活性炭材料

活性炭材料（通用12篇）

活性炭材料 篇1

沸石和活性炭复合材料吸附性较强, 具有较强实用性, 但这两种材料性能有限, 必须研制出新的复合材料, 提高材料吸附性及普遍适用性, 满足大多数工业生产需求, 为工业生产奠定坚实基础。

1 沸石结构及吸附性能

微观角度而言, 分子结构呈现四面体形状, 该分子通过共享顶点形成连接骨架状。从分子结构来看, 其骨架中T原子一般为一般为Si、Al、或P原子, 除这三种原子外还有其他一些较为特殊的原子, 这种四面体结构又被称为初级结构。

沸石分子水分子及二氧化碳分子有较好吸附作用, 对其他分子而言, 在吸附性表现上根据分子的形状、不饱和度、直径等性能有所不同。沸石分子吸附性主要有以下几点:

(1) 沸石分子具有较大表面积及孔道体积, 分子结构呈现蜂窝状, 孔道体积占据总晶体体积的一半以上, 晶孔直径一般在0.6~1.5nm之间。

(2) 沸石分子孔径较为单一, 分布均匀, 而被吸附物质只有体积小于孔径的状况下才能被吸附, 大多数物质被阻挡于孔道外, 此时沸石分子表现为选择性吸附。

(3) 分子筛选表面结构以及骨架上分布一些带有负电荷离子可与被吸附物质发生一些特殊作用。

2 活性炭基本结构及吸附性能

从宏观上看活性炭是一种呈现黑色粉末状或颗粒状, 其化学式为C。活性炭主要成分为C、O、H等几种元素。活性炭结构碳晶呈现不规则形状排列, 活化后其结构出现碳组织缺陷, 导致堆积密度低。活性炭具有良好的稳定性, 且易再生。此外活性炭具备良好的物理稳定性, 可保持长时间性能不变, 因此被广泛应用于各个领域。

活性炭结构较为稳定, 主要有两种类型, 一种是无序结构, 由不规则六边形互相扭曲组成;第二种结构与石墨较为类似, 其主要结构为莉娇行单元环平行排列, 与石墨有所差异的是该结构是二维有序状。

活性炭主要成分为碳, 是典型的非极性物质。一般非极性物质都具有良好吸附性能, 但对于极性较大的分子呈现相斥性, 例如水分子极性较大, 因此活性炭呈现憎水性。活性炭吸附原理主要有以下几种:

(1) 物理吸附。造成物理吸附的主要原因是分子间的范德华力, 该种吸附方式易实现脱附, 一般将其用于变压吸附中。

(2) 化学吸附。化学吸附主要作用了是化学键力, 因此一旦吸附后便难以实现脱附。

影响活性炭吸附性因素有多种, 例如温度、比表面、孔径、吸附表面结构等。

3 沸石-活性炭复合材料吸附性能研究

当前工业生产中使用较多的吸附剂主要有活性炭、沸石、活性Al2O3等。但在一些处理工艺较为复杂的工序中使用单一吸附剂难以实现净化效果, 例如在工厂废水处理中需要去除其中重金属离子以及需要经过几个步骤, 首先需要使用活性炭去除其中的有机物, 之后再利用沸石分子分列其中的重金属离子。而通过复合材料可将废水中这些物质一次性去除, 降低工艺复杂性。随着科学技术不断发展, 国家对环境保护日益重视, 强调节能减排, 绿色经济, 因此需加强沸石-活性炭复合材料的吸附性能研究。

3.1 研究实验

为研究沸石-活性炭复合材料吸附性能, 本文通过实验对该符合材料进行研究。

3.1.1 实验仪器及数据

实验材料主要包括煤矸石、K2CO3、Na OH、苯酚、Ca Cl2、Cr2 (SO4) 3、蒸馏水、CO2等, 实验仪器主要有电炉、程序温控仪、反应釜、X射线粉末衍射仪、物理吸附仪、静态重量吸附仪、磁力搅拌器、光度计等。

3.1.2 实验方法

煤矸石主要成分是C、Al2O3、Si O2等, 其该晶相成分为高岭石以及石英石。从煤矸石中提炼出特定物质制作沸石。

将煤矸石进行粉碎处理至200目以上, 之后向其中加入K2CO3作为活化剂, 加入一定比例水分将其制作成为柱状型体后将其置于电炉中中产生作用, 在N2环境中使用环境温度800-850℃进行焙烧, 使得材料中含有的碳成分活化成为活性炭。该步骤反映完成后再将其置于一定浓度Na OH溶液中, 使得硅酸盐晶化成为沸石。此时便可制作出4A型及X型沸石-活性炭复合材料, 再将其与溶液Ca Cl2溶液中Ca2+交换Na+可制作出5A型沸石-活性炭复合材料。

对其中复合材料进行试验, 分析其孔结构以及比表面积, 使用物理吸附仪对相关数据进行量测, 数据处理如图1。其中a为沸石, b为复合材料。

对复合材料进行实验, 检验其吸水纸以及对正己烷的吸附容量。通过静态重量吸附法对其进行测试。

进行复合材料了对水中所含重金属以及酚展开脱除实验。配置一定浓度苯酚溶液以及Cr3+溶液, 键入实验材料进行减半静置处理1H后使用分光光度法计算复合材料了对水中所含重金属以及酚展开脱率。

3.2 实验结论

原料中沸石低温情况下对N2的吸附/脱附容量较小, 表面积低, 复合材料的吸附性能是两种组成材料的组合, 其吸附性能极大增加, 在相对压力P/P0<0.1时, 复合材料的吸附性能增加速度明显, 在相对压力P/P0位于0.1-0.8时, 复合材料的吸附性能增加速度趋于平缓, 相对压力P/P0位于0.9处时出现转折, 相对压力P/P0位于0.45-1间出现较大脱附滞后环, 由此可见复合材料具有中微孔复合孔结构特征。将实验中材料对水以及正己烷吸附容量为

沸石吸附H2O容量为1.10%, n-C6H14为3.21%;Z4A-AC为15.6%和15.3%;Z5A-AC则为17.1%和20.9%。

从以上结果可以看出, 沸石-活性炭复合材料对吸附性能良好, 对水以及正己烷吸附效果极佳。A型分子的吸水性能较强, 相较于A型分子, 4A型分子受到孔径较小的影响, 无法吸附正己烷。制备的复合材料对正己烷吸附效果良好, 这正是由于复合材料中含有亲油有机相活性炭物质。

铬和有机苯酚是当前工业废水种常见的污染物之一, 具有一定毒性。沸石-活性炭复合材料的组成成分沸石独特的离子交换性质结合活性炭的有机相性质, 复合材料兼具两种物质的性能, 实验得出沸石-活性炭复合材料可一次去除肺水肿的有机物以及重金属离子, 脱除率较高, 可达到工业使用标准。

综上所述, 沸石-活性炭复合材料在废水处理中应用广泛, 随着工业不断发展, 沸石-活性炭复合材料具有广泛前景。

摘要：沸石与活性炭是两种重要的工业吸附剂, 研究发现将沸石与活性炭两种物质制作成为沸石活性炭符合材料可有效提高其吸附性, 适用于大多数工业流体吸附需求。本文就沸石-活性炭符合材料的吸附性能进行研究, 为工业生产提供参考。

关键词：沸石,活性炭,复合材料,吸附性

参考文献

[1]孙鸿.煤矸石制备沸石-活性炭复合材料的吸附性能研究[J].应用化工.2012 (4) :12-18.

活性炭材料 篇2

什么是活性炭?

活性炭又称活性炭黑。是黑色粉末状或颗粒状的无定形碳。活性炭主成分除了碳以外还有氧、氢等元素。活性炭在结构上由于微晶碳是不规则排列，在交叉连接之间有细孔，在活化时会产生碳组织缺陷，因此它是一种多孔碳，堆积密度低，比表面积大。活性炭无臭、无味、无砂性、不溶于任何溶剂，对各种气体有选择性的吸附能力，对有机色素和含氮碱有高容量吸附能力。每g总表面积可达500～1000m2。相对密度约1.9～2.1，表观相对密度约0.08～0.45。

活性炭的主要成分

活性炭主要成分按化学成分划分：

碳(C)和少量氧(O)、氢(H)、硫(S)、氮(N)、氯(Cl)。

活性炭主要成分按功能划分：

气体净化

例如：用活性炭从含有溶剂蒸气的空气中回收溶剂;用活性炭过滤法使空气脱臭;用于防毒面具和工业用呼吸器中，以防御毒物等。

气体分离

例如：从城市煤气中回收苯;从天然气中回收汽油、丙烷和丁烷;用于处理费托合成中的废气，以回收其中的烃类等。

液相吸附

例如：在制糖工业中用活性炭吸附法使糖液脱色;在化学工业中用活性炭使有机物质脱色;用活性炭净化电镀浴中的有机杂质，以保证电镀表面的质量及用于废水脱酚等。

活性炭的清洁与保养

活性炭的保养

活性炭如果使用了一定时间，其吸附能力会达到一个瓶颈，影响其功能作用，所以要定期将产品拿到阳光下暴晒，保持活性炭干燥，重复使用，达到延长产品使用寿命的效果。

活性炭的清洁

中国活性炭产业：“高调”谋未来 篇3

在近期召开的全国活性炭学术研讨会上，与会的专家指出：未来10～20年，我国的活性炭需求将进一步加大，中国活性炭产业将向着低消耗、低污染和高品质、高科技的方向发展。

与国际先进水平尚有差距

然而，与发达国家相比，我国的活性炭工业仍然存在很大差距，主要表现在：企业规模小、生产装备落后、劳动生产率低、市场竞争力不强。国内90％的木质活性炭厂是年产几百吨到上千吨的小企业，年生产能力真正达到万吨规模的几乎没有。大多数为乡镇企业，分布在林区，规模较小，生产装备既不先进而且较难更新，主要设备大同小异，劳动生产率一般在几十吨／人年或更低。而国外，像美国、日本的活性炭生产要集中于万吨以上的大企业，这些大企业不但产量大，生产装备先进，而且大都实现了生产流水线的全盘自动化和计算机管理控制，故劳动生产率很高，达到几百吨/人年。

我国是少林国家，生产活性炭只能采用林业加工剩余物为原料，个体企业主为获取更大利润，只顾眼前利益，置森林保护和生态环境不顾，成片砍伐林木烧炭，造成森林破坏、水土流失。近几年，有些生产厂家虽然在治理环境污染上做了努力，但终因经费、技术、设备等原因尚未得到根本治理。

