活性炭研究简述

活性炭研究简述简介活性炭是由含炭为主的物质作原料，经高温碳化和活化制得的疏水性吸附剂。•原料：木质素、煤炭、角蛋白、碳纤维•制备方法：物理方法、化学方法、马弗炉、微波•特征：表面积、内部孔径、表面化学基团、吸附动力学•应用：脱色、水处理、离子去除/附着、催化剂吸附、储氢原料•木质素：木材、秸秆、树枝、果皮/核取材广泛、工艺成熟、表面积大、应用广泛•煤炭：煤、焦炭、石油焦炭孔隙结构发达、吸附速度快、气体吸附•角蛋白：皮革、毛发表面活性基团丰富、离子吸附•含碳纤维：天然纤维、合成纤维孔隙半径集中、表面结构规则、油田废水、贵金属吸附制备方法•物理活化方法–碳化（无氧，300-500℃）–活化（水蒸汽、CO2，500-900℃）•化学活化方法–碳化（无氧，300-500℃）–活化剂•碱：KOH，NaOH，K2CO3,Na2CO3•酸：H3PO4，H2SO4，（NH4）2HPO4•碱土金属盐：AlCl3,ZnCl2制备方法•化学活化方法–活化（N2，500-900℃）–中和（酸、碱）–洗涤（H2O，PH=6-7）–干燥•高温分解技术–马弗炉（500-900℃，3-10小时）–微波（500-1200W，3-10分钟）制备方法•制备条件对性能的影响–活化温度–活化时间–活化剂比例–最佳活化条件•产率•表面积•孔隙体积/分布•吸附能力活性炭的表征•灰分–活性炭中的无机组分–与原料及活化剂有关•元素分析–C、H、O、N、S、P–活化可显著提高C含量，降低O、H含量•碘值–活性炭在标准碘溶液中的碘吸附量–用于表述活性炭对小分子杂质的吸附能力活性炭的表征•SEM–活性炭表面结构，孔径大小、分布等信息活性炭的表征•比表面积比表面积是衡量活性炭性能的重要指标–m2/g–数百到数千–与活性炭的孔隙体积和孔隙半径相关–采用吸附法（低温N2吸附）测量–Langmuir比表面积和BET比表面积活性炭的表征•比表面积–Langmuir比表面积•吸附表面各吸附点能量相同•吸附分子间无相互作用•单层吸附•吸附达到平衡，吸附速度=脱附速度–BET比表面积模型•吸附表面各吸附点能量相同•吸附分子间无相互作用•多层吸附•各吸附层之间无相互影响，各自遵守单层吸附理论•比表面积–BET比表面积模型式中，P为平衡压强、P0为饱和蒸汽压、v为平衡气体吸附量、vm为饱和吸附量、c为BET常数活性炭的表征cPPcvcPPmmv1)(11)/(v100活性炭的表征•比表面积–BET比表面积模型•在温度恒定的情况下，以1/v[P/P0-1]对P/P0作图应得一直线，该图称为BET图。活性炭的表征•比表面积–BET比表面积模型•据直线的斜率和截距可以求出单层吸附量和BET常数：vm和c。•吸附物质的BET比表面积为•其中:NA为阿伏伽德罗常数、s为被吸附气体的吸附截面积、V为被吸附气体的摩尔体积、a为吸附材料的质量VasNvSAmBET活性炭的表征•孔隙结构及孔径分布–微孔（≤2nm)、中孔（2nm▬▬50nm）和大孔（≥50nm）–微孔占表面积90%以上，与吸附分子大小相当，是吸附的主要发生点–中孔约占表面积5%，是吸附分子进入微孔的通道，多用于气体吸附和染料等大分子的吸附–大孔占表面积2%以下，对吸附贡献不大，多用于催化剂的附着堆积活性炭的表征•孔隙结构及孔径分布–利用密度函数方法（DFT）分析BET等温吸附（脱附）曲线得到活性炭的孔径分布曲线活性炭的表征•表面化学基团–物理吸附与化学吸附–表面活性官能团•含氧官能团-OH、-COOH、C-O-C、-CO•含氮官能团-NH2、-NH–Boehm滴定活性炭的表征•表面化学基团–红外光谱分析活性炭的表征•吸附动力学–吸附过程的3个阶段•吸附分子外部扩散•吸附分子内部扩散•吸附反应–吸附平衡量和吸附速率–吸附速率由速度最慢的步骤决定活性炭的表征•吸附动力学–Lagergren一级吸附速率方程–Lagergren二级吸附速率方程–Webber-Morres方程tkqqete03.2logqlog1tqqkqteet1122CKtq2/1活性炭的表征•吸附动力学–分别对应外部扩散、吸附反应、内部扩散的速率方程–通过实验测定不同时间点下吸附分子的浓度得到吸附曲线–按照不同方程分别计算k1、k2、K值–通过线性拟合得到最符合的方程从而确定吸附的关键步骤活性炭的表征•等温方程–等温条件下活性炭达到吸附平衡的数学描述–几种不同的等温方程•Langmuir•BET•Freundlich•Dubinin-Radushkevich•Redlich-Peterson•Toth活性炭的表征•影响吸附效果的条件–吸附质•分子大小、极性、电荷–温度•放热反应，温度升高吸附量下降•吸热反应，温度升高吸附量上升–PH值•与溶剂和溶质性质有关•活性炭吸附力与溶质在溶液中扩散力比较活性炭吸附的分析•吸附质选择–小分子：I2等–大分子：染料分子如甲基蓝、碱基红等–离子：Ni2+等•等温q-t曲线•等温方程分析•吸附动力学分析总结•目前活性炭研究的主要方向集中在不同原料的选择上，主要是富含木质素的农作物废物，此外由于不同的吸附要求在煤炭（石油）、动物角蛋白、碳纤维方面也有不同发展。•不同的活化条件（温度、时间、活化剂）对活性炭的产率及性能有显著影响。•活性炭表征的主要手段包括组分分析、比表面积测定、孔隙结构分析、表面功能团红外分析、SEM、吸附等温分析、动力学分析等。•一般情况下，比表面积决定活性炭的吸附性能，但根据不同的吸附需要有不同的选择。