活性炭的应用技术
2018-01-29 17:27:53   来源:

活性炭应用涉及到大部分行业,比如电力、化工、国防、环保、航天等科学领域以及日常生活。开拓活性炭应用,是发展活性炭工业的先导。因此,研究活性炭性质与应用以及开拓活性炭新的应用领域对于活性炭的发展来说显得至关重要。

1 气相吸附应用

在温和的条件下,通过将活性炭与储氢材料复合得到的材料可以用来进行氢气和天然气的储存。比如,采用变压吸附工艺,高比表面积活性炭在 1.0 MPa 以下将氢气回收;由于城市天然气用量有着明显的时间差异,所以要对天然气管网进行调峰,利用活性炭填充的吸附罐进行调峰,不仅可以实现下游调峰还能极大地降低成本。美国、德国等国家利用活性炭的饱和吸附特性成功开发出新型的植物, 并且已被用于制造透气式的防护服和消毒衣等。

( 1)即效性空气净化滤器用炭

气密性是现代建筑楼宇的一种重要衡量指标,对于降噪、节约能源有着重要的作用。但是也同时带来了严重的化学污染,是现代人过敏、气喘以及发生免疫性疾病的一个重要因素。于是,能够应用于室内空间的空气净化器需求将加大。空气净化器,需要能够达到净化空气的目的,但是自身更换以及维护要方便。这就要求作为净化主体的活性炭材料能够压力损失较小并且吸附速度快,还需要根据不同使用场合具备某些特殊的吸附性能。常见的空气净化器有固定型过滤薄板,该薄板主要是讲活性炭粘结于具有透气性能的发泡材料或者是网类支撑体系上。此类薄板,厚度可达到 2~20 nm,根据使用的目的活性炭含量在 15 %~80 %之间变化。

( 2)电厂排烟脱硫用负载型活性炭

石油和煤这些化石能源的大量使用已经引起了严重的流污染,这也成为了全球大气污染的重要部分,采用脱硫技术控制流污染成为了一种有效的手段。活性炭负载金属离子进行脱硫是脱硫的发展趋势,是将金属离子通过络合或者是交换作用负载于木质原料和煤表面,之后对原料进行炭化和活化。除此之外,还可以将活性炭浸碳酸钠改性,此类改性活性炭对 H2S 选择吸附性较好。

( 3)油汽回收专用活性炭

燃油、油气挥发物是构成空气污染的重要来源之一,有研究表面,该类污染物造成的污染是汽车总污染的三分之一,占尾气污染的三分之二。美国、荷兰等开发了特种油气活性炭,这对于城市环境治理和回收汽油具有重要的作用。北京某炼油厂通过安装回收率为 0.24 %的活性炭油气回收装置, 2006 年回收汽油约 288 吨, 直接经济收益 150万元,效益可观。在当今能源日趋紧张和环境排放要求严格的情况下,活性炭回收油气更具经济和社会意义。

( 4) 活性炭吸附解吸高档溶剂回收系统

活性炭用作吸附剂时,具有吸附性能好、 选择吸附性强、流体阻力小以及成本较低的特点,并且吸附饱和的活性炭经过再生还可以重复使用,在用于吸附高档溶剂回收系统中,优势更加明显。

( 5)空气分离富氧用活性炭

如何将氧气从空气中分离出来是化学工业的一个主要的问题,传统的分离方法是采用低温精馏来生产 99.9 %纯度的氧气。通过采用活性炭进行吸附分离氧气,目前尚处于研究阶段。研究表明,通过化学蒸汽沉积法来调节活性炭的孔径,制成孔径分布集中且 均匀的碳分子筛,经由变压、变温吸附-解吸装置,可以分离空气中的氧气、氮气,得到高纯度的气体。

2 液相吸附应用

活性炭在液相吸附中应用广泛,主要有食品、环保、制药、化学等,其中应用于水处理方面是活性炭最广泛的应用领域。美国环保署(USEPA)对饮用水的标准进行的 64 项有机物污染指标中,将颗粒活性炭(GAC)视为最有效技术多达 51 项。所以,可以预测活性炭应用于水处理将成为活性炭应用的一个重要的领域。

( 1) 移动式水处理系统

小型化、便捷化是活性炭水处理系统的方向发展。 Calgon 公司研发了一种饮用水处理设备—Cyclesorb & reg HP,该设备结构紧凑、全不锈钢制作,装近 1 t 的粒状活性炭,最大处理流量可达 0.27 m3/min。卡尔冈炭素公司负责该设备使用后的安全再生,并用新的设备替换使用饱和的设备。

( 2)柠檬酸脱色精制

发酵法生产柠檬酸,活性炭的作用是除去胶质、蛋白质和脱色。柠檬酸液中的色素有称为罗维邦红色素和黄色素,活性炭很易除去其中的红色素,而对除去黄色素却较困难。因此,当使用市售普通活性炭时,经脱色处理后的柠檬酸往往残留有黄色素而影响结晶色品。近年国内有研究成功能易于去除黄色素的专用活性炭。但当将柠檬酸制成柠檬酸钠时,则应选用另外的专用活性炭处理。