活性炭下游产业发展迅速

我国活性炭的下游产业主要是环保产业。在环保产业当中，活性炭用量最大的是城市水源净化工程和污水处理工程，约占环保产业活性炭总用量的70％以上；其次是空气净化，活性炭用量也在逐年上升。然而，活性炭生产过程却存在着一定程度的环境污染。在国家环保政策越来越严的情况下，解决好活性炭生产企业的环保问题，是活性炭行业可持续发展的重大课题。

有关资料显示，活性炭化学法生产中的污染治理和降低消耗就其技术而言是可以做到的。如日本氯化锌法生产活性炭锌耗几乎为零，所采用设备为回转炉；美国磷酸法生产活性炭酸耗为0.2吨／吨以下，所用炉型亦为回转炉。浙江、江苏等地有些活性炭企业近几年采用新的转炉和气相回收装置后，酸耗和气相污染有很大降低和改善。由此可见，尽可能采用适合的活性炭再生方法，以使活性炭循环再利用，进一步节约资源，降低使用成本，将成为今后大多数活性炭生产企业谋求利益最大化的有效途径。

随国家相关法律、法规的更加规范化，活性炭行业的高污染势必成为被整治的重点领域。可是当前许多业内人士对此注意不够，相关企业的环保配套设施不全，未来因环保问题被淘汰是不可避免的。而谁注重了环保及相关设施的配套，对社会环境所产生的负面影响小，谁就会持续发展，同时占领国家强化环境治理的新领域，对企业而言其经济效益、社会效益是不言而喻的。

向低消耗低污染方向发展

就21世纪活性炭产业发展趋势，中国林业科学研究院林产化工研究所的专家认为：活性炭作为新材料和碳素材料的一个重要分支，其综合的优良吸附性能和在国民经济部门的广泛应用，必将在新世纪里继续显示其旺盛的生命力，同时也将面临更多的发展机遇和挑战。

从环境保护的发展趋势来看，从20世纪70年代开始，世界发达国家的环保行业逐渐成为活性炭的主要消费市场。我国近10多年来环保形势日趋严峻，但水处理、气体处理用活性炭还远远没有普及。随着2008年北京奥运会、2010年上海世博会的申办成功和我国在10～20年里要全面跨入小康社会，可以预计，仅环境保护这一领域，活性炭的用量将会成倍增长，届时环保用炭不会少于10～12万吨／年。

中国兵工学会活性炭专业委员会有关负责人黄健曾指出，对活性炭行业来说，本世纪头20年是大有作为的重要战略机遇期。根据活性炭行业发展现状和内外部环境的变化，引导科研生产和贸易转型升级，必须通过科技创新和结构优化两方面推进工作，使活性炭产业走经济、环境、社会“三赢”的可持续发展之路。同时要处理好活性炭贸易转型升级与产业结构调整的关系，正确处理发展活性炭技术产业和传统产业的关系，加快向内蒙古、新疆、甘肃地区和符合国家产业政策的领域扩展，争取再形成若干优势互补、内外结合、增值率高、创新能力强的活性炭经济增长带和产业群。在保持活性炭贸易持续发展的前提下，走出一条科技含量高、环境污染少、比较优势大、人力资源得到充分发挥的新型工业化路子。

此次全国活性炭学术研讨会上，就有专家建议：发挥活性炭行业协会的作用，加强行业的协调和管理，加强企业间合作并逐步向企业集团过渡，建立和培育中国的大型活性炭企业集团，增强国际竞争力。注意现有活性炭原料资源的有效利用，积极寻找替代原料和开发新资源。可供制取活性炭的资源很多，如南方的竹、木，北方的果壳、果核、木材加工“三剩物”、棉花秆、稻壳、优质煤、天然沥青、炭黑、石油焦、石油沥青等。石化行业大量废弃的石油焦也是一种很好的活性炭原料，通过简单的过热水蒸气加工即可生产出优质净水炭。密切科技与生产实际相结合，大力提倡科技创新，组织力量攻克化学法生产中的污染问题和降低消耗。

无粉尘技术受到持续关注

活性炭无粉尘技术的开发及应用问题一直是业内人士特别关注的，因为在众多的吸附剂中，活性炭以其独有的吸附特性和相对低廉的价格，使得它在液相吸附以及气相吸附领域扮演着举足轻重的角色。随着中国加入WTO，中国原产的活性炭更以其卓越的性能价格比被 世界各国大量采购和使用。但是，无论是以煤为原料，还是以果壳或是木材为原料所生产的不定型颗粒活性炭、圆柱形活性炭还是球形活性炭都无法彻底地清除掉其表面上附着的粉尘，特别是无法在基本保持活性炭原有的吸附特性的前提下清除活性炭表面上附着的粉尘。长期以来，市场一直在呼唤的活性炭无粉尘化技术至今未能研制成功。人们曾经尝试用水洗、风吹等方法以清除活性炭的表面浮灰。虽然有一定的效果，但由于活性炭颗粒之间的摩擦以及气流对活性炭表面的摩擦，又造成了新的微粉的形成，因此，上述方法无法从根本上解决问题。人们也曾尝试着用高分子物质将活性炭包裹住，但是受到了活性炭原有的物理吸附能力及特定的化学吸附能力的干扰。因而，业内人士对这一技术研发投入和关注度与日俱增。

活性炭材料 篇4

目前常用的相变储能材料主要包括无机物和有机物两大类。石蜡[3,4,5,6]作为有机储热材料,化学稳定性良好、相变潜热大、熔点范围宽、无过冷现象和相分离现象、来源广泛、价格低廉、无腐蚀等优点,在相变材料方面得到了广泛应用。但是石蜡具有导热系数小的缺点,制约了其在储热技术中的应用,所以目前对石蜡类相变材料的研究主要在提高石蜡的导热系数方面。活性炭导电导热性好、自润滑性好、耐高温、耐氧化,同时具有极大的比表面积和很高的表面活性。本文针对这一情况,应用物理吸附原理,以石蜡为相变材料、活性炭为吸附材料,通过共混法制备出了一种导热系数高的固-固相变储能材料,以期适应不同的应用场合。

1 实验部分

1.1 材料

石蜡(工业级),活性炭(化学纯),天津市天达净化材料精细化工厂。

1.2 仪器

SRZ-400C微处理控制熔体流动速率测定仪(下文简称熔融指数仪),长春市智能仪器设备有限公司;CDR-4P差示扫描量热仪,上海精密科学仪器有限公司;ZRY-2P型高温综合热分析仪,上海精密科学仪器有限公司;电热鼓风干燥箱,上海实验仪器厂有限公司;TPS2500热传导分析仪, The Hot Disk AB company(Sweden)。

1.3 石蜡/活性炭相变材料的制备

将石蜡和活性炭分别按照表1的配比进行配料。将熔融指数仪开启并将温度调至60 ℃,然后将每组配料分批次加入熔融指数仪挤出样条,再将样条破碎并加入熔融指数仪挤出,重复操作五次即可制成石蜡/活性炭相变材料,储存备用。

表1中活性炭百分含量的计算公式为:

活性炭百分含量$=\frac{m{}_{\text{活}\text{性}\text{炭}}}{m{}_{\text{活}\text{性}\text{炭}}+m{}_{\text{石}\text{蜡}}}\times 100\%$

1.4 表征

采用上海精密仪器有限公司制造的CDR-4P型差动热分析仪测定相变材料的相变温度和相变焓,氮气流速为40 mL/min,升温范围为室温至100 ℃,升温速率为10 ℃/min,试样量为3～10 mg。

采用瑞典Hot Disk AB公司生产的TPS2500热传导分析仪测定相变材料的导热系数,输入功率为0.01 W,样品为40 mm×40 mm×4 mm的块状固体。

采用上海科学仪器有限公司天平仪器厂制造的ZRY-2P型高温综合热分析仪对石蜡/活性炭相变材料进行热稳定性分析,氮气流速为40 mL/min, 升温范围为室温至600 ℃,升温速率为10 ℃/min,试样量为8～15 mg。

2 结果与讨论

2.1 石蜡/活性炭相变材料的相变行为

表2为具有不同活性炭含量相变材料的宏观相变性能,从表中可看出,活性炭的百分含量不能小于15%,当小于15%时宏观上将会发生固-液相变,宏观相变性能最好的为活性炭含量为15%时制得的样品。

石蜡作为相变功能基团进行储存和释放能量,其结构简单,容易结晶且具有较大的相变焓;活性炭用作骨架材料支撑整个材料的结构,其性能稳定,在石蜡的相变过程中能保证良好的机械强度。虽然石蜡仍发生固-液相变,但整个共混物在相变过程中从宏观上看仍表现为固-固相变。本实验制备的相变材料在相变温度以下为黑色、坚硬而较脆的固体,在相变温度以上无任何液态物质出现,且质量及形状保持不变,证明该材料为固-固相变材料。

2.2 相变材料的储热性能分析

图1是不同石蜡/活性炭质量比的DSC曲线。从表3和图1可以看出,随着相变材料中活性炭含量的增加相变焓逐渐降低。其原因可能为:随着活性炭含量的增加,其吸附作用增强,影响石蜡晶体排列的规整性,导致PEG结晶度降低,从而使相变焓降低;随着活性炭含量的增加,单位质量相变材料中石蜡(相变主材料)将减少,导致相变焓降低。从表3还可以看出,随着相变材料中活性炭的加入相变温度降低,其原因可能为,活性炭的加入增强了材料的导热系数,从而使外界提供的热量更容易传递到相变材料内部,使得熔融峰更早出现,相变温度降低。

从以上的分析可以看出,石蜡/活性炭相变材料相变特性对其组分是敏感的,改变相变材料中活性炭的含量,可获得不同相变焓的相变材料。

2.3 石蜡/活性炭相变材料的导热性能分析

图2为具有不同活性炭含量相变材料的导热系数,从表4和图2可以看出,随着活性炭的加入,相变材料的导热系数明显提高。活性炭含量达到5%时,与纯石蜡相变,相变材料的导热系数提高了4.54%;而当活性炭含量达到15%时,相变材料的导热系数则提高了19.58%。

从以上的分析可以看出,石蜡/活性炭相变材料的导热性能对其组分是敏感的,活性炭的加入,能有效地改善石蜡/活性炭相变材料的导热性能。

2.4 热失重测试结果

图3为石蜡/活性炭相变材料和纯石蜡的热失重曲线。从图3中可看出,纯石蜡在252 ℃开始失重,而主要失重峰是在280 ℃左右,在310 ℃时,失重率达到最大值。实验所得的相变材料开始失重的温度263 ℃左右,较纯石蜡开始失重温度高,在334 ℃时,失重率达到最大值。其原因是活性炭颗粒表面疏松多孔,通过范德华力的作用吸附其表面的分子、原子等小分子;同时活性炭表面存在各种功能基团,当石蜡在高温下分解为CO2时,活性炭表面的碱性基团对其化学吸附作用,使其逃逸出的速度大大下降,推迟了其失重的时间,只有当温度升到更高时,CO2分子才能克服这种作用力,逃逸出活性炭的孔隙。由此可见,实验所得相变材料是比纯石蜡热稳定性更好的网状复合相变材料。

3 结 论

(1)以石蜡和活性炭为主要原料,采用共混法制备了石蜡/活性炭固-固相变材料,且该相变材料混合均匀,结合牢固。

(2)相变材料中活性炭百分含量最小为15%,否则复合物宏观上表现为固-液相变。

(3)加入活性炭可提高相变材料的导热系数和热稳定性。

摘要：以活性炭(AC)为吸附增强材料,石蜡为相变材料,采用物理共混法制备了一种固-固相变材料。利用差示扫描量热仪、导热系数测定仪、高温综合热分析仪对所得相变材料进行了表征。结果表明,当活性炭质量百分含量不低于15%时,所得复合物宏观上表现为固-固相变;加入活性炭颗粒,可提高材料的导热系数和热稳定性。

关键词：共混,石蜡,活性炭,相变材料

参考文献

[1]吕社辉,郭元强,陈鸣才,等.复合高分子相变材料研究进展[J].高分子材料科学与工程,2004(3):37-40.

