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活性炭概述及应用

发布日期:2018/10/22 11:24:10

【背景及概述】[1][2]

活性炭是一种黑色粉状,粒状或丸状的无定形具有多孔的碳,也具有石墨那样的精细结构,只是晶粒较小,层层间不规则堆积。

活性炭具有较大的表面积(500~1000m2/g),有很强的吸附性能,能在它的表面上吸附气体、液体或胶态固体;对于气体、液体,吸附物质的质量可接近于活性炭本身的质量。其吸附作用具有选择性,非极性物质比极性物质更易于吸附。在同一系列物质中,沸点越高的物质越容易被吸附,压强越大温度越低浓度越大,吸附量越大。反之,减压,升温有利于气体的解吸。常用于气体的吸附、分离和提纯,溶剂的回收,糖液、油脂、甘油、药物的脱色剂,饮用水及冰箱的除臭剂,防毒面具中的滤毒剂,还可用作催化剂或金属盐催化剂的载体。可用木材、泥炭、坚果壳等为原料,经干馏、活化处理后得到活性碳。[1]

在化学选矿中,离子交换吸附法净化浸出液或浸出矿浆时常用的一种吸附剂。它是由固态碳质物(如煤、木料、硬果壳、果核、树脂等)在隔绝空气条件下经600~900℃高温炭化,然后在400~900℃条件下用空气、二氧化碳、水蒸气或三者的混合气体进行氧化活化后获得的。炭化使碳以外的物质挥发,氧化活化可进一步去掉残留的挥发物质,产生新的和扩大原有的孔隙,改善微孔结构,增加活性。低温(400℃)活化的炭称L-炭,高温(900℃)活化的炭称H-炭。H-炭必须在惰性气氛中冷却,否则会转变为L-炭。

活性炭的吸附性能与氧化活化时气体的化学性质及其浓度、活化温度、活化程度、活性炭中无机物组成及其含量等因素有关,主要取决于活化气体性质及活化温度。活性炭的含炭量、比表面积、灰分含量及其水悬浮液的pH值皆随活化温度的提高而增大。活化温度愈高,残留的挥发物质挥发愈完全,微孔结构愈发达,比表面积和吸附活性愈大。随炭中挥发物的去除,炭中的灰分含量增大。活性炭中的灰分主要由K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、P2O5、SO3、Cl-等组成。灰分组成及其含量对炭的吸附活性有很大影响,一般可用盐酸或氢氟酸浸泡再水洗的方法去除或降低活性炭的灰分。活性炭的灰分含量与制取活性炭的原料有关。活性炭中氢和氧的含量随活化温度的升高而降低。活性炭对酸或碱的吸附能力与其水悬浮液的pH值有关,使蒸馏水的pH值降低的活性炭对碱有较强的吸附能力;使蒸馏水的pH值上升的活性炭对酸有较强的吸附能力。活性炭的机械强度与制取活性炭的原料及炭化温度有关,炭化温度超过700℃时,其机械强度将显著增大。活性炭除广泛用于废水净化和分析化学等领域外,在化学选矿工艺中主要用于提取金银。[2]

【活性炭的应用】[3]

1.在环境保护中的应用

大气、水资源和土壤污染对人类健康、 陆地动植物产生严重危害,已引起当今社会的广泛关注。活性炭对气体污染物、金属离子及苯、苯酚和甲苯等有机化合物具有较强的吸附能力,是一种公认可再生的吸附材料。在水污染如此严重的今天,活性炭能有效地去除水中大多数有机污染物、重金属、臭味及色度,在污水净化领域具有重要的科学意义和巨大的应用前景。活性炭是一种多孔性物质, 凭借其微孔吸附不仅可以吸附脱色除嗅,还可以有效地吸附一些杀虫剂, 去除水中的致突变物质,因而,在水污染治理方面引起各国科研学者及环保工作人士的广泛关注。目前,活性炭纤维作为一种水处理材料,已经成为常规净化水最成熟有效的方法之一,可用于水质净化、废水处理、重金属回收等方面。活性炭还可作为酸性土壤改良剂。

2.在临床医疗中的应用

目前,活性炭在临床领域的应用主要包括:口服紧急解毒药用活性炭、 血液净化用活性炭以及癌症治疗用活性炭。活性炭作为口服紧急解毒药的应用研究取得了重要进展。在中国香港,活性炭已成为中毒患者急诊治疗的首选。在俄罗斯, 已经允许给儿童服用活性炭用于腹泻、中毒等的临床治疗。血液净化是活性炭作为吸附剂之一在医学上的典型应用,国内外近些年来对活性炭的成形技术、 使用方式和专业吸附性能进行了研究,并取得了较快的进展,陆续出现了各种亲水凝胶、高分子材料包膜的活性炭、含碳纤维、炭膜以及碳纤维织物等各种形式的医用活性炭吸附剂。在美国,活性炭已辅助进行恶性肿瘤的手术和介入治疗。活性炭具有优越的淋巴趋向性和吸附性能,能够吸附抗癌药物,具有功能性缓释特性。活性炭吸附抗癌药物制剂一方面能够定向分布于淋巴结,并长时间维持较高浓度;另一方面,活性炭在移行到淋巴结的同时能够将淋巴结黑染, 从而指导淋巴结清除手术,彻底清除转移淋巴,其临床应用前景日益广阔。

3.在催化领域的应用

活性炭本身具有催化活性,可单独用作催化剂。如氯气与一氧化碳在活性炭催化下生成光气,氯气与二氧化硫生成硫酞氯,又如二氧化硫在活性炭催化下生成三氧化硫,次氯酸和次氯酸化合物的分解等。活性炭作为催化剂载体也被广泛应用。如活性炭载附醋酸锌作为乙炔和醋酸合成醋酸乙烯酯单体的催化剂,载铂和把的活性炭可用于加氢、脱氢、芳构化、环化和异构化的催化剂,活性炭也可作低压氯乙烯生产中的催化剂载体等。

【主要参考资料】
[1]中学教师实用化学辞典

[2]中国冶金百科全书·选矿

[3]刘铭轩.活性炭研究进展及展望[J].内蒙古石油化工,2017,43(03):35-36.