煤制活性炭技术课件

煤制活性炭技术煤制活性炭技术煤制活性炭技术煤制活性炭技术活性炭电镜照片活性炭电镜照片活性炭电镜照片活性炭电镜照片一、一、活性炭简介活性炭简介活性炭的结构活性碳的分类活性碳的用途一、一、活性炭简介活性炭的结构活性碳的分类活性碳的用途活性炭简介活性炭的结构活性碳的分类活性碳的用途活活 性性 炭炭 活性炭是一种由含炭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。活性炭主成分除了碳元素以外还有氧、氮、氢等元素及灰份。活活 性性 炭炭 活性炭是一种由含炭材料制成的外观呈黑色活性炭是一种由含炭材料制成的外观呈黑色活性炭的结构 活性炭在结构上由于碳是不规则排列，在交叉连接之间有细孔，造成了活性碳多微孔体积及高表面积的特性。活性炭的孔结构十分复杂，形状各异，孔隙大小从不到1nm直至1万nm以上，按其孔隙大小可分为大孔、过渡孔，微孔，其大小范围如下：活性炭的结构活性炭的结构 活性炭在结构上由于碳是不规则排列，在交叉活性炭在结构上由于碳是不规则排列，在交叉大孔：半径为100-2000nm，主要是能使被吸 附物的分子迅速地进入位于活性碳粒 子更深处的内层细孔。过渡孔：半径为2-100nm，过渡孔的表面积占 总面积的5%。它是作为被吸附物质到 微孔的信道。微孔：半径为2nm以下。微孔的表面积占总面积 的95%。能提供很大的比表面积给活性碳 吸附杂质。大孔：半径为大孔：半径为100-2000nm，主要是能使被吸过渡孔：半径，主要是能使被吸过渡孔：半径活性炭的分类 活性炭的主要原料几乎可以是所有富含碳的有机材料，如煤、木材、果壳等。这些含碳材料在活化炉中，在高温和一定压力下通过热解作用被转换成活性炭。按原料来源分木质活性炭 煤质活性炭 矿物质原料活性炭 石油活性炭 再生活性炭活性炭的分类活性炭的分类 活性炭的主要原料几乎可以是所有富含碳的有活性炭的主要原料几乎可以是所有富含碳的有按制造方法分化学法活性炭（化学药品活化法炭）物理法活性炭(气体活化法炭)化学-物理法或物理-化学法活性炭 按外观形状分粉状活性炭 颗粒活性炭不定型颗料活性炭 圆柱形活性炭 球形活性炭 纤维状活性碳按制造方法分按制造方法分化学法活性炭（化学药品活化法炭）化学法活性炭（化学药品活化法炭）按外观形按外观形活性炭的用途空气净化：能吸附过滤空气中的恶臭、体臭、烟气、毒气、O3、SO2、NO等。水净化：能去除水中的重金属离子、致癌物 质、臭味、霉味、细菌及脱色等；可 用于自来水、食品工业用水及工业用 纯水等处理；环保工程：废气及污水处理；防毒口罩、防毒衣、香烟过滤嘴等；活性炭的用途活性炭的用途空气净化：能吸附过滤空气中的恶臭、体臭、空气净化：能吸附过滤空气中的恶臭、体臭、溶剂回收：对苯类、酮类、酯类、石油类均能 吸附回收。贵金属提炼或回收、吸附放射性物质，也可用于作为催化剂载体、气相色谱的固定相；医药上用于包扎带，急性解毒剂、人工肾脏等；电子及能源方面应用，如高容量电容、蓄电池等；耐高温及保温材料。溶剂回收：对苯类、酮类、酯类、石油类均能溶剂回收：对苯类、酮类、酯类、石油类均能 活性炭的来源活性炭的来源活性炭几乎可以用含有碳的任何物质做原料来制造，这包括木材、锯末、煤、泥炭、果壳、果核、蔗渣、骨、石油焦、皮革废物、纸厂废物等等。