[2]陈爱英,汪学英,曹学增.相变储能材料的研究进展与应用[J].材料导报,2003(5):42-44.

[3]赵建国,郭全贵,高晓晴,等.石蜡/膨胀石墨相变储能复合材料的研制[J].新型炭材料,2009,24(2):114-118.

[4]陈枭,张仁元,毛凌波.石蜡类相变材料的研究及应用进展[J].材料研究与应用,2008(2):89-92.

[5]丁永红,俞强,承民联,等.交联聚乙烯/石蜡复合相变储能材料的研究[J].中国塑料,2008,22(1):20-24.

空气净化活性炭 篇5

提及活性炭，绝大多数人脑海中里都是闪过它黑乎乎的样子。活性炭的类型多种多样，按生产制造原材料可分成木制活性炭、原煤活性炭、果核类活性炭、石油焦活性炭等；按外型样子可分成粉末状活性炭、颗粒物活性炭和别的样子活性炭，如活性炭化学纤维、活性炭布、蜂巢状活性炭等。

尽管看见不值一提，但活性炭的功效可不可小觑。它是一种多孔结构化学物质，具备非常大的比表面积和极强的吸附性和催化反应特性，且安全系数高，另外也有耐腐蚀、耐高温、不溶解水和溶剂，易再生等优势，是一种绿色环保型吸附剂。因而，活性炭常被运用于化工厂、环境保护、食品工业、冶金工业等各行各业。

与众不同的吸附表面构造特点和表面有机化学特性使活性炭在废水处理层面显示信息出令人震惊的能力。在清洁废水源时，活性炭还可以吸附水里有机物、色调、异味、油、甲酸等；在解决有机化学化工废水时，活性炭凭着对水的有机物具备突显的吸附能力，能够对一些无法被降解的有机物更具备与众不同的除去实际效果，因此被用以制革厂污水、造纸工业染料废水、造纸废水处理以及他有机化学污水的解决中；在解决无机化工废水时，一些活性炭针对污水中无机重金属离子具备一定的挑选吸附能力；在生活用水及微环境污染水处理行业，活性炭也充分发挥着关键功效，能够高效率除去水里溶解度有机物和致癌物质突然变化物。

在环境污染预防行业，活性炭也是有一席之地。现阶段，在我国的煤碳点燃全过程中排污出的二氧化硫和氮氧化合物是关键的`空气污染物。改性材料后活性炭原材料的烟气脱硫、烟气脱硝解决效果非常的好，另外项目投资运作花费低，且便于再造运用。

由于活性炭能够吸附室内甲醛，因此被视作新房新汽车必需。可是大伙儿千万别过多封建迷信活性炭对室内甲醛的吸附功效。

缘故：

一是由于当今销售市场上的活性炭产品品质参差不齐；

二是由于活性炭归属于处于被动清洁原材料，室内空气质量流通性较为差，短期内无法捕获间距很远的空气中的有害物；

三是由于活性炭非常容易吸附饱和状态，若是长期不解决，一样会导致吸附饱和状态的活性炭将室内甲醛再次释放出来到空气中。

活性炭还原氧化铜实验条件探究 篇6

关键词：活性炭；还原；氧化铜；实验条件优化；化学实验探究

文章编号：1005–6629（2015）7–0056–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题提出

1.1 问题背景

炭粉还原氧化铜是义务教育阶段九年级上册《化学》[1]课本中的一个重要的演示实验。该实验的目的是向学生说明：单质的碳也像氢气一样，具有还原性，在较高的温度下它能夺取某些氧化物里的氧，使其发生还原反应[2]。该实验成功的指标表现在四个方面：（1）实验开始1～2分钟出现明显现象；（2）大量二氧化碳喷涌而出，澄清石灰水变浑浊；（3）反应进行中反应物呈现红热熔岩状态；（4）反应产物中有金属光泽的铜粒生成。可是该实验演示成功率一直很低，很少出现以上实验指标。

1.2 影响因素

查阅相关资料发现，炭粉还原氧化铜实验对反应物的质量比、反应物的状态有较高的要求，通常反应过程中还伴有砖红色粉末氧化亚铜的生成[3～5]。本探究实验对炭粉和氧化铜的质量比例和反应物的状态进行了研究，对实验产物作观察、鉴定，探究出了活性炭还原氧化铜的最佳条件。

2 实验过程

2.1 实验材料

药品：木炭粉（CP）、氧化铜粉（CP）、澄清石灰水、稀硫酸

仪器：托盘天平、铁架台、铁圈、铁夹、试管（18mm×180mm）、橡胶塞、导气管、烧杯、研钵、蒸发皿、玻璃棒

2.2 实验原理和装置

2.2.1 实验原理

2.3 实验步骤

（1）按图1所示装置图从下到上搭好装置。

（2）按上述实验设计方案中质量配比称取活性木炭粉和氧化铜粉末。分别放入研钵中反复研磨5分钟。

（3）分别将活性木炭粉和氧化铜在蒸发皿中烘炒（图2），活性木炭粉烘炒至呈红晕熔岩状，停止加热。烘炒氧化铜粉末5分钟，停止加热，待自然冷却后充分混合。

（4）检验实验装置气密性。把充分冷却的反应混合物粉末用纸槽送至试管底端，塞紧橡皮塞，导气管伸入盛有澄清石灰水的试管中。

（5）用酒精灯预热试管，然后集中加热试管底部活性炭和氧化铜粉末，观察记录试管中反应物和澄清石灰水的变化情况。

（6）待试管中反应物呈红热熔岩状态或澄清石灰水中气泡排出速率小于1个/5秒，结束反应，先拆除导气管，再停止加热。

（7）反应物充分冷却后，把混合物倒出，观察记录生成物颜色状态。

2.4 对照实验及现象

2.4.1 不同质量比活性炭和氧化铜

根据炭粉还原氧化铜的方程式，计算出活性炭和氧化铜质量之比为1：13.3。按照该比例恰好完全反应生成铜和二氧化碳，如果氧化铜过量，则易生成氧化亚铜。但是在烘炒过程中炭粉有损耗，且反应中试管里的氧气会消耗一部分活性炭粉。所以实际操作中炭粉比例应当增加。本实验按不同的质量比来进行试验，探究出在酒精灯加热下的最佳的质量比。实验按照炭粉与氧化铜质量比为1：6、1：7、1：8、1：9、1：10、1：11、1：12、1：13设计八组对照试验。得出活性炭粉和氧化铜实验用料的最佳质量比。实验结果如表1。

2.4.2 活性炭和氧化铜的研磨程度

研磨可以增大反应物的比表面积，实验设计在质量比为1：8的条件下，分别做对氧化铜和炭粉混合研磨时间的三组对照试验。研磨时间分别为0分钟、5分钟、10分钟。实验结果如表2。

2.4.3 活性炭和氧化铜的性状

活性炭粉和氧化铜粉由于长期放置会引起部分变质，称量和研磨反应物时还会吸收空气中的水分和杂质，导致反应物不纯，烘炒可以除去水分等杂质，提高反应物活性。本实验将烘干氧化铜5分钟、烘干活性炭至呈红晕熔岩状为自变量，设计两组对照试验。实验结果如表3。

3 实验结果

3.1 不同质量比活性炭和氧化铜的实验结果

在质量比为1：6～1：13的八组对照实验中，我们发现当反应物中活性炭过量时，反应产物中有黑色固体存在，此黑色固体为活性炭粉；当反应物中氧化铜过量时，产物中会出现砖红色粉末，此为副反应产生的氧化亚铜[6]。当反应物质量比为1：7～1：8时，反应产生了多量的金属光泽的球状固体，得到了我们需要的金属单质铜。

3.2 不同研磨程度活性炭和氧化铜的实验结果

当选择不同研磨程度的反应物时，反应产物出现了明显区别。当不研磨的时候，反应产物是砖红色固体和黑色粉末，说明反应产物中有过量炭粉和氧化亚铜。随着研磨时间的增加，反应产物中金属光泽红色固体产率明显增加，表明研磨后的反应物有更好的活性，有利于产物铜的生成。

3.3 不同性状活性炭和氧化铜的反应结果

实验发现，通过烘炒5分钟的反应物可以反应产生红色金属光泽的小颗粒，也就是我们需要的产物金属铜，而没有烘炒的反应物在实验中无明显现象。

4 实验结论

通过以上三组对照试验，可以得出以下结论：活性炭还原氧化铜在酒精灯加热的条件下反应生成铜和二氧化碳，反应过程中有氧化亚铜的生成。活性炭和氧化铜的充分研磨可以增大反应物的比表面积，使反应物充分接触，促进反应的进行。反应前活性炭和氧化铜的烘炒可以除去反应物中的水等杂质，增强活性炭的活性，以促进反应的进行。

综上，在活性炭粉还原氧化铜的实验中，最佳条件是用质量比为1：7～1：8的充分研磨的活性炭粉和氧化铜粉末；烘炒氧化铜粉末至干燥，烘炒活性炭粉至红晕状。

参考文献：

[1]课程教材研究所，化学课程教材研究中心编著.义务教育阶段课程标准实验教科书·化学（九年级）（上册）[M].北京：人民教育出版社：2011.

[2]范丽琼.“木炭还原氧化铜”实验的探究[J].中学化学教学参考，2004，（4）：50.

