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活性炭化学性质与功能

作者:柱状活性炭 日期:2018-06-06 11:33:01 人气:

一、化学性质

1.元素组成

(1)工业分析

对于活性炭及其原料炭化物中所含有的挥发分数量的测定,通常采用的方法是将试样放在铂金坩埚,避免与空气接触,在900℃下加热7min,求出加热减量对试样的质量分数,并从该分数中减去同时进行测定得到的水分值(干燥减量)以后,便得到试样的挥发分含量。灰分(强热残分)的测定方法是将干燥过的试样凡在瓷坩埚中,在温度调节至800-900℃的高温电炉中灰化,残留物质的质量分数作为灰分。固定炭是以干燥试样作为100%,减去灰分与挥发分所得到的数值。

通常物理法生产的活性炭,由于是在温度为900℃以上制得的,挥发分很少;而化学法活性炭,其活化温度一般是在500℃以下,所以挥发分含量较高。活性炭原料炭化物的挥发分受炭化温度的影响很大。实验表明,温度上升,挥发分含量减少;炭化反应在500℃以下剧烈进行,在600-700℃基本结束。固定碳含量的变化基本上与挥发分相对应,在炭化反应结束的700℃以上基本不会再增加。

灰分是活性炭原料选择方面的一个重要指标。原料中的无机成分在炭化过程中几乎不减少而最后残留于木炭中。原料中的灰分含量即使只有1%,活性炭的灰分含量也可能达到10%,甚至更高。由于灰分不具有吸附能力,因此活性炭吸附能力与其灰分含量成反比,即活性炭灰分含量越高,其吸附能力相对越低。所以在活性炭的选择过程找那个,尽量选择其灰分含量低的产品。

(2)元素分析

活性炭的元素组成通常可通过元素分析装置进行测定(见表1-6)。活性炭的元素组成90%以上是碳,这就很大程度上决定活性炭是疏水性吸附剂。氧元素的含量一般为百分之几,其一部分存在与灰分中,另一部分在碳的表面以羧基之类的表面官能团形式存在。由于这部分氧元素的存在,使活性炭具有一定的亲水性,而并非是完全的疏水性。因其亲水性的存在,使得其能够将孔隙内的空气置换为水,进而吸附溶解于水中的有机物,使活性炭用于水处理成为可能。

表1-6  几种活性炭的元素组成

活性炭 碳的含量/% 氢的含量/% 硫的含量/% 氧的含量/% 灰分的含量/%
水蒸气法活性炭A 93.31 0.93 0.00 3.25 2.51
水蒸气法活性炭B 91.12 0.68 0.02 4.48 3.70
水蒸气法活性炭C 90.88 1.55 0.00 6.27 1.30
水蒸气法活性炭D 93.88 1.71 0.00 4.37 0.05
水蒸气法活性炭E 92.20 1.66 1.21(a) 5.61 0.04

氮与硫的含量,在植物类原料的场合通常非常少。原料中含有的蛋白质以及硫化物,在炭化及活化过程中,大部分会挥发掉,有时会有微量的残留。残存的微量氮原子,有时能够提高活性炭的催化性能。

活性炭中的灰分含量,由于原料和制备过程的不同,而又显著的差异。一般木质类活性炭灰分的含量较少(一般<5%)。当原料灰分含量较大时,需要对原料进行脱灰处理以后再生产活性炭。

(3)有害物质

活性炭中的微量杂质必须尽量加以控制。活性炭中存在的最重要的杂质是砷。砷存在与自然界,使用椰子壳以及木质类原料时必须注意。土壤中的砷浓度太大,导致原料中的砷浓度也增大,而用这些原料生产的活性炭中砷的浓度就会超标。所以,生产活性炭时对于砷要严格地进行控制。同时,对于使用各种废弃物为原料生产活性炭,需要先进行检测此原料是否受到重金属的污染。

2.表面氧化物

(1)表面官能团

碳材料的主要成分是碳,其本身是没有极性的,呈疏水性。但是,随着生产过程以及使用环境的不同,碳材料表面性质会发生变化。炭材料表面易被氧气、水等氧化剂氧化,从而或多或少地生成了表面官能团。这些官能团的生成会使炭材料的界面化学性能产生多样性。

通过有机化学的方法可以测定炭材料中的官能团。一般认为,炭材料中的官能团主要有羧基、内酯型羧基、酚羟基和羰基,如图1-4所示。

活性炭表面含氧官能团

活性炭表面还有可能还有含氮官能团。它一般来源于利用含氮原料的制备工艺过程和活性炭与人为引入的含氮试剂的化学反应。经测定,目前含氮官能团主要有五种,如图1-5所示。

活性炭表面含氮官能团

(2)含氧官能团的测定方法

在称量瓶中加入试样约0.1g,在110℃下真空干燥2h以后,测定其质量(Wa)。将试样放入100ml锥形瓶中,测定空称量瓶的质量(Wb),在该锥形瓶中加入50ml浓度为0.1mol/L的氢氧化钠水溶液,于25℃下振荡48h,同时进行仅有50ml浓度为0.1mol/L的氢氧化钠的空白试验。此后,过滤并且取滤液20mL,加入几滴甲基橙指示剂,用浓度为0.1mol/L的盐酸水溶液进行滴定。表面官能团的含量可由下式计算:

表面官能团量(mmol/g)=0.1f(Tb-T)×50/20/W

式中,Tb为空白试验中,0.1mol/L的盐酸水溶液的滴定量,ml;T为0.1mol/L的盐酸水溶液的滴定量,ml;W为试验质量(Wa-Wb),g;f为0.1mol/L盐酸水溶液的修正系数。

同样,用0.05mol/L的碳酸水溶液、0.1mol/L的碳酸氢钠水溶液滴定,用上式也可求得表面酸性官能团数量。从它们的差额可以计算出羧基、弱酸、酚羟基的比例。

目前,对于含氧管能团的表征还可以用Boehm滴定法。Boehm滴定法是由H.P.Boehm提出的对活性炭含氧官能团的分析方法,根据不同强度的碱与不同的表面含氧官能团反应进行定性与定量分析。一般认为碳酸氢钠中和羧基,碳酸钠中和羧基与内酯基,氢氧化钠中和羧基、内酯类和酚羟基,乙醇钠中和羧基、内酯基、酚羟基和羰基。根据消耗碱的量可以计算出相应含氧官能团的含量。Boehm滴定法是目前最简便常用的活性炭表面化学分析方法。

二、功能

由于表面存在化学官能团、表面杂原子以及化合物,这些决定了活性炭的表面化学性质,而表面化学性质对于活性炭的吸附性能起到很重要的影响。不同的表面官能团、杂原子、化合物对不同的吸附质有明显的吸附差别,所以研究活性炭的表面官能团,对其使用功能有很大的帮助。

活性炭属于非极性吸附剂,由于它的疏水性,在水溶液中只能吸附各种非极性有机物质,但是不具有吸附极性溶质的功能。通过表面官能团的引入和改性,使其具有更丰富的吸附特征。一般来说,活性炭表面含氧官能团中酸性化合物容易吸收极性化合物,而碱性化合物则易吸附极性较弱或非极性物质。

通过表面官能团的改性,改变其对吸附质的吸附性能,增加其表面官能团的极性,可以增加其对极性物质的吸附能力。相应地增加活性炭表面的非极性,其对非极性物质的吸附能力也得到增加。所以通过改变活性炭的表面化学性质,可以使其具有更强大、更全面的吸附功能。

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