二、二、活性炭的制备活性炭的制备碳化的定义碳化的定义 碳化也称热解，是在隔绝空气的条件下对原材料加热，一般温度在600以下。有时原材料先经无机盐溶解处理后再碳化。活化的定义活化的定义 活化是在有氧化剂的作用下，对碳化后的材料加热，以生产活性炭产品。当氧化过程的温度在800-900时，一般用蒸汽或二氧化碳为氧化剂；当氧化温度在600以下时，一般用空气做氧化剂。活性炭的制作活性炭的制作活性炭的制作分碳化及活化两步。活性炭的来源二、活性炭的来源二、活性炭的制备碳化的定义活化的定义活性炭的制活性炭的制备碳化的定义活化的定义活性炭的制 二、活性炭的制备二、活性炭的制备使原材料分解放出水气、一氧化碳、二氧使原材料分解放出水气、一氧化碳、二氧化碳及氢等气体；化碳及氢等气体；使原材料分解成碎片，并重新结合成稳定使原材料分解成碎片，并重新结合成稳定的结构的结构。碳碳 化化 的的 作作 用用 在活化过程中，烧掉了碳化时吸附的碳氢在活化过程中，烧掉了碳化时吸附的碳氢化合物，把原有空隙边上的碳氢原子烧掉，化合物，把原有空隙边上的碳氢原子烧掉，起了扩大孔隙的作用，并把孔隙与孔隙之间起了扩大孔隙的作用，并把孔隙与孔隙之间烧穿。活化使活性炭变成一种良好的多孔结烧穿。活化使活性炭变成一种良好的多孔结构。构。活活 化化 的的 作作 用用 二、活性炭的制备二、活性炭的制备使原材料分解放出水气、一氧化碳、二氧化使原材料分解放出水气、一氧化碳、二氧化2、活性炭活化机理活性炭在惰性气氛中进行炭化，原材料经过热分解放出挥发分而变成炭化产物。目前活性炭的研究难点主要集中在原料碳的活化过程，如怎样形成孔隙结构，孔隙炭化过程中被生成的焦油状物质及非晶质碳堵塞、封闭，如何进一步地通过活性物质的活化反应把它们除去等方面。在解析吸附试验基础上，将X射线衍射与热重分析等方法相结合，对活化原理有了更深入的理解，但对于活化机理仍需要进一步研究。2、活性炭活化机理活性炭在惰性气氛中进行炭化，原材料经过热分、活性炭活化机理活性炭在惰性气氛中进行炭化，原材料经过热分2.1 水蒸气活化以水蒸气活化为代表的物理活化具有工艺简单、无污染等优点，已经得到越来越多的关注和应用，但其活化机理仍在探索之中，水蒸气与碳的基本反应是吸热反应，反应在750 以上的温度下进行。2.1 水蒸气活化水蒸气活化 以水蒸气活化为代表的物理活化具有工艺简以水蒸气活化为代表的物理活化具有工艺简2.1 水蒸气活化碳与水蒸气的反应主要受氢气的影响，不受一氧化碳的影响。一般认为，炭表面吸附水蒸气后，吸附的水蒸气分解放出氢气，吸附的氧以一氧化碳的形态从炭表面上脱离。吸附的氢堵塞了活性点，抑制了反应的进行，生成的一氧化碳与炭表面上的氧发生反应而变成二氧化碳，炭的表面与水蒸气又进一步发生反应。反应式如下所示 2.1 水蒸气活化水蒸气活化 碳与水蒸气的反应主要受氢气的影响，不受碳与水蒸气的反应主要受氢气的影响，不受2.1 水蒸气活化碳与水蒸气反应受炭材料中金属或金属氧化物的催化作用，促进了气化反应的进行。当活化温度在900以上时，受水蒸气在炭化物颗粒内扩散速度的影响，活化反应速度太快，水蒸气侵蚀到孔隙的入口附近就被消耗掉，难以扩散到孔隙内部，不能均匀地进行活化。