( 3) 重油的脱色除臭

重油、柴油因氧化变色影响了其商业价值,通过活性炭脱色后其燃油色度可以达到国家标准,在脱色的同时可以去除部分胶质。活性炭处理还可以脱去油品的恶臭味,使硫含量达到国家标准。对于重油粘度较大的这一问题,可以通过活性炭的脱除作用,改善重油的粘度和色度,提高其价值。

( 4)金属离子的吸附

重金属回收用活性炭售价高、销量好。 Norit 公司的重金属回收用活性炭,通过采用催化-活化制备技术,制备得到的高档贵金属回收用活性炭具有发达微孔、高强度、高堆积密度、 吸/脱附速度快的特点, 对于溶液中的无机重金属离子具有一定的选择吸附性能,尤其是对于 Pd2+、 Ag+、 CrO4-、 Cd2+等离子可达 85 %以上的吸附率。

3 临床医疗应用

( 1)活性炭作为口服紧急解毒药

活性炭由于其吸附性能,可以用作口服紧急解毒药。日本,采用球状活性炭制备的口服活性炭(直径 0.2 mm~0.3 mm)用于实验犬的肝脏和肾脏辅助治疗,明显延长了其寿命;芬兰中毒患者治疗调查显示,口服活性炭对甲醇和乙醇中毒具有良好的治疗效果;俄罗斯,活性炭已经被允许用于儿童的腹泻治疗以及中毒等临床的治疗中。

( 2) 血液进化用活性炭

活性炭作为血液净化吸附剂吸附选择性较低,为了完善活性炭在临床上的应用,通过对活性炭的成型技术、使用方式等的研究来改善活性炭在临床应用的效果,并取得一定的进展,得到了高分子材料包膜的活性炭、含碳纤维以及碳纤维织物等医用的活性炭吸附剂。其中,血液灌流用球状活性炭通过了临床试验, 该活性炭可以吸附引起肾脏障碍的物质并将其排出体内来减慢体内毒物累积的速度。

( 3)癌症治疗用活性炭

活性炭用来吸附不同的抗癌药物达到药物的功能性缓释,如丝裂霉素、博莱霉素等,并经动物实验验证其毒性远小于抗癌药物的水溶液剂型。通过活性炭吸附抗癌药物,利用其淋巴趋向性定向分布于淋巴结周围,使其高浓度维持较长时间;还能利用活性炭的淋巴结染黑作用,指导清除手术,彻底的将转移淋巴结清除。在美国,活性炭已辅助进行恶性肿瘤的手术和介入治疗。目前的研究重点是活性炭颗粒大小与转运要求的适配以及药物剂型和计量的控制方面,从而开辟治疗新技术。

4 作为催化剂和催化剂载体的应用

结晶的缺陷产生活性中心,活性中心的存在是催化剂具备催化活性的首要条件。活性炭不饱和键的存在,从某种意义上可以视作结晶缺陷。所以,活性炭可以作为催化剂,例如在硫化氢的氧化、烟道气脱硫、光气的合成、酯的水解、氯化硫酰的合成以及在工业上氯化二氰的合成、电池中氧的去极化作用等方面,尤其是氧化还原反应。并且由于活性炭具有很大的比表面积,可以用作催化剂载体,提供负载和反应中心。

( 1)负载TiO2

在目前室内空气污染问题比较突出的情况下,光催化氧化降解污染物成为了研究热点。 TiO2 由于具有光催化活性高、无毒无害、稳定性好、无二次污染等优点,得到了深入的研究。将 TiO2 负载于活性炭上进行光催化反应,利用活性炭物理吸附与催化剂化学降解的协同效应,可以有效的增强其光催化活性,提高降解效率。

( 2) 负载ZnO

纳米 ZnO 可以作为作为强氧化剂在光诱导下使 VOCs 发生变化,从而达到降解的效果。实验表明,将 ZnO 负载于活性炭进行降解甲苯研究,甲苯被部分光催化降解。

( 3)其它新用途

活性炭一些特殊性质为我们开发其新的应用领域带来了极大的可能。比如: 1)比表面积大的活性炭通过表面处理,可获得与锂离子电池具有相同大容量的蓄电能力,可用于燃料电池和主电源。 2)活性炭在农业方面可用作土壤改良剂;也可通过种子包炭来改善其性能;用作花卉保鲜剂以及家禽饲料的添加剂等。 3)用于真空技术中的残余痕量气体的吸附。 4)用于储存氢气、天然气等能源气体,在 2 MP 的压力下的储存量相当于 20MP 高压下的储存量,大大降低储罐的压力,提高安全性。

 

 

 

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