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活性炭吸附法

2020-07-24 23:06

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  活性炭吸附技术在国内用于医药、化工和食品等工业的精制和脱色已有多年历史。70年代开始用于工业废水处理。活性炭吸附法已逐步成为工业废水二级或三级处理的主要方法之一。

  吸附是一种物质附着在另一种物质表面上的缓慢作用过程。吸附是一种界面现象

  ,其与表面张力表面能的变化有关。引起吸附的推动能力有两种,一种是溶剂水对疏水物质的排斥力,另一种是固体对溶质的亲和吸引力。废水处理中的吸附,多数是这两种力综合作用的结果。活性炭的比表面积和孔隙结构直接影响其吸附能力,在选择活性炭时,应根据废水的水质通过试验确定。对印染废水宜选择过渡孔发达的炭种。此外,灰分也有影响,灰分愈小,吸附性能愈好;吸附质分子的大小与炭孔隙直径愈接近,愈容易被吸附;吸附质浓度对活性炭吸附量也有影响。在一定浓度范围内,吸附量是随吸附质浓度的增大而增加的。另外,水温和pH值也有影响。吸附量随水温的升高而减少,随pH值的降低而增大。故低水温、低pH值有利于活性炭的吸附。

  吸附是指液体或气体附着集中于固体表面的作用,一般的活性炭都能发生这种作用。吸附与吸收不同,吸收是指让液体或气体进入固体的内部的原子结构中,但活性碳并不具备这样的能力,它的吸附作用只是一个表面现象,所以只发生于它的表面。

  吸附作用的形成,主要来自伦敦色散力,这也是另一种凡得瓦力的表现形式。此种力普遍存在于不具有永久性偶极矩的分子之间,它是一种自然的吸引力。只要分子足够靠近,都会很自然产生这种作用力。凡是能利用此种力把物质吸住的作用,我们称为物理吸附。此种作用力与温度无关,因此不受温度之影响。

  伦敦分散力必须在炭表面与被吸附分子之间达到作用的距离之后才会发生,该力的大小涉及被吸附分子中所有相关原子与活性炭表面碳原子密切接触的程度。如果接触的程度越高,则该力越大,同时活性炭对该分子的吸附能力也越强。

  (3)第三阶段,从20世纪中期到20世纪末期为发展阶段,发展成为环保大应用阶段。

  第一件大事使活性炭防毒面具,在20世纪20年代在第一次世界大战中的应用。可以次作为划分活性炭应用历史的第一阶段和第二阶段的界限。

  活性炭在初期主要应用使粉炭在糖业中逐步代替了原来的骨炭。在20世纪20年代的第一次世界大战中出现的颗粒大量应用于防毒面具。这是工业化学史辉煌的一页。当时荷兰的Norit和捷克斯洛伐克、德国=法国=瑞士等国的制造商和批发商曾成立一个联合公司,说明在欧洲萌芽的活性炭也是广为看好的新兴产业。

  (1)第一阶段使20世纪40年代以前,我国制药工业、化学工业中使用活性炭量大,都用进口货,例如用Carboraffin牌的活性炭。

  (2)第二阶段自20世纪50年代初开始,国产活性炭上市。1951年沈阳和抚顺的单管炉厂、青岛的反射炉闷烧法厂、上好的电热活化法厂,接着有氯化锌活化法厂,1958年福建、杭州、广州、烟台、东北等地纷纷建厂,1966年太原开创斯列普活化法厂,随后我国陆续开设数以百计的斯列普炉厂。此外,还有不少的转炉、粑式炉等工厂。总生产能力从1951年的三五十吨猛增到20世纪80年代的近十万吨。

  (3)生产与应用相互促进,活性炭的应用范围被迅速开拓。从原来单一的通用炭向多种的专用炭发展,例如净水炭、糖炭、味精炭、油脂炭、黄金炭、载体炭、药用炭、针剂炭、试剂炭等等,足见活性炭因国内经济蒸蒸日上而应用量速增,又因产量扩大、成本降低而使出口量上升。我国活性炭的应用,不仅在国内市场发展,而且进入了国际市场。

  活性炭是一种很细小的炭粒 有很大的表面积,而且炭粒中还有更细小的孔——毛细管。这种毛细管具有很强的吸附能力,由于炭粒的表面积很大,所以能与气体(杂质)充分接触。当这些气体(杂质)碰到毛细管被吸附,起净化作用。活性炭的表面积研究是非常重要的,活性炭的比表面积检测数据只有采用BET方法检测出来的结果才是真实可靠的,国内外比表面积测试统一采用多点BET法,国内外制定出来的比表面积测定标准都是以BET测试方法为基础的,请参看我国国家标准(GB/T 19587-2004)-气体吸附BET原理测定固态物质比表面积的方法。比表面积检测其实是比较耗费时间的工作,由于样品吸附能力的不同,有些样品的测试可能需要耗费一整天的时间,如果测试过程没有实现完全自动化,那测试人员就时刻都不能离开,并且要高度集中,观察仪表盘,操控旋钮,稍不留神就会导致测试过程的失败,这会浪费测试人员很多的宝贵时间。F-Sorb 2400比表面积测试仪是真正能够实现BET法检测功能的仪器(兼备直接对比法),更重要的F-Sorb 2400比表面积测试仪是迄今为止国内唯一完全自动化智能化的比表面积检测设备,其测试结果与国际一致性很高,稳定性也很好,同时减少人为误差,提高测试结果精确性。

