活性炭,是黑色粉末狀或塊狀、顆粒狀、蜂窩狀的無定形碳,也有排列規整的晶體碳。活性炭中除碳元素外,還包含兩類摻和物:一類是化學結合的元素,主要是氧和氫,這些元素是由于未完全炭化而殘留在炭中,或者在活化過程中,外來的非碳元素與活性炭表面化學結合;另一類摻和物是灰分,它是活性炭的無機部分,灰分在活性碳中易造成二次污染。活性炭由于具有較強的吸附性,廣泛應用于生產、生活中。
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:化學藥品活化法活性炭、強堿活化法活性炭、氣體活化法活性炭、水蒸氣活化法活性炭、物理化學法。
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。
化學品活化法
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。
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