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新型活性炭材料---块状活性炭

更新时间:2011-5-15 19:50:56  点击次数:6936

活性炭是一种以石墨微晶为基础的无定形结构材料,其主体元素是碳,还有部分非碳元素如氧、氢、氮、硫等,它们大部分结合在碳网的边缘形成表面化合物。活性炭最大的特点是具有发达的孔隙结构和很大的比表面积以及吸附性能,其比表面积可高达1000-3000m2/g。活性炭的这些特点决定了它对气体、溶液中的无机或有机物质及胶体颗粒等都有很强的吸附能力。作为一种优良的吸附剂,活性炭具有独特的孔隙结构和表面活性官能团,化学性质稳定,机械强度高,耐酸、碱、热,不溶于水和有机溶剂,使用失效后可以再生,因此广泛地应用于污染治理(如气体净化和水处理)、食品加工、化工、军事化学防护等。此外,活性炭还可以作为催化剂和催化剂载体。
目前应用较多的主要是粉末状、颗粒状的活性炭和活性炭纤维。前者主要是由自然原材料如煤、木材、坚果壳等制得。虽然用这些材料可以成功地制成性能高、价廉的活性炭,但是这些产品存在很多问题。首先,由于成批自然原材料的结构差异使制造活性炭时很难控制其结构特性而得到相同质量的产品。此外在填充床中使用粉末活性炭和颗粒活性炭时,存在压降大、沟道效应、颗粒磨损,粒子夹带等缺点。对于活性炭纤维可通过控制加工条件获得一定结构和性能的产品,但是由于活性炭纤维的价格较高在应用方面也就颇受限制。
在环境治理应用中,要求使用的炭材料必须含有一定的孔结构,污染物质在通过这些孔时才能被有效的吸收和去除。一般情况下,炭材料的利用率越高,对污染物的处理效果就越好。例如,与活性炭相比活性炭纤维有很多优点,以重量计算,它的比表面积大于活性炭,吸附性能优于活性炭;但以体积计时,活性炭纤维的吸附性能并不优于活性炭,因为活性炭纤维的本体密度为0.1~0.2g/cm3,小于活性炭的0.5g/cm3。同样,在填充床中使用粉末或颗粒活性炭时,由于活性炭较低的堆砌密度,以及由此造成的扩散阻力的影响,填充床中活性炭的吸附性能难以得到充分应用。由于粉末状、颗粒状活性炭以及活性炭纤维在生产和应用上存在以上的问题,人们开始寻求一种能解决这些问题的新型高密度碳材料。块状活性炭( activated carbon monolith)便是顺应这种需求发展起来的一种新型碳材料。块状活性炭的压降低、表面积大、微孔结构丰富、密度较高、传质性能优良、机械强度高且耐磨、吸附性能好、吸脱附速率快。在环境治理方面这种材料可谓是非常理想的材料之一。
块状活性炭与粉末活性炭和颗粒活性炭一样块状活性炭可用来储存气体,用作催化剂载体、净化气体和作为电极材料等。其主要作用可分为以下几点:
1.天然气的储存
天然气的储存是极为关注的问题之一,目前最常用的气体储存方法是气体压缩存储法(CNG)即将气体在20MPa的压强下进行压缩处理。压缩储存需要抗高压的容器,这种容器在一定的空间内难以组合,压缩存储法还存在一个主要的缺点:能量密度的提高有较大限制。气体吸附存储系统(ANG)是新近发展起来的一种存储技术,它是在相对压力较低的情况下利用多孔材料将气体进行吸附储存的一种存储系统。在当前研究的吸附材料中具有多孔结构的炭材料是在低压下最有效的气体储存材料。气体吸附存储技术关键的问题不仅仅是吸附剂的存储容量而且还包括使用的方便性和制造费用等问题。释放量(即:存储系统所存储的可用气体的体积)是评价ANG存储系统性能的一个重要指标,可将它定义为:在室温下当存储压力从3.5MPa减小到0.1MPa时从存储容器中释放出来的气体体积。以活性炭作为吸附剂时,气体的释放量取决于活性炭的微孔体积、微孔孔径分布和活性炭的堆积密度。当存储容器的体积不变时,增加吸附剂的堆积密度可以增加ANG的能量密度。因此用活性炭作气体储存器时,堆积密度是影响吸附性能的重要参数。研究储气活性炭的目的就是减少对甲烷的吸附不起作用的空隙如:中孔、大孔和粒间空隙,增加微孔体积。块状活性炭作为气体存储器时能够减小颗粒间的空隙小,增加堆积密度,从而减小了存储容器中未被利用的空间,达到了很好的吸附效果。根据目前的研究有粘结剂的块状活性炭(以KOH活化)对甲烷的最大储存量可126V/V0,而以纤维素微晶体为原材料制得的无粘结剂的块状活性炭对甲烷得最大吸附量可达到164V/V0。
2.作为电极材料
活性炭是电极的理想材料,这主要是由活性炭的表面结构特性决定的。作为电极的活性炭必需具有足够的强度和导电能力,因为较低的强度会导致电极的自发放电和损坏。据资料显示目前已经有用块状活性炭制作的电极材料。Juana. Alcaniz-Monge等研制出了一种以煤焦油和粘土为原材料制备的块状活性炭。这种块状活性炭的特点是:导电性能好、机械强度高、能稳定存在于电介质溶液中而且成本低(因为煤焦油和粘土都是非常便宜的原材料而且容易挤压成型),无论从成本还是性能方面考虑,这种块状活性炭都非常适合做电极材料。
3.气体净化
块状活性炭可用来净化排放的废气,除去臭气、挥发性有机物(VOC)等,随着人们对环保的越来越重视,块状活性炭在治理污染方面的需求量将越来越大。目前国外有很多学者已对块状活性炭纤维、蜂窝状活性炭对VOC、氮氧化物、硫氧化物等污染物质去除作了相关研究。这些研究主要集中以下几方面:
 (1)块状活性炭的静态吸附量与表面积、孔径分布和孔体积的关系;
(2)块状活性炭的穿透性与表面积、孔径分布和孔体积的关系;
(3)热再生能力与表面积、孔径分布和孔体积的关系;
(4)粘结剂对吸附量的影响。
块状活性炭是一种新型活性炭材料,它具有较大的密度和表面积、较高的机械强度,并含有丰富的微孔,具有优良的吸附性能,可广泛应用于饮用水处理、挥发性有机污染物的控制、气体的储存、室内空气净化以及氮氧化物和硫氧化物的控制等。目前国内关于块状活性炭的研究报道相对较少,但是随着人们对其结构和性能的认识和研究的不断深入,块状活性炭必将得到大力推广和应用。

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