相反活化温度越低，活化反应速度越小，水蒸气越能充分地扩散到孔隙中，可以对整个炭化物颗粒进行均匀地活化。2.1 水蒸气活化水蒸气活化 碳与水蒸气反应受炭材料中金属或金属氧化碳与水蒸气反应受炭材料中金属或金属氧化2.2 二氧化碳活化相比水蒸气活化，采用二氧化碳活化制备活性炭的研究较少因为碳与二氧化碳的活化反应速度比水蒸气活化时缓慢，需要8501100的较高温度。在碳与二氧化碳的反应中，碱金属的碳酸盐具有催化作用，反应不仅受一氧化碳的影响，还受反应混合物中氢气的影响。二氧化碳活化机理有如下两种观点：2.2 二氧化碳活化二氧化碳活化 相比水蒸气活化，采用二氧化碳活化制备相比水蒸气活化，采用二氧化碳活化制备2.2 二氧化碳活化第一种观点：第二种观点：第一种观点表示二氧化碳与碳的反应基本上是不可逆的，生成的一氧化碳吸附在炭的活性点上阻碍了反应的进行；第二种观点表示二氧化碳与碳的反应是可逆的，一氧化碳的浓度增加时可逆反应达到平衡状态，反应便不能继续进行。2.2 二氧化碳活化二氧化碳活化 第一种观点：第一种观点：2.3 碱(KOH)活化在惰性气体中热处理KOH与含炭材料时，反应分两步进行，在低温时生成表面物种(-OK，-OOK)，然后在高温时通过这些物种进行活化反应。低温时:高温时：2.3 碱碱(KOH)活化在惰性气体中热处理活化在惰性气体中热处理KOH与含炭材料与含炭材料2.3 碱(KOH)活化把一定量的炭材料与碱类物质的混合，在300500下脱水后，在600800范围内活化，活化的混合物经冷却，用水充分洗涤除去剩余碱，便得到活性炭。有关的主要反应如下：2.3 碱碱(KOH)活化把一定量的炭材料与碱类物质的混合，活化把一定量的炭材料与碱类物质的混合，2.3 碱(KOH)活化500以下发生脱水反应，在氧化钾存在下，发生水煤气反应和水煤气转移反应，可以认为氧化钾作为催化剂。产生的二氧化碳与氧化钾反应几乎完全转变成碳酸盐，因此产生的气体主要是氢气，仅得到极少量的一氧化碳、二氧化碳、甲烷及焦油状物质。活化过程中消耗的碳主要生成碳酸钾，从而使产物具有很大的比表面积。在800左右，氧化钾被氢气或碳还原，以金属钾(沸点762)形式析出，金属钾的蒸气不断挤入碳原子所构成的层与层之间进行活化。2.3 碱碱(KOH)活化活化500 以下发生脱水反应，在氧化以下发生脱水反应，在氧化2.4 氯化锌活化氯化锌活化生产活性炭的历史已久，至今氯化锌法生产工艺仍然是化学药品活化法中最主要的方法。虽然国内外研究者使用氯化锌活化不同的原料制备出优质活性炭，但对于活化机理仍在不断探索之中。氯化锌活化木质素得出如下结论在200600范围内，氯化锌对木质素起作用：200350木质素中易挥发物的气化脱氢；350450氯化锌的脱氢限制了焦油的形成，导致木质纤维素的芳构化；450600氯化锌气化，氯化锌分子浸渍到碳的内部起骨架作用，碳的高聚物炭化后沉积到骨架上，当用酸和热水洗去氯化锌后，炭就成了具有巨大表面的多孔结构活性炭。2.4 氯化锌活化氯化锌活化生产活性炭的历史已久，至今氯化氯化锌活化氯化锌活化生产活性炭的历史已久，至今氯化2.5 磷酸活化氯化锌活化过程中易挥发出氯化氢和氯化锌气体，造成严重的环境污染，并影响工人身体健康，而且氯化锌回收困难，回收率低，造成锌耗高，能耗高，导致产品成本高。