微波技術(shù)制備活性炭的方法

1 活性炭的特性

1.1 活性炭的特性

活性炭屬不定型物質(zhì)，是疏水性非極性吸附劑，能選擇性地吸附非極性物質(zhì)，吸附力大?？讖酱笮〔煌目紫?，能吸附分子大小不同的物質(zhì)。此外，由于其表面和表面化合物以及灰分等的作用，活性炭具有良好的催化活性?；钚蕴恐阅艿靡詮V泛使用也歸功于其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。它能耐酸、耐堿、耐高溫，不溶于水和其它溶劑，能在水溶液和許多溶劑中使用?；钚蕴康牧硪惶匦允撬?jīng)使用失效后，可用各種方法再生，可多次利用。

1.2 活性炭的質(zhì)量指標(biāo)與應(yīng)用

活性炭的質(zhì)量有多項(xiàng)物理與化學(xué)指標(biāo),主要的如：水分、灰分、酸溶物、各種金屬和酸根的含量，以及它的吸附性能等。對(duì)于不同用途的活性炭，時(shí)常用不同的物質(zhì)和方法來(lái)檢驗(yàn)它的吸附性能，通常有亞甲基藍(lán)吸附值、碘吸附值、焦糖吸附值、硫酸奎寧吸附值、苯酚值等。其中亞甲基藍(lán)吸附值是最常用的，對(duì)它的吸附量反映了活性炭吸附小分子物質(zhì)的能力，具有大量微孔的活性炭，此值較高。根據(jù)活性炭的吸附特點(diǎn)，活性炭主要用于除去水中的污染物、脫色、過(guò)濾凈化液體、氣體,還用于對(duì)空氣的凈化處理、廢氣回收（如在化工行業(yè)里對(duì)氣體苯的回收）、貴重金屬的回收及提煉（比如對(duì)黃金的吸收）。近年來(lái)，在醫(yī)藥行業(yè)中也有所利用，隨著科學(xué)的發(fā)展，隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視，活性炭的用途也越來(lái)越廣泛。

2 活性炭的國(guó)內(nèi)外需求現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外活性炭的生產(chǎn)與應(yīng)用都比較晚。歐美在20世紀(jì)初開(kāi)始發(fā)展活性炭的生產(chǎn)。我國(guó)的活性炭工業(yè)在20世紀(jì)50年代才真正建立起來(lái)，在70年代有較大的發(fā)展。目前，世界活性炭的年產(chǎn)量約6.5×105T左右。1997年美洲（巴西、墨西哥、美國(guó)）為2.359×105T，歐洲（比利時(shí)、法國(guó)、英國(guó)、荷蘭）達(dá)1.124×l05T，亞洲【中國(guó)（包括臺(tái)灣）、印度、印尼、日本、南朝鮮、馬來(lái)西亞、菲律賓、斯里蘭卡、泰國(guó)】計(jì)3.01×105T。1997年中國(guó)活性炭生產(chǎn)總量達(dá)1.2×105T以上，占世界年產(chǎn)量的l5%。據(jù)有關(guān)信息資料報(bào)道，1998年中國(guó)出口量為1.004×105T，出口額達(dá)6.04億美元；2000年中國(guó)活性炭出口量高達(dá)1.192×105T，出口額高達(dá)6.85億美元。在進(jìn)口數(shù)量上，1999年活性炭進(jìn)口量為1904.5萬(wàn)T，進(jìn)口額達(dá)558.2萬(wàn)美元；2001年活性炭進(jìn)口量增加為2567.3萬(wàn)T。進(jìn)口額為727.1萬(wàn)美元。從這些數(shù)據(jù)可以看出，2l世紀(jì)中國(guó)的活性炭行業(yè)仍然具有廣闊的發(fā)展前景。但是，國(guó)內(nèi)的活性炭工業(yè)必須注重研究活性炭的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)，加強(qiáng)新技術(shù)開(kāi)發(fā)，促進(jìn)整個(gè)活性炭行業(yè)的良好發(fā)展。

3 活性炭制備原料與傳統(tǒng)制備方法

3.1 活性炭的制備原料

用于活性炭生產(chǎn)的主要原材料可分為以下5大類(lèi)：a、植物性原料，如木材、鋸末、果核、果殼、棉花秸、糠醛渣、蔗糖渣等；b、礦物原料，如各種煤和石油殘?jiān)?；c、各種廢棄物，如動(dòng)物的骨頭和血，工業(yè)上廢舊塑料、各種橡膠廢品等；d、合成纖維材料，如聚丙烯等；e、有機(jī)纖維材料，如聚丙烯腈纖維、粘膠絲、瀝青纖維等。根據(jù)生產(chǎn)所用的材質(zhì)，目前國(guó)內(nèi)主要的活性炭品種有木質(zhì)活性炭、煤質(zhì)活性炭、果殼活性炭和活性炭纖維等。