[3]周柏洲，李广萍.木炭还原氧化铜最佳方案探讨[J].化学教学，1995，3（7）：6.

[4]陈克原，金东.也谈成功率高的木炭还原氧化铜[J].化学教学，1999，2（3）：10.

[5]董耀华.碳还原氧化铜的实验探讨与改进[J].教学仪器与实验，2000，4（11）：7.

活性炭材料 篇7

关键词：相变材料,改性沥青,熔点

利用相变材料从固态向液态转变时,要从环境中吸热的特点,可以制备出一种外形上可保持固体形状、具有不流动性的复合相变潜热储能材料。聚乙二醇(PEG)和活性炭物理共混得到的高分子固-固相变材料具有很好的性能:良好的热传导系数,单位质量的相变潜热大,体积膨胀率小;相变过程可靠性好,不会产生降解和变化,具有良好的使用稳定性;相变温度在50～60 ℃;与固体有机物的相容性好等优良性能[1,2]。

沥青作为路面材料的主要缺点是对温度敏感性强,高温变软发粘,低温变脆易裂, 且在高温和紫外线照射下会产生老化现象。对其改性的主要目的是改善沥青混合料在高温下的路用性能,提高其抗车辙、抗疲劳、抗老化及抗低温开裂等性能。[3]人们也正在尝试着有不同的改性剂去改善这些缺点,研究发现改性后的沥青各种性能都有不同程度的提高。在众多的改性剂中,主要利用的是改性剂本身的粘弹性,用相变材料改性沥青的报道很少。

利用PFG在50～60 ℃时相变吸热的原理,把PEG/活性炭相变材料加入沥青,使沥青在受热时温度不会急剧升高,从而提高沥青的软化点,制备出新型改性沥青,探索沥青改性的另一条途径。

1 实验部分

1.1 实验原料

聚乙二醇(PEG,CR,分子量4000),国药集团;活性炭(CR),天津市天达净化材料精细化工厂;废旧沥青(市售)。

1.2 实验仪器

电动搅拌器(JJ-1),常州国华电器有限公司;电子调温电热套(MH500),石家庄现代仪器仪表化工有限公司;热机械分析仪(RJY-1P),上海精科天美仪器有限公司。

1.3 温度自调节沥青的制备

将废旧沥青中的杂质清理干净,称重,加热,熔融后加入PEG/活性炭相变材料(其中活性炭含量为3%),搅拌均匀,直至沥青无气泡,冷却后取样测试。

2 性能表征

采用TMA(热机械分析)对制备出的改性沥青进行熔点的测定。测试条件为:升温速率10 ℃/min,温度范围30～100 ℃,试样厚度8～10 mm,负荷10 g。测试结果见图1～图7。

从图1～图7可以看出,随着PEG/活性炭相变材料的加入,改性沥青的软化温度开始增大,相变材料的含量加入为20%时改性沥青的软化点温度最高为88.6 ℃,比未加相变材料的废旧沥青提高了27.5 ℃,出现上述现象的原因是相变材料中活性炭表面疏松多孔,使PEG很好的吸附其表面上;同时PEG的相变温度为60 ℃左右,当沥青的温度升高时,PEG能够吸收大量的热量而使得沥青的温度不再升高;活性炭不但有吸附作用,其高热导性能将热量迅速传递,防止沥青温度过高而软化。

3 结 论

(1)PEG/活性炭的加入能够明显提高沥青的软化点,受热易软化的缺点;

(2)PEG/活性炭的加入量为20%时,其软化点最高,为88.6 ℃,比未加相变材料的沥青提高了27.5 ℃。

参考文献

[1]陈立贵,王忠,付蕾,等.PEG/活性炭颗粒相变材料的制备及其性能[J].工程塑料应用,2011,2:31-33.

[2]胡曙光,李潜,黄绍龙,等.相变材料聚乙二醇应用于沥青混合料可行性的研究[J].公路,2009,7:291-295.

活性炭材料 篇8

在吸附制冷的应用中, 活性炭材料是最普遍使用的固体吸附材料。很多研究机构和学者都作了大量的研究工作。然而, 到目前为止, 还未看到有关吸附制冷专用活性炭的研究报道。其实, 活性炭由于制造工艺的不同, 性质上存在着千差万别。只有具有合适的孔径分布和表面基团的活性炭材料, 才有可能最大程度的提高吸附制冷的效率。

活性炭对物质分子的吸附包括:物理吸附和化学吸附。影响炭质材料吸附性能的因素包括:比表面积、孔径分布以及表面基团。比表面积代表着活性炭材料孔隙发达的程度, 孔径分布是对活性炭孔隙范围的表征。只有合适的孔径分布才能极大的吸附某种物质的分子, 合适的孔径分布越集中, 对分子的吸附量就越大。而活性炭表面上的基团对于分子的吸附选择性影响很大。一般我们把活性炭简单的分为疏水性和亲水性活性炭。亲水性的活性炭含有比较多的极性基团, 从而更适合对极性物质的吸附[3,4,5]。

在吸附制冷的应用中, 与活性炭配对的最常用的制冷剂是甲醇。活性炭对甲醇的吸附能力直接关系到吸附制冷的效率。由于甲醇是极性有机物, 普通的活性炭材料对甲醇的吸附能力并不太理想。目前吸附制冷研究上大都使用的是物理法的椰壳活性炭。由于是高温条件下制造, 这种活性炭表面亲水基团失去很多, 属于疏水性活性炭, 它不太适合对极性物质的吸附, 而且在加工成块状材料时, 需要加入粘结剂, 降低了本来就不高的吸附能力。

化学法尤其是磷酸法制造的活性炭, 由于活化温度低, 制造过程更多的保留了极性基团。工艺过程的空气氧化, 不仅产生更多的亲水基团, 而且使活性炭的孔隙更加发达。磷酸法颗粒活性炭的制造技术, 采用了使物料个组分均匀化的加工技术, 从而达到活性炭孔径分布更加集中, 因而能够使活性炭对单一有机分子的吸附达到最大值。本研究制造出的颗粒活性炭对甲醇吸附率都在90%以上, 最好的达到了1.4 g/g的水平。Rogerio G.Oliveira博士在“甲醇负载氯化锂的活性炭上的吸附特征”一文中, 对该种活性炭做了充分的研究和肯定[6]。

1 试验材料及方法

1.1 材料

使用的材料为杉木屑, 粒度10～40目。活化剂为85%磷酸 (分析纯) 。

1.2 实验装置及程序

涉及到的活性炭的孔径分布和比表面积, 系用ST-2000比表面孔径测定仪测定。甲醇饱和吸附量的测定采用真空干燥器法, 吸附状态:活性炭粒度50～100目, 静态吸附环境温度25℃, 吸附时间24小时。

活性炭材料的制造工序:将木屑与活化剂磷酸在一定条件下均匀混合半小时, 然后进行塑化处理、机械均匀密实化处理、成型、 (氧化) 硬化、活化以及后处理等。

2 结果和讨论

从表1可以看出, 对于甲醇吸附用活性炭, 以木屑为原料, 磷酸为活化剂, 制造活性炭的最佳活化温度为500℃。经反复试验, 500℃以后的活化及产品性能的测试也证实了这一点。

备注:所使用的酸屑比为1.6︰1

从表2可以看出, 酸屑比为1.6︰1时, 无论是饱和吸附量和比表面积都是处于最佳值。在很多传统磷酸法制造木质颗粒活性炭过程中均采用这一酸屑比[7]。

备注:使用的酸浓度42 Be′活化温度500℃。

空气氧化有助于活性炭表面含氧基团的形成, 大大增加了活性炭的亲水性, 因此活性炭对极性物质甲醇的吸附能力也大大提高。从表3中可以看出, 170℃的氧化效果明显高于120℃, 主要是由于170℃条件下, 正是木材组分在酸的作用下分解, 分解的组分处于最活泼的状态, 植物纤维原料酸水解制造糠醛正是在这一温度条件下。另外增加材料与空气接触氧化的表面积, 能有效提高含氧基团的数量, 并促进了活性炭孔隙的形成, 增加了活性炭的比表面积和表面极性, 从而也使得对甲醇的吸附量提高。

备注:所使用的酸浓度42Be′活化温度500℃。

3 结论

通过适当的工艺条件, 采用磷酸法可以制造出对甲醇具有吸附性能很强的颗粒活性炭。这种工艺条件下制造的活性炭不仅对甲醇具有很高的吸附性能, 同时它与氯化锂复合产物在甲醇为制冷剂的吸附制冷过程中也表现了极佳的性能。

参考文献

[1]李香荣, 吴静怡, 卢允庄, 等.固化块状活性炭-甲醇的吸附性能实验分析[J].工程热物理学报, 2003, 24 (3) :382-384.

[2]E.E.Anyanwu, Review of solid adsorption solar refrigerator I:an over view of the refrigeration cycle[J], Energy Conversion and Management, 44 (2003) 301 312.

[3]H.Benaddi, Surface functionality and porosity of activated carbons obtained from chemical activation of wood[J], Carbon 38 (2000) 669-674.

[4]Marit Jagtoyen, Activated carbons from yellow poplar and white oak by H3PO4 activation[J], Carbon Vol.36, No.7-8, pp.1085-1097.

[5]M.S.SOLUM, Evolution of carbon structure in chemically activated wood[J], Carbon Vol.33, No.9, pp.1247-1254.

[6]Dr.Rogerio G.Oliveira, Adsorption characteristic of methanol in activated carbon impregnated with lithium chloride[J], Chemical Engineerning&Technology, Vol 33 Issue 10 (2010) .

