气防护等。2323（3）在催化方面的应用）在催化方面的应用 活性炭本身就具有催化活性，一般可单独活性炭本身就具有催化活性，一般可单独作为催化剂使用。作为催化剂使用。也可以作为催化剂载体，负也可以作为催化剂载体，负载活性离子。载活性离子。此外，活性炭还可用于土壤的污染治理、此外，活性炭还可用于土壤的污染治理、储氢、作为新型储能器件的电极材等。储氢、作为新型储能器件的电极材等。2424五、新型的碳材料五、新型的碳材料v（一）活性炭微球（一）活性炭微球v球形活性炭是球形活性炭是20世纪世纪70年代后期由日本、美年代后期由日本、美国、联邦德国和苏联等工业发达的国家研制国、联邦德国和苏联等工业发达的国家研制开发成功的一种高档活性炭新品种，开发成功的一种高档活性炭新品种，80年代年代后后期逐渐进入工业化阶段。后后期逐渐进入工业化阶段。2525日本大阪瓦斯公司以中间相沥青为原料微球为日本大阪瓦斯公司以中间相沥青为原料微球为原料，以原料，以KOH为活化剂，制的比表面积高达为活化剂，制的比表面积高达30004600m2g的超高比表面积活性炭微球。的超高比表面积活性炭微球。制备球型活性炭的原料有：煤、高分子和沥青。制备球型活性炭的原料有：煤、高分子和沥青。其其球形活性炭具有均匀的球形外表，表面光滑、球形活性炭具有均匀的球形外表，表面光滑、力学强度高、比表面积大、耐磨损、耐腐蚀，力学强度高、比表面积大、耐磨损、耐腐蚀，长期使用掉屑少，产品杂质含量低等优点。长期使用掉屑少，产品杂质含量低等优点。2626制备方法制备方法：压条成球法、介质分散法、喷雾法、：压条成球法、介质分散法、喷雾法、反响乳液法和热缩聚法、乳液法、悬浮法等。反响乳液法和热缩聚法、乳液法、悬浮法等。应用应用：化工，石化，医药、防毒防护、能源环：化工，石化，医药、防毒防护、能源环保等领域。保等领域。制备工艺流程如下：制备工艺流程如下：煤沥青或石油渣油煤沥青或石油渣油高软化点沥青高软化点沥青沥青球沥青球不熔化不熔化沥青球沥青球球型活性炭球型活性炭调制调制球形化球形化添加剂添加剂不熔化不熔化氧化介质氧化介质250400碳化，活化碳化，活化N2+活化剂，活化剂，9002727（二）活性炭纳米管（二）活性炭纳米管v活性炭纳米管可以看成是单层或多层石墨片活性炭纳米管可以看成是单层或多层石墨片层卷曲而成的无缝中空管状结构。因此，具层卷曲而成的无缝中空管状结构。因此，具有管状孔隙、层间孔隙等。此外，还具有表有管状孔隙、层间孔隙等。此外，还具有表面原子密度大，比表面积大，孔结构和表面面原子密度大，比表面积大，孔结构和表面结构可修饰等特点。结构可修饰等特点。2828 这些特点使其在催化剂载体、储氢材料、这些特点使其在催化剂载体、储氢材料、超级电容、锂离子二次电池和隐形材料等领域超级电容、锂离子二次电池和隐形材料等领域都得到广泛的研究。都得到广泛的研究。制备方法制备方法：气相氧化法、液相氧化法和固相氧：气相氧化法、液相氧化法和固相氧化法。化法。无论那一种方法，都是将碳纳米管经活化无论那一种方法，都是将碳纳米管经活化处理及后处理得到活性炭纳米管。处理及后处理得到活性炭纳米管。2929（三）活性炭纤维（三）活性炭纤维v活性炭纤维（活性炭纤维（ACF）是继粉末活性炭是继粉末活性炭（PAC）和粒状活性炭（）和粒状活性炭（GAC）之后的第三）之后的第三代活性碳材料。代活性碳材料。v现在的现在的ACF是碳纤维（是碳纤维（CF）及可碳化纤维经）及可碳化纤维经物理活化、化学活化，或两者兼有的活化反物理活化、化学活化，或两者兼有的活化反应所制得的具有丰富和发达孔隙结构的功能应所制得的具有丰富和发达孔隙结构的功能型碳纤维。型碳纤维。3030常用的常用的ACF有有：黏胶、酚醛纤维、聚丙烯晴：黏胶、酚醛纤维、聚丙烯晴（PAN）、沥青、聚酰亚胺纤维、聚苯乙烯纤）、沥青、聚酰亚胺纤维、聚苯乙烯纤维及空心纤维等。维及空心纤维等。应用：应用：多做为吸附材料、催化剂载体、电极材多做为吸附材料、催化剂载体、电极材材料等。材料等。3131谢谢 谢！谢！32323232