3.2 活性炭的傳統(tǒng)制備方法

國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的活性炭制備方法有氣體活化法，化學(xué)活化法，化學(xué)物理法：氣體活化法是把原料炭化后，用水蒸氣、二氧化碳、空氣、煙道氣等，在800～900℃下進(jìn)行活化的方法?；钚蕴康寐瘦^低，質(zhì)量不穩(wěn)定，比表面積較低，活化溫度高，設(shè)備投資大，但對(duì)環(huán)境無(wú)污染；化學(xué)活化法是把化學(xué)藥品加入原料中，然后在惰性氣體中加熱，同時(shí)進(jìn)行炭化和活化的一種方法。這種方法對(duì)設(shè)備腐蝕性較大，污染環(huán)境，殘留物較多；化學(xué)物理法在活性炭原料中加入一定量的化學(xué)藥品（即添加劑）進(jìn)行化學(xué)活化浸漬處理，在碳材料內(nèi)部形成傳輸?shù)?，有利于氣體活化劑進(jìn)入孔隙內(nèi)進(jìn)行刻蝕。這種方法優(yōu)點(diǎn)是：可通過(guò)控制浸漬比和浸漬時(shí)間來(lái)制得孔徑分布合理的活性炭，比表面積大，且得率高。

4 微波法制備活性炭

微波具有快速、高效、資源回收利用率高、不會(huì)造成二次污染、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)。因此微波法制備活性炭成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外許多研究者嘗試用微波制備活性炭并取得了可喜成績(jī)，如Kasai、Takakazu等將有機(jī)成型廢料用微波加熱，炭化，活化制得優(yōu)質(zhì)活性炭。彭金輝等用蠶豆稈，稻稈，黑型樹(shù)皮拷膠廢料，瓜子殼，麥秸，玉米，蠶豆殼，甘蔗渣，楊梅樹(shù)皮廢料，煙稈，松木屑，椰殼為原料，微波制備活性炭。樊希安等采用微波輻射竹節(jié)、椰殼、棉稈，利用磷酸、水蒸氣、氯化鋅為活化劑制得優(yōu)質(zhì)活性炭。張利波等采用微波輻射煙稈法制得了性能各異的活性炭。

4.1 微波加熱的原理

微波頻率大約在300MHZ～300GHZ，即波長(zhǎng)100cm至1mm范圍內(nèi)的電磁波。微波加熱的原理基于當(dāng)微波遇到不同材料時(shí)，依材料的性質(zhì)不同會(huì)發(fā)生反射、吸收、穿透現(xiàn)象，這取決于材料的介電常數(shù)、介電損耗系數(shù)、比熱、形狀和含水量等。一般來(lái)說(shuō)介質(zhì)在微波場(chǎng)中加熱有兩種機(jī)理，即離子傳導(dǎo)機(jī)理和偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理，在實(shí)際加熱中，兩種機(jī)理的微波能耗散同時(shí)存在。傳統(tǒng)加熱是由外部熱源通過(guò)熱輻射由表及里的傳導(dǎo)加熱，與之相比，微波加熱具有如下特點(diǎn)：選擇性加熱，加熱速度快，熱效率高，便于控制,易于自動(dòng)化控制。

4.2 微波技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用

微波技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的幾種應(yīng)用：含油污泥微波脫油技術(shù)；原油淤泥微波脫油技術(shù)；微波碳還原——煙氣脫硫脫硝技術(shù)；微波焚燒法處理廢電路板回收貴金屬技術(shù)；微波——氯化鋅法制取鋸末活性炭處理含鉻廢水；微波法制取原油泄漏處理用高吸油性復(fù)合體技術(shù)；防電磁波輻射污染用微波吸收劑的制取技術(shù)。

4.3 微波法制備活性炭的影響因素

在活性炭的制備中，原料不同，成品功效也不同。其中椰殼活性炭是活性炭行業(yè)公認(rèn)的最好的一種活性炭，不論是吸附速度、吸附能力、強(qiáng)度等各項(xiàng)指標(biāo)以及按照水處理工藝不同可選擇不同材質(zhì)的活性炭產(chǎn)品。微波法制備活性炭的影響因素有：微波功率、輻照時(shí)間、活化劑濃度、浸漬比、pH值等。

4.3.1 微波功率的影響

取充分浸漬濾干后污泥原料于石英管中，固定微波輻照時(shí)間4min，氯化鋅濃度35%，干污泥與氯化鋅比重1:3.0，改變微波功率。當(dāng)功率較低時(shí)，加熱溫度沒(méi)有達(dá)到炭化活化的溫度，所以此時(shí)吸附性能較差；當(dāng)功率持續(xù)增大，溫度過(guò)高時(shí)，由于氯化鋅的蒸氣壓高，藥劑損失嚴(yán)重，從而實(shí)際發(fā)揮作用的氯化鋅減少反而導(dǎo)致吸附劑性能下降。