活性炭材料 篇9

石蜡作为有机相变材料,具有化学稳定性好、相变潜热大、熔点范围宽、无过冷现象和相分离缺陷、蒸气压低、适宜的相变温度、价格低廉、无腐蚀性和无毒性等优点[7,8],但是石蜡存在导热系数小、相变过程易泄露的缺点,限制了其在储热技术中的应用[9]。利用适当的无机材料作为基体,对有机PCMs进行封装,设计制备有机/无机复合定形相变材料,是解决单一有机相变材料导热系数低、直接应用时易泄露等问题的有效途径[3,10]。近年来,纳米复合技术在解决有机PCMs存在的缺陷问题上表现出巨大的潜力。利用无机纳米粒子之间孔隙的毛细吸附作用,将有机相变物质封装在其内部,形成的复合定形相变材料具有大的导热面积、能阻止有机PCMs与外界环境反应、控制有机PCMs相变过程的体积变化等优异特性[11,12,13]。

本研究采用微乳液原位界面水解-聚合法,以石蜡作为有机相变材料、二氧化钛(TiO2)作为基体材料,原位形成TiO2纳米粒子的聚集体具有多孔结构,能够对石蜡进行封装,并结合活性炭优异的导电导热性、多孔性及大的比表面积[14],制备出新型石蜡/TiO2/活性炭复合定形相变材料。该定形相变材料不仅具有优异的热导性、储热能力、热稳定性,还表现出超疏水特性,这些多功能特性将使其作为一种多功能涂料,在节能建筑中具有重要的应用价值。

1 实验

1.1 实验原料

钛酸丁酯,石蜡,无水乙醇,正戊醇,十六烷基氯化铵,均为分析纯,购于上海国药化学试剂有限公司;去离子水(实验室自制)。

1.2 石蜡/TiO2复合相变材料的制备

石蜡/TiO2复合相变材料的合成过程:将4g石蜡,1.5g十六烷基氯化铵,10mL正戊醇和100mL无水乙醇混合加入到250mL三颈烧瓶中超声分散20min,在65℃水浴条件下搅拌1h后,缓慢滴加10mL钛酸丁酯,继续搅拌2h,然后滴加10mL去离子水,再持续搅拌5h反应结束。混合溶液以6000r/min的转速进行离心分离,将离心得到的沉淀置于80℃恒温干燥箱中烘干得到白色粉体,即为石蜡/TiO2复合相变材料。

1.3 石蜡/TiO2/活性炭复合相变材料的制备

石蜡/TiO2/活性炭复合相变材料的合成过程:将4g石蜡,1.5g十六烷基氯化铵,1g活性炭,10mL正戊醇和100mL无水乙醇混合加入到250mL三颈烧瓶中超声分散20min,在65℃水浴条件下搅拌1h后,缓慢滴加10mL钛酸丁酯,继续搅拌2h后,滴加10mL去离子水,再持续搅拌5h反应结束,混合溶液以6000r/min的转速进行离心,将离心得到的沉淀置于80℃恒温干燥箱烘干得到黑色粉体,即为石蜡/TiO2/活性炭复合相变材料。

1.4 测试与表征

采用XRD-6000X射线衍射仪分析样品的晶体组成;采用JSM-6700F场发射扫描电镜观察样品的形貌及微观结构;采用TA-50热重分析仪对样品的热稳定性进行分析,测试条件为:从室温升到600℃,升温速率10℃/min,5mg样品;采用DSC 200F3差示扫描量热仪对样品的相变温度和相变潜热进行表征;采用尼康J1型数码相机对样品的定形相变特征和润湿性进行拍照记录。

2 结果与讨论

2.1 X射线衍射(XRD)分析

分别对纯石蜡和石蜡/TiO2/活性炭复合相变材料进行XRD分析,如图1所示。图1曲线b为石蜡/TiO2/活性炭复合相变材料的XRD图谱,在2θ=21.17°和2θ=23.53°时出现两个尖锐的衍射峰,分别对应石蜡的(110)晶面和(200)晶面,这与图1曲线a纯石蜡的XRD图谱的特征衍射峰位置相一致(JCPDS No.40-1995),说明合成的石蜡/TiO2/活性炭复合相变材料成分之间只是物理作用,没有发生化学反应形成新的物质。由于合成的TiO2是非晶态物质,所以复合相变材料的XRD图中的衍射峰主要是石蜡的衍射峰,衍射峰的强度较纯石蜡的有所降低。

2.2 场发射扫描电镜(FE-SEM)分析

图2(a),(b)分别为石蜡/TiO2和石蜡/TiO2/活性炭复合相变材料的SEM照片。从SEM照片可以看出两个样品均由准球形结构的粒子聚集在一起,形成多孔隙的聚集体,可以有效吸附石蜡。比较图2(a),(b),石蜡/TiO2/活性炭复合材料中颗粒粒径更为均匀,TiO2颗粒能够更好地形成多孔聚集体,这可能是由于加入的活性炭的多孔结构和较高的比表面积提高了对石蜡的吸附作用,使得材料的复合效果更好。

2.3 热重(TGA)分析

图3所示分别为纯石蜡和石蜡/TiO2/活性炭复合相变材料的热重分析(TGA)曲线,在氮气气氛下进行TGA分析,在分析过程中活性炭不发生变化,其质量损失忽略不计。从图3中可以看出,纯石蜡在140℃左右开始失重,当温度到达258℃时总质量损失率为100%。石蜡/TiO2/活性炭复合相变材料的TGA曲线,在室温到150℃温度范围内,样品有少量的失重(约为4.6%),主要是由于材料吸附的水分子以及残余溶剂的蒸发而引起的。在150℃到283℃范围内,该材料质量急剧下降,总共失重了约44.2%,这段温度失重主要是石蜡受热挥发引起的,可以看出复合材料的失重开始温度比纯石蜡高10℃,最大失重量时的温度较纯石蜡的高25℃,表明TiO2基体和活性炭能明显提高复合材料中石蜡的热稳定性,这主要是由于TiO2、石蜡和活性炭三者的协同作用,对封装在内部的石蜡有很好的保护作用[10]。

图2石蜡/TiO2复合相变材料(a)和石蜡/TiO2/活性炭复合相变材料(b)的FE-SEM照片Fig.2 FE-SEM images of paraffin/TiO2composite PCMs(a)and paraffin/TiO2/active-carbon composite PCMs(b)

2.4 产物的储/放热性能分析

图4(a)所示为纯石蜡的DSC曲线。从图中可以看出,纯石蜡的熔点和凝固点分别为56.0℃和50.5℃;图4(b)所示为石蜡/TiO2/活性炭复合PCMs的DSC曲线,可以看出石蜡/TiO2/活性炭复合相变材料的熔点和凝固点分别为54.22℃和48.90℃,相变特征与纯石蜡的相似。从图中还可以观察出,两个样品的DSC曲线中都有两个吸热峰和两个放热峰,其中小峰代表固-固相变过渡阶段,主峰代表固-液相变过程,固-固相变过渡阶段是由于样品从有序相到无序相过渡引发的,图4(b)DSC曲线上22.82℃和62.68℃分别对应石蜡/TiO2/活性炭复合PCMs固-固相变过渡阶段的开始温度和固-液相变过程的结束温度。结果表明,复合相变材料的固-液相变温度接近石蜡,说明石蜡在实验中没有发生化学反应而生成其他物质。通过计算,纯石蜡和石蜡/TiO2/活性炭复合相变材料的相变潜热分别为143.5J/g和76.46J/g,后者较前者的相变潜热有所降低,这是因为TiO2和活性炭的加入使单位质量样品中相变材料含量降低,而TiO2和活性炭本身不是潜热材料,所以单位质量的吸/放热量必然降低,但所获得的复合相变材料仍具有较高的相变潜热。

图4纯石蜡(a)和石蜡/TiO2/活性炭复合PCMs(b)的DSC曲线Fig.4 DSC curves of pure paraffin(a)and paraffin/TiO2/active-carbon composite PCMs(b)

2.5 产物的定形相变特征测试

形状稳定性是相变材料在实际应用中一个关键的方面。利用加热-拍照的方法记录了所制备的石蜡/TiO2和石蜡/TiO2/活性炭两种复合相变材料在高于其相变温度时的形状稳定性,并与纯石蜡做了比较。分别将石蜡/TiO2复合材料、石蜡/TiO2/活性炭复合材料、纯石蜡3种样品的粉末以及柱状样品(将2.5g粉末样品在磨具中压缩而成)放在加热平台上加热至80℃并保持该温度一定时间,用相机拍照记录这些样品的形状变化。图5和图6分别列出了石蜡/TiO2复合相变材料(a)、石蜡/TiO2/活性炭复合PCMs(b)和纯石蜡(c)粉末状样品和压缩柱状样品在加热到不同时间段的照片。从图5,6中可以看出,纯石蜡很快就开始熔融,20min后完全熔化成流动液体状态。而石蜡/TiO2和石蜡/TiO2/活性炭复合相变材料在整个加热过程中都保持原有的干燥形态,并无任何液体泄露出来,压缩柱状样品也保持着原有的固定形状,表明这两种复合相变材料均具有很好的定形相变特征。这是由于在复合材料中,TiO2和活性炭的多孔结构能够有效地吸附封装石蜡,阻止了熔融后的液态石蜡的流动,并提供材料一定的机械强度,保证了材料的定形相变特征。

图5石蜡/TiO2复合相变材料(a),石蜡/TiO2/活性炭复合相变材料(b)和纯石蜡(c)的粉末样品在80℃下加热不同时间的照片Fig.5 Photographs of paraffin/TiO2composite PCMs(a),paraffin/TiO2/active-carbon composite PCMs(b)and pure paraffin(c)heated at 80℃for different time

2.6 产物的润湿性研究

超疏水表面具有很高的疏水性能和自清洁性能,在自清洁涂料,金属防腐、防雾、防冰,光伏电池等领域有巨大的应用潜力[15],从而引起了人们很大的研究兴趣。本研究制备出的石蜡/TiO2/活性炭复合定形相变材料不仅具有优异的热导性、储热能力、热稳定性,还表现出超疏水特性。如图7所示,在压缩成柱状的石蜡/TiO2/活性炭复合材料上滴加水,水滴很容易在其上面滚动而不会润湿材料表面(a),而且水滴被移除后表面仍保持干燥(b),说明材料表现出优异的超疏水性。这种超疏水性是由具有粗糙表面的TiO2纳米粒子和低表面能的石蜡之间的协同作用产生的,吸附的石蜡降低了TiO2纳米粒子的表面能,使得该材料表现出超疏水性。石蜡/TiO2/活性炭复合相变材料的这种多功能特征,在实际应用中作为涂料使用,既能实现蓄热-放热的保温目的,又具有防水自清洁的特点。本项研究为制备智能建筑涂料提供了一种新的设计思想。

图6石蜡/TiO2复合相变材料(a),石蜡/TiO2/活性炭复合PCMs(b)和纯石蜡(c)的柱状样品在80℃下加热不同时间的泄漏测试照片Fig.6 Photographs of paraffin/TiO2composite PCMs(a),paraffin/TiO2/active-carbon composite PCMs(b)and pure paraffin(c)heated at 80℃for different time

图7石蜡/TiO2/活性炭复合PCMs的超疏水性测试照片(a)滴加水滴后;(b)移除水滴后Fig.7 Superhydrophobic test photographs of the paraffin/TiO2/active-carbon composite PCMs(a)after dropping waterdrops;(b)after removing waterdrops