  活性炭的比表面积越大,吸附能力就越强; 活性炭是非极性分子,易于吸附非极性或极性很低的吸附质;活性炭吸附剂颗粒的大小,细孔的构造和分布情况以及表面化学性质等对吸附也有很大的影响。

  取决于其溶解度、表面自由能、极性、吸附质分子的大小和不饱和度、附质的浓度等

  PH值会对吸附质在水中存在的状态及溶解度等产生影响,从而影响吸附效果。

  共存多种吸附质时,活性炭对某种吸附质的吸附能力比只含该种吸附质时的吸附能力差

  应保证活性炭与吸附质有一定的接触时间,使吸附接衡,充分利用吸附能力。

  活性炭的吸附除了物理吸附,还有化学吸附。活性炭的吸附性既取决于孔隙结构,又取决于化学组成。

  如何客观地评价活性炭的优劣?根据活性炭处理对象和应用于不同的工艺情况,确定是选用煤质活性炭还是木质活性炭,是选用颗粒活性炭还是粉末活性炭,并收集活性炭基本资料,如碘值、亚甲蓝、强度、孔隙率、漂浮率、灰分、粒度、水分、堆重等。除了《净水用煤质颗粒活性炭》GB/T7701.4-1997国家标准的部分指标值,此外还应收集企业的经营状况,如年产量、年产值、企业规模、经营管理水平、生产工艺、工程业绩等,在价格适中的同时考虑货源充足,来源方便,进行初步评价。

  在活性炭评价体系中应纳入以下活性炭评价指标:碘值(碘值越大,炭粒越多,强度越低。很多研究结果表明,碘值与出水水质并没有必然的联系)、亚甲蓝吸附值、丹宁酸吸附值、腐殖酸吸附值、强度、有效粒径、均匀系数、灰分、水分、漂浮物、比表面积、孔容积、pH值、堆重,以确定活性炭吸附性能和理化性能的优劣。

  活性炭吸附容量主要是以Freundrich方程作为评价依据:在Freundrich吸附等公式中,k值是表征活性炭吸附容量的一个参数,k值越大,吸附容量越大。1/n是吸附容量指数,反映随着浓度的增加,活性炭吸附容量增加的速度,1/n越高则在高浓度时吸附容量越大,而在低浓度时吸附容量显著降低,如果1/n越小则从低浓度到高浓度都比较容易吸附。活性炭用于给水处理,有机物浓度偏低,因此1/n不宜过大,且当1/n2的活性炭,物质则难于被吸附。

  活性炭动态过滤试验是选择饮用水用活性炭的重要依据之一。活性炭动态过滤试验充分结合了当地原水水质特征,进行活性炭对有机物去除效果比较,是较为科学的一种方式。我们可以根据活性炭过滤吸附试验计算出单位质量活性炭的动态吸附容量、活性炭处理水量倍数、活性炭穿透时间、水头损失、反冲频率等。

  根据活性炭动态过滤试验结果与不同活性炭性能指标的相关性,对活性炭不同性能指标与对应的相关系数进行加权计算,并建立综合评价指标体系,建立自来水用煤质颗粒活性炭技术通用规范,现行自来水公司也进行了大量的研究工作。

  在活性炭评价体系中,还应纳入投资经济成本、运行费用、活性炭再生得率、活性炭企业的技术实力、经营状况、管理水平等参数。

  在油库,当油罐车装载汽油的时候,原来空油罐里的油气和空气与装载的液态产品挥发的油气相混合,这种混合气体被装载入油罐的产品所代替。随着液体注满空的油罐车,液体把空气和油气从油罐顶部挤出,通过一根油气软管进入集汽管道系统。油气通过集汽管道系统流入一个汽液分离器。该汽液分离器能从油气中分离出液态汽油,还能用泵抽回油罐。之后完全不带液体的油气流入油气回收系统。

  进入油气回收系统之后,油气进入两个吸附塔中的一个。每个吸附塔都装满了特殊的活性炭。空气-油气混合气体中的碳氢化合物被吸到活性炭粒子表面,并在大气条件下停留在那里。混合气体中的空气成分不受活性炭的影响,通过活性炭之后进入大气,中间不再掺杂碳氢化合物。在吸附过程中,特殊的活性炭利用表面动能的动力吸引碳氢化合物, 油气回收装置使用的特殊活性炭,它有很大的表面吸收面积。这么大的表面面积使每公斤活性炭可吸附多达0.5公斤碳氢化合物。

  当空气-碳氢化合物混合气体通过巨大的吸收表面之后,碳氢化合物被吸引到活性炭表面,并停留在这里直到出现更大的反向力。这种吸引的现象叫做“吸附”。