4.3.2 輻照時(shí)間的影響

取充分浸漬濾干后的污泥原料置于石英剝離管中，固定在微波爐腔體中，在微波功率為595W，活化劑氯化鋅的濃度為35%，干污泥與氯化鋅溶液的重量比為1:3.0的條件下，改變輻射時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，吸附劑的碘值與亞甲基藍(lán)吸附值隨微波時(shí)間的變化表現(xiàn)了相似的變化規(guī)律，分析其原因，主要是因?yàn)榛罨瘯r(shí)間長(zhǎng)短與微波活化速率快的影響，輻射時(shí)間太短炭化不充分，輻射時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致部分孔徑燒結(jié)。

4.3.3 活化劑濃度的影響

經(jīng)不同濃度氯化鋅溶液充分浸漬濾干后的污泥原料，放入石英管中，固定在微波腔體中，在微波功率595W，輻照時(shí)間4min，干污泥與氯化鋅的中重量比為1:3.0的條件下實(shí)驗(yàn)，研究不同濃度活化劑濃度對(duì)所制備含炭吸附劑的吸附性能的影響。一般來(lái)講，活化劑濃度越高，脫水縮合作用就越大，最終得到的吸附劑多孔結(jié)構(gòu)也越發(fā)達(dá)，吸附性能就越好。另一方面，氯化鋅是強(qiáng)吸附物質(zhì)，若濃度太高，則加強(qiáng)了物料的吸附能力，從而使活化溫度升高，使碳成分含量下降，灰分含量增加。此外，氯化鋅晶體將堵塞部分大孔，在洗滌過(guò)程中得不到充分去除，從而使吸附劑的比表面積和吸附能力下降。

4.3.4 浸漬比的影響

將不同重量的40%的氯化鋅溶液充分浸漬濾干后的污泥原料放入石英管中，固定在微波腔體中，在595W微波功率下輻照4min。干污泥與氯化鋅溶液的重量比越大，活化劑溶液可使顆粒污泥得到充分的浸潤(rùn)，氯化鋅在熱解過(guò)程中的作用得到充分發(fā)揮，所得到的吸附劑性能越好。但過(guò)多的氯化鋅溶液浸漬會(huì)使熱解原料中水分的含量過(guò)高，需較長(zhǎng)升溫時(shí)間以及造成氯化鋅的浪費(fèi)。

4.3.5 其他影響因素

在微波制備活性炭的實(shí)驗(yàn)中影響因素還有浸泡時(shí)間，一般來(lái)說(shuō)浸泡時(shí)間越久，其浸漬的程度就越充分，但時(shí)間超過(guò)一定程度，吸附效果反而下降。這是因?yàn)榻n時(shí)間和氯化鋅濃度直接影響氯化鋅在污泥上的吸著量，從而影響了產(chǎn)品的性能和得率的高低。開(kāi)始用氯化鋅溶液浸漬時(shí)，原料含水率很低，使得氯化鋅溶液得以迅速把原料潤(rùn)脹，并在開(kāi)始的一段時(shí)間里，隨著浸漬時(shí)間的延長(zhǎng)，原料中氯化鋅吸著量迅速增加，但當(dāng)吸著量達(dá)到一定程度后，隨著浸漬時(shí)間的延長(zhǎng)，原料吸附氯化鋅的速度變慢。在干污泥制備活性炭中此因素影響不大，但在植物性原料制備活性炭中浸漬時(shí)間的影響效果就比較顯著。此外，活化劑不同，其功效也相應(yīng)不同，張利波等采用微波輻射煙稈制得了性能各異的活性炭，所用活化劑有水蒸汽、磷酸、氯化鋅、氫氧化鉀、硫酸等。

5 小結(jié)

微波法制備活性炭為活性炭的制備開(kāi)辟了一條新的途徑，微波法具有加熱快、熱效率高、便于控制、設(shè)備體積小、污染小等優(yōu)點(diǎn)，此外制備出來(lái)的活性炭吸附性能優(yōu)良。但也有不足之處，微波泄漏會(huì)對(duì)人體和周?chē)h(huán)境造成危害，應(yīng)合理設(shè)計(jì)微波反應(yīng)腔并考慮適當(dāng)使用微波吸收材料。微波相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究還相對(duì)缺乏，如微波對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響機(jī)理、物質(zhì)在微波場(chǎng)中的升溫特性、微波場(chǎng)中的溫度分布等，只有解決了這些問(wèn)題，微波技術(shù)才可能得到大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。

●微波加熱原理       http://www.gbattery.cn/yingyong-neiye-17.html

●微波殺菌原理       http://www.gbattery.cn/yingyong-neiye-18.html

●微波設(shè)備定做流程   http://www.gbattery.cn/yingyong-neiye-19.html