3 结论

(1)以石蜡作为相变材料,利用TiO2材料作为基体,并添加少量具有优异热导特性的活性炭,采用微乳液法制备出石蜡/TiO2/活性炭复合相变材料。

(2)复合材料颗粒粒径较均匀,复合效果良好。石蜡/TiO2/活性炭复合相变材料的熔点和凝固点分别为54.22℃和48.90℃,相变特征与纯石蜡的相似,这是因为复合相变材料合成过程中石蜡和TiO2基体只是简单的物理结合而没有发生化学反应。

(3)石蜡/TiO2/活性炭复合相变材料具有很好的定形相变特征和超疏水特性。石蜡、TiO2和活性炭三者的协同作用,使得该复合相变材料兼有良好的相变储热能力、稳定的热学性能、超疏水特性等优点。

摘要：以石蜡作为相变物质、二氧化钛(TiO_2)作为基体材料,添加少量活性炭提高其热导率,通过微乳液法制备出新型石蜡/TiO_2/活性炭复合相变材料。利用XRD,SEM,TGA,DSC对材料的组成、形貌和性质分别进行表征,并对材料相变过程中的形状稳定性进行测试。结果表明:石蜡被TiO_2有效封装,保证了材料的定形相变特征;此外该复合材料还表现出超疏水性质。这些多功能特性将使其作为多功能涂料或其他添加剂在节能建筑中具有重要的应用价值。

活性炭材料 篇10

1 活性炭材料脱硫脱硝的原理

根据活性炭材料在火电厂烟气脱硝脱硫中的应用, 分析其在应用中的原理, 如下:

1.1 活性炭材料的脱硫原理

活性炭材料能够吸附火电厂烟气中的SO2, 其吸附方面可以分为两种, 如: (1) 物理吸附, 只要烟气中含有H2O和氧气, 就可以做为活性炭吸附的条件, 可以直接吸收SO2, 避免其排到大气环境中, 此类吸附方式属于比较常见的类型; (2) 化学吸附, 此类吸附方式较为复杂, 烟气内存在明显的化学反应, 公式为:SO2+O2+H2O→。

1.2 活性炭材料的脱硝原理

活性炭材料的脱硝原理主要是降低烟气内氮元素的含量, 概括为脱氮的过程。活性炭脱氮时涉及到多项化学反应, 其中较为典型的是催化条件下的还原反应, 利用活性炭对NOx产生的吸附作用, 而且活性炭在无催化剂的环境中也能实现脱氮, 活性炭与NOx反应, 产物为CO2和N2, 不会对环境造成污染, 还可以起到热能再利用的作用。

2 活性炭对火电厂烟气脱硫脱硝的影响

分析活性炭在火电厂烟气脱硫脱硝中的影响, 体现活性炭对环境保护的贡献, 进而推进活性炭材料的发展应用。具体的影响分析如下:

2.1 速率影响

活性炭对脱硫脱硝的速率存在很大的影响, 尤其是受到空速条件的影响, 当火电厂烟气脱硫脱硝中的空速过大时, 抑制活性炭的活性, 导致其效率明显降低。例如:空速增加时, 活性炭与SO2、NOx的接触无法达到全面、充分的状态, 所以活性炭净化烟气的过程中, 残余了大量的含硫、含硝的有害物质, 再加上空速过快, 化学反应的条件不足, 更是增加脱硫脱硝的速率压力, 影响活性炭材料的应用效果。

2.2 温度影响

活性炭脱硫脱硝的速率与温度存在直接的关系, 呈现先增后减的变化。活性炭在烟气脱硫脱硝中, 最佳的控制温度应保持在50℃~80℃之间, 便于提高吸附和净化的能力[1]。例如:烟气脱硫反应, 温度处于低温状态时, 活性炭对SO2的吸附速率会比较大, 此时化学吸附的能力要高于物理吸附, 待温度逐渐升高后, 物理吸附受到干预, 此时化学速率受到相应干扰, 但是仍旧可以满足吸附的需求, 需适当调整温度, 以便提高化学脱硫的效率。

2.3 含氧影响

含氧量对活性炭脱硫脱硝的影响比较大, 而且具有直观的影响性。火电厂控制烟气中的含氧量, 能够在很大程度上提升吸附净化的效率[2]。根据脱硫脱硝的试验研究证明, 活性炭处于5%~10%的含量环境内, 可以具备最高的效率, 含氧过高或过低, 都不利于脱硫脱硝的进行。

3 活性炭纤维在脱硫脱硝中的应用

火电厂烟气脱硫脱硝对活性炭材料的应用处于不断发展的状态, 目前, 活性炭纤维属于较为新型的材料, 其在脱硫脱硝中的应用优势非常明显, 具有高效吸附的优势。分析活性炭纤维在脱硫脱硝中应用, 如下:

3.1 活性炭纤维的脱硫脱硝

活性炭纤维结构中的强度较高, 可以满足火电厂烟气脱硫脱硝的多种条件, 能够加工成多种形状, 便于提高吸附反应的接触面积, 同时达到脱硫脱硝的活性要求。活性炭纤维脱硫脱硝时的速率与传统活性炭相比, 能够达到百倍的优势, 既可以提高脱硫脱硝的吸附能力, 又可以提升净化的标准[3]。火电厂烟气中SO2、NOx的含量较高, 所以通过活性炭纤维, 达到了吸附净化的指标, 活性炭纤维的结构单位为纳米级别, 防止烟气中有害气体的扩散, 活性炭纤维在脱硫脱硝的脱附工艺中, 还能再生, 有助于提高活性炭纤维的利用效率。

3.2 活性炭纤维的优势

活性炭纤维属于活性炭材料的一种, 但是在材料中的优势最为明显, 为火电厂烟气脱硫脱硝提供高效益的服务。分析活性炭纤维的优势, 如: (1) 表面积大, 由于活性炭纤维的结构特性, 促使其与SO2、NOx的接触面积明显提升, 有利于吸附固定, 体现出很强的接触效果; (2) 吸附效率高, 活性炭纤维材料以纳米级纤维的方式存在, 能够快速找准烟气中的硫硝物质, 提高吸附的效率; (3) 吸附性能高, 活性炭纤维具有可再生、可改进的特点, 由此其在烟气吸附中能够体现出较高的应用性能, 确保活性炭纤维的应用性能。

4 结语

活性炭材料在火电厂烟气脱硫脱硝中占有很重要的地位, 有效控制烟气排放, 降低污染度。活性炭材料在脱硫脱硝中的应用, 仍旧处于积极发展的状态, 体现活性炭的吸附优势。火电厂结合活性炭材料的应用, 致力于提高其在脱硫脱硝中的应用水平, 改善吸附的途径, 进而提升活性炭脱硫脱硝的研究水平。

参考文献

[1]段丽.活性炭吸附法联合脱硫脱硝技术分析[J].云南电力技术, 2012, (04) :45-47

活性炭材料 篇11

关键词：活性炭;再生;吸附容量;乙醇;脱硫液

0 引言

焦化工艺中氨碱法脱硫废液含有一定的可回收成分，将这些成分加以回收利用，具有一定经济效益、环境效益。

某化工厂是从事氨碱法脱硫废液回收化工产品的企业，其主要工艺过程为：将焦化企业的脱硫废液收集回收入厂，用活性炭吸附脱色。上述过程完成后产生废活性炭，属于危险废物。目前常用的处理方法是将使用过的废活性炭运往有资质的废物处置机构进行处理，处理过程需要较高的费用且由企业支付，造成浪费。研究废活性炭的再生可行性能为该企业带来一定的经济效益以及环境效益，因为活性炭吸附处理的运营费用较高，同时活性炭的再生比较困难，寻找一项成本低廉并容易应用于实际的活性炭再生方法成为本次研究的重点。本论文通过实验的方式测试活性炭再生的方法和再生效率，由于活性炭上吸附了很多有机物，故选择乙醇萃取法对其进行再生，并对该方法的再生效果进行评价，再生过程中脱附的有机物可尝试回收利用，用过的乙醇也可以通过蒸馏法回收以循环利用。

1 综述

1.1 氨碱法煤气脱硫液的组成

脱硫液的组成非常复杂，所含的污染物一般可分为有机污染物和无机污染物两大类。其中有机污染物以酚类化合物为主，占总有机物的80%以上，此外，还包含多环类化合物、多环芳烃和脂肪族化合物，酚类化合物主要有苯酚、二甲酚、邻甲酚以及其同系物;多環类有机物包含菲、蒽、萘等[1]，杂环类有机物包括氮杂联苯、二氮杂苯等。无机污染物一般以铵盐形式存在，包括碳酸铵、碳酸氢铵、氰化铵硫、化氢铵等。

1.2 活性炭吸附原理和类型

1.2.1 活性炭吸附原理

根据活性炭于吸附物作用力的不同，活性炭的吸附通常可以分为物理吸附和化学吸附两种。其中物理吸附中活性炭和吸附物之间的作用力是范德华力，主要用于活性炭去除气相及液相中杂质的过程。活性炭结构多孔，可以提供大量的表面积，从而易于吸附杂质。化学吸附的作用力主要来自化学键，故也可以把其当成化学反应来看。活性炭不仅含碳，在其表面含有少量的功能团和化学结合形式的氢和氧，例如羟基、羧基、内脂类、酚类等。这些物质可以与被吸附物发生化学反应，从而被吸附物聚集结合到活性炭的表面。活性炭吸附是上述两种吸附原理综合作用的结果。

1.2.2 活性炭类型

活性炭的原料来源丰富，基本上所有富含碳的有机材料都可以作为其原料，例如燃煤、果壳、木材等。上述有机原材料在一定的压力和温度下通过热解作用被转换成活性炭。活性炭具有庞大的孔隙结构以及巨大的比表面积、特意的表面官能团，同时还具有稳定的物理特性及化学特性，是优良的催化剂、吸附剂或催化剂载体。按照活性炭的形状进行分类，活性炭一般可以分为颗粒状活性炭、粉状活性炭、柱状活性炭和球形活性炭等。

①颗粒活性炭

通常情况下把颗粒粒度大于0.175mm的活性炭称为颗料活性炭。颗粒活性炭按照生产原料又分为果壳颗粒活性炭、煤质颗粒活性炭、椰壳颗粒活性炭等，不同类型的活性炭吸收成分各有侧重。

②粉状活性炭

一般将粒度小于0.175mm或者90%以上通过80目标准筛的活性炭通称粉状活性炭或粉状炭。粉状炭有吸附能力使用充分和吸附速度较快等优点，但是分离较为困难。随着分离技术的进步和受某些应用要求所限，粉状炭的粒度出现越来越细化的倾向，有的使用场合已达到微米甚至纳米级。

