答:活性炭是用能發展吸附性能的方法制成的一族含碳物質,由石墨化微晶結構和非晶質結構的碳相互連接構筑成發達的多級孔隙結構和表面化學結構,其微細孔發達、比表面積巨大、吸附能力強。它的物理化學性質穩定,不溶于水和有機溶劑,耐酸堿。
答:炭化也叫“干餾”,是含碳有機物在隔絕空氣的條件下熱分解為碳和其他產物的過程。
答:活化是使炭具備“活性”(吸附性能)的過程,也叫“開孔”和“擴孔”的過程。
答:
按使用原料:主要分為煤質活性炭和植物活性炭(原稱木質活性炭)兩大類。其中植物活性炭按使用的具體材料進一步分為木質活性炭、竹質活性炭和果殼活性炭,而果殼活性炭按使用的具體材料進一步分為椰殼活性炭、杏殼活性炭、桃殼活性炭、棕櫚殼活性炭、榛子殼活性炭、桃殼活性炭等。除此以外,還有石油焦活性炭、合成樹脂炭、有機廢液炭、骨炭、血炭等使用其它含碳材料制成的活性炭。
按工藝方法:分為化學法、物理法和化學—物理混合法。化學法活性炭一般使用磷酸、氯化鋅等強氧化性合成化學品為活化劑;物理法活性炭一般使用水蒸汽、二氧化碳天然弱氧化物為活化劑。化學—物理混合法是既使用合成化學品(如氫氧化鉀、 磷酸等)做活化劑、又使用水蒸汽等天然氧化物為活化劑。
按外觀形狀:分為粉狀活性炭、顆粒狀活性炭和其他形狀活性炭(如活性炭纖維、活性炭布、蜂窩活性炭等)。其中顆粒活性炭又分為不定形顆粒炭(如:破碎炭)和定形顆粒炭(如:柱狀炭、球狀炭等)。
答:活性炭的孔徑分布范圍很寬,從小于1nm到數千nm。依據國際理論與應用化學聯合會(IUPAC)的分類標準,活性炭的孔隙分為三類:
- 孔隙直徑<2nm為微孔,約占活性炭總比表面積的90~95%。大多數的吸附質由微孔吸附,分子直徑小于孔徑的吸附質都能夠被吸附,一般孔隙大小為吸附質分子直徑2-4倍時最有利于吸附;
- 孔隙直徑在2~50nm為中孔(過渡孔),約占活性炭總比表面積的5~10%。可作為吸附質進出微孔的通道,中孔對大分子有機物有很好的吸附作用,常用于去除溶液中較大的有色雜質和膠體,在催化劑領域,中孔是各種觸媒藥品的主要負載場所;
- 孔隙直徑>50nm為大孔,一般在活性炭比表面積的占比不到1%。是吸附質進出的通道,作為生物活性炭可以提供微生物和菌類生存繁殖的場所。
活性炭的組成元素80~90%以上都是碳元素,這決定了活性炭是疏水性吸附劑。此外還包含兩類其他元素,一類是氫和氧等化學結合元素,以及微量的氮、硫等元素,這類元素部分由于原料炭化、活化過程中未逃逸干凈而微量殘存于活性炭結構中,或在活化過程中,炭表面被水蒸氣或氧氣氧化生產表面官能團而帶入的;另一類是灰分雜質,主要來源于原料中含有的SiO2、Al2O3等無機物雜質。
答:活性炭表面主要存在含氧官能團、含氮官能團。含氧官能團可分為酸性官能團【如羧基(—COOH)、羥基(—OH)和羰基(—C=O)】、中性官能團【如醌型羰基】和堿性官能團【如亞甲基(—CH2)等】。活性炭含氧量越高,其酸性越強,具有酸性表面官能團的活性炭具有陽離子交換特性。活性炭含氧量低,表現出堿性特征以及陰離子交換特征。對活性炭進行酸洗處理,會增加活性炭表面的含氧絡合物。
答:活性炭的吸附作用可以分為物理吸附和化學吸附。
物理吸附的作用力是“范德華力”,作用力較弱,吸附質分子結構變化不大,基本保持原始狀態,其吸附過程可逆。
化學吸附的作用力是“價鍵力”,作用力較強,吸附質分子與活性炭表面原子形成化學鍵,組成表面絡合物,其分子結構變化較大,其吸附過程不可逆。
大多數的吸附為可逆的物理吸附,在吸附、解吸過程中吸附質不發生化學反應,解析后活性炭表面可恢復到原來的狀態,這種特性使活性炭可以通過再生得以反復使用。
活性炭屬于疏水性的吸附劑,能夠選擇性地從空氣中吸附比水蒸汽濃度低得很多的揮發性有機物和水中的微量有機物。
答:比表面積相同的活性炭,吸附性能不一定相同,影響活性炭吸附性能的因素主要有:
- 活性炭吸附劑的性質
一般來說,活性炭微孔越發達,比表面積越高,吸附能力越強。活性炭是極性吸附劑,易于吸附非極性或極性很低的吸附質。顆粒度的大小導致活性炭孔隙開放度的不同,可直接影響吸附性能。細孔的結構和分布情況,以及其表面的化學性質對吸附也有很大影響。
- 吸附質的性質
吸附質的溶解度、分子極性、表面自由能、分子直徑和濃度等都對活性炭的吸附性能有直接的影響
- 溶液的pH值
活性炭在酸性溶液中比在堿性溶液中有較高的吸附率,溶液的pH值會對吸附質在水中的狀態和溶解度產生影響,從而影響吸附效果。