在国外氯化锌法已经被淘汰，取而代之的是磷酸法，即用磷酸来代替氯化锌作为活化剂。利用核磁共振波谱、傅立叶变换红外光谱对磷酸活化木质活性炭进行元素分析，发现磷酸的加入降低了炭化温度，150开始形成微孔，200450主要形成中孔；磷酸作为催化剂催化大分子键的断裂，通过缩聚和环化来参与键的交联；可以通过改变热处理温度或改变酸与原料之比来改变活性炭的孔隙分布，但高温条件下形成的主要是中孔。2.5 磷酸活化氯化锌活化过程中易挥发出氯化氢和氯化锌气体磷酸活化氯化锌活化过程中易挥发出氯化氢和氯化锌气体三、活性炭的吸附三、活性炭的吸附活性炭是非极性吸附剂，因此在水中吸附能力大于活性炭是非极性吸附剂，因此在水中吸附能力大于有机溶剂中的吸附能力。有机溶剂中的吸附能力。三、活性炭的吸附活性炭是非极性吸附剂，因此在水中吸附能力大于三、活性炭的吸附活性炭是非极性吸附剂，因此在水中吸附能力大于 活性炭的吸附作用活性炭的吸附作用 对芳族化合物的吸附非极性的链烷化合物在活性炭表面的吸附。有关极性分子氨基酸及蛋白质的吸附资料极少 活性炭对于吸附无机物也有一定的潜力活性炭的吸附性能是由于它的表面基团类型、比表面积和孔径的分布决定的。三、活性炭的吸附应用三、活性炭的吸附应用 活性炭的吸附作用活性炭的吸附作用 对芳族化合物的吸附非极性的有关极性活对芳族化合物的吸附非极性的有关极性活三、活性炭的应用三、活性炭的应用气相吸附方面气相吸附方面废气净化和废气净化和回收回收 用于净化用于净化工业上排放的工业上排放的有害气体，如有害气体，如废烟气的脱硫废烟气的脱硫等；回收挥发等；回收挥发散失的溶剂如散失的溶剂如丙酮、酯类、丙酮、酯类、苯、汽油等苯、汽油等防御毒气和防御毒气和有害气体有害气体 在国在国防和民用工业防和民用工业中用活性炭装中用活性炭装填各种防毒面填各种防毒面具，制造防御具，制造防御放射性物质的放射性物质的纺织品纺织品原子能设施原子能设施中的应用中的应用 用于用于捕集和去除泄捕集和去除泄漏的放射性物漏的放射性物质。质。其它其它 用活用活性炭填充气体性炭填充气体钢瓶，增加贮钢瓶，增加贮存气体的容量；存气体的容量；用于香烟滤嘴用于香烟滤嘴滤除尼古丁等。滤除尼古丁等。三、活性炭的应用气相吸附方面三、活性炭的应用气相吸附方面废气净化和回收废气净化和回收 用于净化工业上用于净化工业上三、活性炭的应用三、活性炭的应用液相吸附方面液相吸附方面食品工业食品工业 用用于葡萄糖、饴于葡萄糖、饴糖、味精、油糖、味精、油脂、酒等的脱脂、酒等的脱色精制，除去色精制，除去色素、胶质和色素、胶质和其它杂质。其它杂质。医药工业医药工业 用用于抗菌素、解于抗菌素、解热药、维生素、热药、维生素、注射用针剂等注射用针剂等除去色素、杂除去色素、杂质等。质等。化学药品化学药品 用用于各种有机和于各种有机和无机药品，如无机药品，如酯类、酚类、酯类、酚类、柠檬酸、草酸柠檬酸、草酸等的脱色精制。等的脱色精制。环境保护环境保护 用于净化用水，用于净化用水，处理废水等。处理废水等。其它其它 在冶金在冶金工业中用于回工业中用于回收金、银、钯收金、银、钯等贵重金属。等贵重金属。