③柱状活性炭

通常是由粉状原料和粘结剂先经过混捏和挤压成型，再经过炭化、活化等后续工序制作而成。也可以用粉状活性炭加粘结剂挤压成型。柱状活性炭又有中空和实心之分，其中中空柱状炭是柱状活性炭内有人造的一个或多个有规则的小孔。

④球状活性炭

球状活性炭和柱状活性炭制作过程和原理类似，最后制成球状。或者由液态的含碳原料经过喷雾造粒、氧化、炭化及活化等工序制作而成，或者用粉状活性炭加粘结剂成球加工而成。与柱状活性炭类似，球状活性炭也有空心和实心之分。

本次实验所采用的活性炭是该化工厂家使用并提供的粉状活性炭。

1.3 常用的活性炭再生方法

活性炭再生是将已经饱和吸附有污染物或者杂质的活性炭进行脱附的过程，从而达到活性炭的循环使用。通常情况下活性炭并不能实现100%再生，同时会伴有部分损耗，但因活性炭成本较高，对其进行再生有一定的现实意义，可以降低企业使用费用。

吸附饱和的废活性炭有多种再生方法，目前常用的再生方法主要有加热再生法、生物再生法、溶剂再生法和湿式氧化再生法等。以上几种再生方法中加热再生法应用最广并且应用时间最长[2]，并且再生率很高，是目前最主要的再生方法;生物再生法的特点是成本低、易于操作运行，并且吸附物被氧化成水和二氧化碳从而实现无害化，但也存在再生时间较长、受温度、水质影响大的缺点;溶剂再生法一般适合再生吸附有机污染物的活性炭;湿式氧化再生法控制好再生所需温度和压力可取得较好的效果，同济大学的李光明等人采用催化湿式氧化法通过实验得到47.0%的再生效率[3]。除以上传统再生方法外，随着科技的进步，近几年兴起的再生方法还有超声波再生法、光催化再生法、微波辐射再生法、电化学再生法和超临界流体再生法等，都很有发展前景。本文因废活性炭中吸附有较多有机物，故采用溶剂再生法，选用乙醇作萃取溶剂，下面对该方法进行详细介绍。

①溶剂再生法原理

溶剂再生法一般是利用活性炭、吸附溶剂和吸附物之间的相平衡关系，在一定的温度和PH之下改变这种平衡关系从而使吸附物脱附的一种方法。通常情况下使用有机溶剂对吸附有有机吸附物的废活性炭进行萃取，从而实现活性炭的再生。通过查询资料发现，溶剂再生法中，脂肪族化合物的再生率一般较高，芳香族化合物的再生率受置换基的影响比较大。像苯甲醛、苯甲酸、硝基苯和苯甲酰胺之类具有吸电子基（-CHO，-COOH，-NO2，-CONH2 ）的芳香族化合物，用乙醇萃取法再生率高;带有供给电子置换基（-OCH3，-NH2，-OH）的芳香族化合物，用乙醇对其再生率较低[4]。

②溶剂萃取再生法的优缺点

优点：溶剂再生法可在高温加热下进行，也可在低温下进行在线操作，不需要另设再生装置，投资较少。再生中活性炭的损失极少，同时还可回收有利用价值的吸附质，所用溶剂可以经蒸馏回收后可反复使用。

缺点：再生效率不高，活性炭孔隙容易被堵塞，从而使吸附性能的恢复受到影响，并且多次再生后，活性炭吸附性能有一定下降。同时，溶剂萃取再生针对性较强，往往一种溶剂只能脱附某些污染物。但往往水处理过程中活性炭吸附的污染物种类较多，成分复杂，因此，一种特定溶剂的应用范围较窄。溶剂萃取再生法通常只用于物理吸附起主要作用并具有较高回收价值的吸附物。

1.4 活性炭再生效果评价方法

1.4.1 COD值评价法

用不同质量梯度的再生前后烘干的活性炭吸附废水，当吸附后的废水滤出液的COD不再随着活性炭的增加而增加时，则可认为活性炭完成对废水的吸附，以活性炭质量和吸附后滤液的COD值为坐标作图，求得各自的吸附容量，两值相比求得再生率。

1.4.2 分光光度法

用不同质量梯度的再生前后烘干的活性炭吸附含酚废液，用4-氨基安替比林分光光度法对比吸附前后吸光度变化，当吸光度不再随着活性炭的增加而增加时，则可认为活性炭完成对废液的吸附，以活性炭质量和吸附后滤液的吸光度为坐标作图，求得各自的吸附容量，两值相比求得再生率。

1.4.3 质量差法

用一定量的再生前后烘干的活性炭吸附过量的脱硫废液，吸附后烘干称量，通过对比吸附前后的质量差来求得各自的吸附容量，两值相比求得再生率。

2 实验部分

2.1 实验目的

研究活性炭再生是否可行，并对再生效果进行评价。

2.2 实验方案

2.2.1 活性炭再生方案

本实验主要研究溶剂萃取再生法，实验中选择的溶剂为乙醇。

2.2.2 再生效果评价

采用质量差法，对比新活性炭和再生后活性炭对脱硫液中组分的吸附容量，得出再生效率，分析再生是否可行。

2.3 實验步骤

2.3.1 活性炭再生

①折叠滤纸筒

取一张长和宽大约分别为30cm和15cm的滤纸，以宽边为轴卷成筒状，然后将滤纸筒的一端折叠封死。

②称取废活性炭

将废活性炭于105℃下在烘箱内烘干2小时，称取30.00g装入折叠好的滤纸筒中，放入索氏抽提器的提取管中。

③组装仪器

将索氏抽提器的提取瓶、提取管、冷凝器按顺序组装起来，并将冷凝器与自来水管相连接。将提取瓶放在垫有石棉网的电炉上。

④进行实验

用量筒量取300mL无水乙醇从索氏抽提器的冷凝器开口间缓缓加入，至加完为止，然后打开自来水，同时打开电炉进行加热，待提取瓶中的液体沸腾开始计时加热六小时，控制电炉温度使乙醇和水每6～8min虹吸一次，以实现活性炭的再生，再生后将用无水乙醇再生的活性炭在80℃烘干4小时后备用。将提取瓶中残余的提取物取出，贮存于烧杯内，备用。

2.3.2 活性炭对脱硫液中组分的吸附

①按表1取活性炭和脱硫液做预实验，找出足够0.5g活性炭吸附用的脱硫液的量。

表1  活性炭对脱硫液中组分的吸附试剂用量预实验表

[新活性炭质量m/g＼&脱硫液体积/mL＼&0.50

0.50＼&10.00

20.00＼&再生活性炭质量m/g＼&脱硫液体积/mL＼&0.50

0.50＼&10.00

20.00＼&]

根据预实验结果确定所取脱硫液的量定为15.00mL。

②分别取0.50g新活性炭及再生后的活性炭，量取15.00mL脱硫液于250mL锥形瓶中，加水至50mL，放于振荡箱中，在温度为25℃、转速为130r/min的情况下振荡60min，再移至经过105℃的烘箱烘干至恒重的滤纸进行过滤，待所有的活性炭转移到滤纸上后，再于105℃温度下烘干、称重，通过称量结果计算出吸附前后的活性炭质量差，得到活性炭对脱硫液中组分的吸附量，为保证实验结果误差较小，新活性炭及再生后活性炭分别作三组平行实验。

3 实验结果

3.1 预实验结果

假设新活性炭的质量为m1，滤纸的质量为m2，过滤烘干前二者质量和为（m1+m2）1，过滤烘干后二者质量为（m1+m2）2，前后差值为△m，吸附容量为q，预实验试剂取用量见表2，以下为预实验结果表：

表2  活性炭对脱硫液中组分的吸附试剂用量表

[新活性质量m1/g＼&滤纸质量m2/g＼&（m1+m2）1/g＼&过滤烘干后（m1+m2）2/g＼&差值   △m/g＼&吸附容量q/（g/g）＼&0.50

0.50＼&0.93

0.89＼&1.43

1.39＼&1.72

1.66＼&0.29

0.27＼&0.58

0.54＼&]

预实验结果表明10.00mL和20.00mL脱硫液对于0.50g新活性炭均已过量，本实验采用的脱硫液量为15.00mL。

3.2 正式实验结果

假设新活性炭质量为M1，吸附后活性炭质量为M2，吸附前后质量差为△M1=M2-M1，吸附容量为Q1=△M1/M1。设再生活性炭质量为M3，吸附后质量为M4，吸附前后质量差为△M2=M4-M3，吸附容量为Q2=△M2/M2。再生率为Q2/Q1。

表3  质量差法吸附容量表

[新活性炭质量

M1/g＼&吸附前后质量差△M1/g＼&吸附容量

Q1mg/g＼&平均值/mg＼&0.50

0.50

0.50＼&0.27

0.26

0.28＼&540

520

560＼&540＼&再生活性炭质量

M2/g＼&吸附前后质量差△M2/g＼&吸附容量

Q2mg/g＼&平均值/mg＼&0.50

0.50

0.50＼&0.11

0.09

0.10＼&220

180

200＼&200＼&]

4 结论与建议

4.1 结论

本论文主要进行了活性炭再生，然后用新活性炭和再生后活性炭对脱硫液的吸附容量来评价再生效果，说明再生方法是否可行。

通过实验得到结论为：

①用脱硫液对再生效果进行评价，新活性炭对脱硫液的吸附容量为540mg/g，再生后的活性炭对脱硫液的吸附容量为200mg/g，再生率为37.0%，说明再生方案初步可行。

②从结果可以看出，活性炭再生效率偏低，需进行进一步实验优化条件如改变温度、萃取时间、萃取溶剂以提高再生率。

4.2 讨论与建议

4.2.1 脱硫液成分讨论

为了探究脱硫液中的成分，在实验室现有条件下做了脱硫液和非活性炭乙醇萃取液的紫外分析光谱图，如下。

①通過对脱硫液的紫外分析光谱图进行分析发现，图中有一个较为明显的波峰处的波长为690nm左右，如图1所示，通过脱硫液为绿色的颜色特征和查阅资料大致可以确定脱硫液中含有酞菁钴类煤气脱硫催化剂，须待进一步实验予以确认。

②将乙醇萃取液静置，温度降至常温后可见针状结晶，说明可能存在酚类物质。其颜色在这一过程中的变化为红色到棕色再到深红色，瓶壁四周有绿色析出物。通过活性炭乙醇萃取液紫外分析光谱图和脱硫液的紫外分析光谱图进行对比发现，两图中光谱走势除690nm处大致相同，如图1和2所示，说明乙醇萃取液种成分和脱硫液成分大致相同，乙醇萃取液中690nm处几乎没有出现波峰说明酞菁钴类煤气脱硫催化剂在乙醇中溶解度较低。