- 共存物質
共存多種吸附質時,活性炭對某種吸附質的吸附能力會比只含該種吸附質時的差,這是由于共存物質在孔隙中“占位”導致的。
- 溫度
氣相吸附時,吸附質溫度對活性炭吸附能力的影響較大,液相吸附時,吸附質溫度對活性炭吸附能力的影響較小。
- 接觸時間
吸附是一個“傳質”過程,吸附質需要一定的時間才能夠到達活性炭微孔內部,并達到平衡。不同吸附質和活性炭達到吸附平衡所需要接觸時間不同。
答:活性炭質量標準分為產品質量標準和檢驗方法標準。產品質量標準根據不同行業的具體應用要求,提出各項質量指標的具體數值要求;檢驗方法標準則規定了對這些指標如何進行檢測。
答:國內活性炭檢驗方法標準分為煤質和木質。
煤質的是:GB/T7702《煤質顆粒活性炭試驗方法》,由中國的活性炭中國兵器工業標準化研究所歸口,山西新華化工廠負責起草。
木質的是:GB/T12496《木質活性炭試驗方法》,由原國家林業局歸口,中國林業科學研究院林產化學工業研究所負責起草。
答:國外活性炭檢驗方法標準主要有:美國ASTM標準,日本工業標準JISK1474、俄羅斯гост標準。
答:GB/T7702《煤質顆粒活性炭試驗方法》于1987年首次發布,經歷了1997年和2008年兩次修訂。
GB/T12496《木質活性炭試驗方法》于1990年首次發布,經歷了1999年和2015年兩次修訂。其中2015年版目前僅發布了3項子標準,分別為:第8項《碘吸附值的測定》、第9項《焦糖脫色率的測定》、第19項《焦糖脫色率的測定》。
答: 各檢測方法標準的檢測項目差異見下表
| 檢測項目 | GB/T7702 | GB/T12496 | ASTM | JIS | гост |
| 水分 | ● | ● | ● | ● | ● |
| 粒度 | ● | ● | ● | ● | ● |
| 強度 | ● | ● | ● | ● | ● |
| 裝填密度或表觀密度 | ● | ● | ● | ● | ● |
| 水容量 | ● | ○ | ○ | ○ | ● |
| 亞甲基藍吸附值 | ● | ● | ○ | ● | ○ |
| 碘吸附值 | ● | ● | ● | ● | ○ |
| 硫酸奎寧吸附值 | ○ | ● | ○ | ○ | ○ |
| 苯酚吸附值 | ● | ● | ● | ● | ○ |
| 著火點 | ● | ○ | ● | ● | ○ |
| 苯蒸汽、氯乙烷蒸汽防護時間 | ● | ○ | ○ | ○ | ● |
| 四氯化碳吸附率 | ● | ● | ● | ● | ○ |
| 硫容量 | ● | ○ | ○ | ○ | ○ |
| 灰分 | ● | ● | ● | ● | ● |
| pH值 | ● | ● | ● | ● | ● |
| 漂浮率 | ● | ○ | ○ | ○ | ○ |
| 焦糖脫色率 | ● | ● | ○ | ● | ○ |
| 四氯化碳脫附率 | ● | ○ | ○ | ○ | ○ |
| 孔容和比表面積 | ● | ○ | ○ | ○ | ○ |
| 未炭化物 | ○ | ● | ○ | ○ | ○ |
| 氰化物 | ○ | ● | ○ | ○ | ○ |
| 硫化物 | ○ | ● | ○ | ○ | ○ |
| 氯化物 | ○ | ● | ○ | ○ | ○ |
| 硫酸鹽 | ○ | ● | ○ | ○ | ○ |
| 酸溶物 | ○ | ● | ○ | ○ | ○ |
| 鐵含量 | ○ | ● | ○ | ○ | ○ |
| 鋅含量 | ○ | ● | ○ | ○ | ○ |
| 鈣鎂含量 | ○ | ● | ○ | ○ | ○ |
| 重金屬 | ○ | ● | ○ | ○ | ○ |
| 合? 計 | 18項 | 22項 | 10項 | 12項 | 8項 |
| 注:●表示有該項目,○表示無此項目。 | |||||
答:碘吸附值:反映活性炭的微孔的發達程度;
亞甲基藍吸附值:反映活性炭的中孔的發達程度;
焦糖脫色率:反映活性炭對較大分子有機物的吸附能力;
苯酚吸附值:反映活性炭對烷烴的吸附能力;
四氯化碳吸附率:反映活性炭對揮發性有機物的吸附能力;
硫酸奎寧吸附值:反映活性炭對藥物的吸附能力;
比表面積:反映活性炭綜合孔隙的發達程度
灰分:反映活性炭中雜質的含量;
粒度:反映活性炭顆粒大小和分布狀況;
強度:反映活性炭的耐磨程度;