三、活性炭的应用液相吸附方面三、活性炭的应用液相吸附方面食品工业食品工业 用于葡萄糖、饴糖、味用于葡萄糖、饴糖、味三、活性炭的应用三、活性炭的应用其他方面其他方面为催化剂和催化剂载体为催化剂和催化剂载体活性炭本身有各种催化活活性炭本身有各种催化活性，可单独作催化剂，应性，可单独作催化剂，应用于卤化、氧化脱氢等化用于卤化、氧化脱氢等化学反应中。某些活性炭也学反应中。某些活性炭也是优良的催化剂载体，应是优良的催化剂载体，应用在醋酸乙烯酯合成、卤用在醋酸乙烯酯合成、卤化、氧化、聚合等反应中。化、氧化、聚合等反应中。医药方面的应用医药方面的应用活性炭作为外用药，活性炭作为外用药，用于烂疮、化脓化创用于烂疮、化脓化创伤，也可用于内服药伤，也可用于内服药治疗腹泻。活性炭能治疗腹泻。活性炭能吸附病毒、细菌毒素、吸附病毒、细菌毒素、药物等，可用于治疗药物等，可用于治疗中毒或过量服药的病中毒或过量服药的病人。人。农业和其它方面的农业和其它方面的应用应用活性炭施用于土壤中，活性炭施用于土壤中，能促进氮的生物固定能促进氮的生物固定作用，除去农药对作作用，除去农药对作物的毒害等。此外，物的毒害等。此外，活性炭还用作制造锌活性炭还用作制造锌空气电池的电极。空气电池的电极。三、活性炭的应用其他方面三、活性炭的应用其他方面为催化剂和催化剂载体为催化剂和催化剂载体医药方面的应医药方面的应四四 活性炭制备工艺活性炭制备工艺 煤质煤质活性活性炭生炭生产工产工艺艺无定形炭生产工艺颗粒活性炭生产工艺（柱状、球形活性炭等）原理和产品的处理工艺四四 活性炭制备工艺活性炭制备工艺 无定形炭生产工艺颗粒活性炭生产工艺原理无定形炭生产工艺颗粒活性炭生产工艺原理四四 活性炭制备工艺活性炭制备工艺原理和产品的处理工艺原理和产品的处理工艺原理和产品原理和产品的处理工艺的处理工艺除铁除铁 脱灰脱灰 浸渍浸渍 涂层涂层 四四 活性炭制备工艺原理和产品的处理工艺原理和产品的处理工艺活性炭制备工艺原理和产品的处理工艺原理和产品的处理工艺五五 活性炭生产设备活性炭生产设备煤质活性炭生产设备煤质活性炭生产设备活活性性炭炭生生产产工工序序 原料制备原料制备混捏成型混捏成型干燥干燥炭化炭化活化活化后处理后处理类蒙摩类蒙摩 混捏设备混捏设备炭化炉炭化炉 活化炉活化炉 五五 活性炭生产设备煤质活性炭生产设备活性炭生产工序活性炭生产设备煤质活性炭生产设备活性炭生产工序 原料制备原料制备所谓活性炭的再生(regeneration)，就是将饱和吸附各种污染物的活性炭经过特殊处理，使活性炭恢复绝大部分的吸附能力，以便重新用于吸附过程，降低生产成本，减少资源的浪费。经吸附或脱色后的废活性炭的高使用成本，废弃饱和活性炭造成的资源浪费及二次污染等问题，极大地限制了活性炭的应用范围。六、六、活性炭再生活性炭再生所谓活性炭的再生所谓活性炭的再生(regeneration)，就是将饱和吸附，就是将饱和吸附表表1.