4.2.2 进一步研究的建议

本论文尽管对乙醇萃取再生活性炭的方法进行了一定的研究，为处理脱硫液用的活性炭的再生提供了一定的实验依据，但由于实验设备、资金和时间的限制，本文还存在一定的不足，还需要进一步从以下方面加以完善：

①由焦化工艺可知：脱硫液成分复杂，活性炭对各成分的吸附是否有先后顺序尚需进一步的探讨和研究。

②甲醇和乙醇都可以提取活性炭吸附的有机物，但甲醇有毒，成本较高，而乙醇廉价易得，对人体和环境没有危害，且可重复利用，故实验采用乙醇进行，而甲醇的萃取效果尚需进一步研究。

③本实验采用索氏抽提器为再生装置，若要将此法推广到实际应用，应考虑到活性炭层的厚度和再生后活性炭的处置与保存及溶剂回收方法等实际问题。

④生物法成本低廉，若可以实际应用于活性炭再生不仅可以解决环境污染问题，而且可以创造不小的经济效益，但现有实验条件无法进行与有效尝试，在实验环境条件允许的条件下可对该方法进行尝试。在实验时间充足和实验器材允许的条件下，可以对常用的活性炭再生方法如加热再生法和酸碱再生法进行实验，在能找到可行的活性炭与液体分离的方法时，可以尝试超声波再生方案。

参考文献：

[1]郝素菊，张蕾，蒋武峰.焦化废水处理技术[J].河北理工大学学报（自然科学版），2010，32（3）：146

[2]林冠烽，牟大庆，程捷等.活性炭再生技术研究进展[J].林业科学，2008，44（2）：150-154

[3]李光明，王华.多相催化湿式氧化法再生活性炭反应条件[J].同济大学学报，2004，32（5）：636-639.

[4]高尚愚译.活性炭的应用技术：其维持管理及存在问题[M].南京：东南大学出版社，2002：115-254

活性炭材料 篇12

1 实验部分

1.1 原料预处理及活性炭的制备

将丝瓜去除外皮及 丝瓜籽,剩下丝瓜 络,在镍制反 应釜中,高纯N2气氛保护下,以5℃/min的升温速率分别升温到700℃、800℃,炭化1h,自然降温到室温。所制得的炭化物标记为TH800。

将炭化料与活化剂按一定的比例(KOH∶炭化料=1~3∶ 1,质量比)混合,加少量去离子水搅拌均匀,室温浸渍一 定时间后放置于镍制反应釜中;高纯N2气氛保护下,以5℃/min的升温速率至800℃活化1h,自然冷却,收集活化料用5mol/L的盐酸浸泡24h,去离子水 洗至中性,105℃ 下干燥2h备用。 所制得的活性炭依据碱炭比的不同(1~3)分别标记为AC1、 AC2和AC3。

1.2 活性炭的表征

使用美国康塔仪 器公司的Autosorb-iQ-MP型全自动2站式气体吸附分析仪对炭化物、活化后样品的孔径分布及比表面积等孔径结构参数进行测试。采用低温液氮(77K)条件下的N2等温吸附 法测定试 样的吸/脱附等温 曲线。 由Brunauer-Emett-Teller(BET)法计算活样品的总比表面积,用Density Function Theory(DFT,密度函数理论)模型得到材料的孔径分布。取测试中相对压力p/p0为0.99的吸附量来计算样品的总孔容。测试前,将样品在200℃ 脱气10h,以脱除样品中水分及其他气体杂质。

1.3 活性炭电极制作及电容器组装

将活性炭、炭黑、粘结剂按照质量比85∶10∶5在玛瑙研钵中混合均匀,然后称取一定质量的混合物料,在台式电动压片机上以10MPa的压力压成面积约1.3cm2、厚度约0.2mm的电极片。在真空干燥箱中将电极 片于120℃ 下干燥4h,然后冷却、称重,在3mol/L的KOH电解液中真空下浸泡1h,以聚丙烯(PP)为隔膜,组装成硬币型双电层电容器。

1.4 电化学性能测试

使用美国Arbin公司生产的CSCT超级电容器测试系统对电容器进行恒流充放电(充放电电压范围为0.90~0.05V, 电流范围为0.85~85.00mA,不同电流密度下循环充放电10次以上)、循环伏安(扫描速率为1~20mV,扫描电压为0.05~ 0.90mV)、漏电流测试(0.9V的恒压下)。

当模拟电容器正负极活性炭含量相同时,其单电极 质量比电容的计算公式[1]为式(1)。

式中,I为放电电流,A;m为单电极中 活性炭的 质量,g; ΔV为放电时 Δt时间间隔内电压的变化,Δt/ΔV由恒流放电曲线斜率的倒数求得。

2 结果与讨论

2.1 炭化温度、碱炭比对孔结构的影响

图1为所制炭材料的N2吸附-脱附等温线。可以看出, TH800的吸附-脱附等温线基本重合且吸附量很小,表明炭化物孔隙结构发育不完善,基本上处于“无孔”状态。碱炭比分 别为1、2和3时,随着相对压力(P/P0)的增大,炭材料的吸附量变化增 加,形成一接 近于水平 线的平台。 依据BDDT (Brunauer Deming Deming Teller)吸附等温线法分类,炭材料的吸附等温线均属于Ⅰ型等温线[5]。经过活化制备的炭材料具有较发达的 孔结构。AC1、AC2和AC3的吸附量 依次提高,表明其孔结构逐渐发育,比表面积和总孔容逐渐增大。

图2为所制炭材料的孔 径分布曲 线。如图2所示,随着碱炭比的增加,炭材料的孔径分布基本上向着孔径增大、范围变宽的方向发 展。AC1的孔径分 布主要集 中在1~2nm之间;有少量3.5~4.5nm中孔,微孔比例 较大;AC2的孔径分 布集中在0.6~2nm之间微孔和2~4.5nm之间的中孔;AC3的孔径分布比较广(0.6~4.5nm),且中孔含量较高。上述结果与吸附等温线的变化趋势一致。

所制备炭材料的孔结构 参数如表1所示。由表1可知, TH800的孔隙结构发育 不发达。比表面积 在仅为6m2/g左右,总孔容仅为0.027cm3/g,基本上处于“无孔”状态。经活化后炭材料孔结构比较发达。综上所述,碱炭比对丝 瓜基炭材 料的孔结构发育有显著影响。随碱炭比的增大,炭材料的 比表面积及总孔容总体上呈增大的趋势,孔径分布范围变宽,中孔率增加。

2.2 孔结构变化对电极材料电化学性能的影响

从图3充放电曲线的时间,可以明显看 出丝瓜炭 化物充放电曲线接近等腰三角形,对称性良好,电压随时间也呈线性变化[6]。高温炭化容易导致生成有序性高的炭化物[7]。炭化条件对活性炭产物孔结构的形成也起着相当重 要的作用[8]。 经过活化的活性炭的充放电时间明显增长,在碱炭比为2时, 充放电时间最长,并且活化后活性炭的充放电曲线更接近的 等腰三角形,具有很好的对称性,电压随时间呈线性变化。另外,活化活性炭在放电开始的瞬间,电压突降很小,表明电极 中活性物质和电解液的接触良好,电阻很小[9]。

由图4可以明显看出由丝瓜在不同温度下炭化制备的炭化物的循环伏安曲线随炭化温度的增加,而逐渐有不太规则 变成良好的矩形,说明随炭化温度的增加炭化物可逆性和电 容特性逐渐变好,这主要是因为在低温活化的电极材料的内 阻较大,导电性较差,随炭化温度的升高,电极材料 的炭化程 度增加,孔隙增加,导电性也随之增加[8,10]。这与由充放电曲线得到的结论相符合。由图5可以看出在无机 电解液体 系, 扫描速率1mv/s时,活性活性炭制备的电极材料的循环伏安曲线均呈良好的 矩形,说明具有 很好的可 逆性和电 容特性。 比较4个循环伏安曲线,KOH活性炭制备的电极材料曲线所围的面积明显大于未活化AC,与充放电测试结果相一致。

表2和图6表明,随着电流密度的增大,各炭材料的质量比电容均呈下降趋势,其中炭材 料TH700和TH800的下降幅度较大,当电流密度从50mA/g增大到5000mA/g时,其比电容分别由82F/g和91F/g下降至43F/g和58F/g,电容保持率为52%和64%,表明这两种炭材料电极在大电流充放电性能较差;AC1的电容保持率较高,达到了79%,表明其大电流充放电性能相对较好。对于AC2和AC3,比电容随电流密度的增加,比电容下降程度明显大于AC1,这主要是因为随碱炭比增加,虽然炭材料的比表面积及总孔容总体上呈增大的趋势,孔径分布范围变宽,中孔率增加,但是有些孔对 双电层电容没有作出贡献,其表面积属于无效表面 积[11,12]。图5为AC1在不同扫描速 率下的循 环伏安曲 线。 由图5可知,在KOH电解液体系中,AC1炭材料在不同扫描速率下的循环伏安曲线呈类似矩形的电势窗口,扫描速率增大到40mv/s时, 矩形电势窗口没有发生明显的扭曲,说明炭材料具有良好的电容特性和较小的内阻,有利于其大电流充放电。

2.3 孔结构对活性炭电极材料比电容的影响

比表面积与比电容的关系如图7(a)所示,随着比表面积的增大,比电容的变化呈现出明显不同的3个阶段。当比表面积较小时,比电容快速线性增加;当比表面积继续 增大时, 比电容增加放缓,当比表面积超过一定值时比电容反而下降。 这说明活性炭电极材料的比表面积与其比电容之间并非简单的线性关系[12,13]。仅增加比表面积,到一定程度时反 而对比电容的增加有副作用;比表面积与总孔容的关系如图7(b)所示,总孔容与比电容的关系跟比表面积与比电容的变化基本一致,这说明比表面积是由于孔的容积增加而增大;图7(c)和 (d)表明微孔容对比电容的影响最为显著,可以增加离子吸附面积,从而更好地形成双电容;中孔容增加在一定范围内对比电容的增加同样具有促进作用,可以减小离子的扩散阻力,缩短离子传输的距离[14]。当超过一定限度时反而影响了离子的扩散,这可能是由于增大活化剂用量,孔朝着继续深入的锥形方向发展,孔的深度加长加深,使得离子传输通道 加长,孔的形状呈锥形孔,开口大末端小而使得离子进入通道后无法出 来。电解质无法到达,从而影响在大电流下的充放电性能。

图7 (a)比表面积与比电容的关系;(b)总孔容与 比电容的关系;(c)微孔容与比电容的关系; (d)中孔容与比电容的关系

3 结论