活性炭再生方法比较活性炭再生方法比较Table1.The different of the activated carbon regeneration方法方法优点优点缺点缺点热再生热再生再生率高、再生时间短、再生率高、再生时间短、通用性能好、没有再生废通用性能好、没有再生废液产生液产生每再生一次，活性炭损失一般在每再生一次，活性炭损失一般在310、高温对再生炉材料要、高温对再生炉材料要求较高，设备复杂，成本较高求较高，设备复杂，成本较高化学药品再化学药品再生生可逆吸附，吸附质易于回可逆吸附，吸附质易于回收，活性炭的损失不大收，活性炭的损失不大针对性强，易产生二次污染，粉针对性强，易产生二次污染，粉状活性炭难于再生，化学溶剂腐状活性炭难于再生，化学溶剂腐蚀活性炭表面，破坏活性炭的细蚀活性炭表面，破坏活性炭的细孔结构，活性炭吸附容量和机械孔结构，活性炭吸附容量和机械强度降低强度降低生物再生生物再生再生的设备和工艺比较简再生的设备和工艺比较简单，对活性炭无危害作用，单，对活性炭无危害作用，污染少，可以用于粉状活污染少，可以用于粉状活性炭的再生性炭的再生吸附质有一定的选择性，受水质吸附质有一定的选择性，受水质和温度的影响大，有机物氧化速和温度的影响大，有机物氧化速度缓慢、再生时间长，不能将所度缓慢、再生时间长，不能将所有的有机物彻底分解，中间产物有的有机物彻底分解，中间产物残留在活性炭上，多次循环再生残留在活性炭上，多次循环再生效率降低效率降低表表1.活性炭再生方法比较方法优点缺点再生率高、再生时间短、活性炭再生方法比较方法优点缺点再生率高、再生时间短、超临界流体超临界流体再生再生温度低，活性炭没有任何损温度低，活性炭没有任何损耗；可收集吸附物，利于重耗；可收集吸附物，利于重新利用或集中焚烧，切断二新利用或集中焚烧，切断二次污染；可将干燥、脱除有次污染；可将干燥、脱除有机物操作连续化，作到一步机物操作连续化，作到一步完成；再生设备占地小，操完成；再生设备占地小，操作周期短，节约能耗作周期短，节约能耗有机污染物十分有限，难以证明应有机污染物十分有限，难以证明应用的广泛性；采用的用的广泛性；采用的SCF仅限于仅限于CO2，研究理论基础方面，包括热力学，研究理论基础方面，包括热力学和动力学研究不够深入，和动力学研究不够深入，缺乏基础数据；仅限于实验研究，缺乏基础数据；仅限于实验研究，中试和工业规模研究急待进行中试和工业规模研究急待进行电化学再生电化学再生操作方便且效率高、能耗低，操作方便且效率高、能耗低，处理对象所受局限性较小，处理对象所受局限性较小，避免二次污染避免二次污染再生的均一性、电效率、活性炭本再生的均一性、电效率、活性炭本身氧化等因素，还有待研究身氧化等因素，还有待研究湿式氧化再湿式氧化再生生处理对象广泛，反应时间短，处理对象广泛，反应时间短，再生效率稳定，再生开始后再生效率稳定，再生开始后无需另外加热无需另外加热某些难降解有机物，可能会产生毒某些难降解有机物，可能会产生毒性更大的中间产物性更大的中间产物微波辐射再微波辐射再生生局部施加能量，不需将大量局部施加能量，不需将大量的水溶液和活性炭加热，能的水溶液和活性炭加热，能耗小耗小在有机物脱附过程中，是否有其它在有机物脱附过程中，是否有其它中间产物产生还有待进一步研究中间产物产生还有待进一步研究超声波再生超声波再生能耗小能耗小,设备简单设备简单,可富集、可富集、回收有用物质回收有用物质对吸附物质有选择性仅对物理吸附对吸附物质有选择性仅对物理吸附有效有效温度低，活性炭没有任何损耗；可收集吸附物，利于重新利用或集中温度低，活性炭没有任何损耗；可收集吸附物，利于重新利用或集中谢谢谢谢 谢谢