《活性炭的物理性质及制造.docVIP

活性炭的物理性质及制造（译稿节选连载之一） (2010-07-02 00:44:07) G.J. McDOUGALL 资料来源：JOURNAL OF THE SOUTH AFRICAN INSTITUTE OF MINING AND METALLURGY 概要 ??? 在对活性炭进行定义之后，作者描述了不同类型活性炭产品的结构及主要的物理性能。对这些炭产品的吸附性能、采用的原料、制造工艺（化学活化、物理或称热活化工艺）进行了概要性描述。并对采用椰壳或煤炭为原料的高温热加工流程（这种技术对用于黄金回收的产品极为重要）进行了较为详尽的探讨。 1、简介 ??? 经过炭化处理的木材，虽然用现代标准来衡量时几乎不能作为哪怕是最差的活性炭产品，但曾在几千年的时间内被做为吸附剂使用。大约在公元前1500年古埃及人就已知晓木材类木炭的吸附性能并将其用于医疗目的和做为纯化剂使用了；在古印度，人们已采用木炭来过滤饮用水。 ??? 对不同炭产品脱色能力和气相吸附性能的研究始于19世纪末，研究取得的成果在第一次世界大战时被用于气相吸附剂来保护人们防止有毒气体（化学战剂）；另外，与脱色有关的研究结果被用于新型糖制造业技术流程。 ??? 关于活性炭从氯化物溶液中吸附黄金性能的最早报道可追溯到1847年，这个消息引起了人们广泛的关注，1880年Davis申请了一个采用木质活性炭从氯化物沥滤液中回收黄金的技术专利，该技术在世界、尤其是在澳大利亚得以迅速普及。 ??? 不久之后MacArthur和Forrest兄弟于1890年发现氰化物是非常好的黄金溶剂，1894年由Johnsons申请了采用木质活性炭从氰化物溶液中回收黄金的专利。 ??? 从那以后，主要的研发方向几乎全部转向了与活性炭制造技术有关的领域，并开发了现在仍在广泛采用的商业化制造工业流程。 ??? 活性炭的较重要的应用领域包括：饮用水的脱除异味、异嗅、脱色、去除有机杂质等；生活及工业废水的处理；各种糖浆的脱色；各种气相应用；以及多种化学产品及医药品、食品的提纯等。最近调查发现用于湿法冶金的活性炭数量正在逐步增加，尤其是用于黄金和白银的回收、以及金属钼的回收（回收钼用的活性炭刚开始起步）等。 ??? 尽管活性炭在商业应用方面日益受到重视，但行业之外的人们很少了解哪些原材料适合于制造活性炭产品？制造的方法如何？以及为何某项性能对一个特定用途的产品非常重要、但对其它用途则明显地不适用？等等。 ??? 在南非，金矿工业是活性炭最大的消费者，与活性炭制造有关的通用性介绍论文以及与最终产品性能相关的介绍性论文将引起金矿工业工作人员兴趣。 1.1 什么是活性炭？ ??? 活性炭是对一系列具有高孔隙率碳质材料的通用性称谓，它无法采用结构式进行描述，也不能进行化学式量分析。活性炭的孔容积一般被定义为高于0.2mL/g，且其内表面积一般大于400m2/g（采用氮吸附BET法进行检测）。活性炭的孔隙宽度变化范围从3埃米到几千埃米，其孔隙在传统上一般按照直径进行分类：大孔（500到20000埃米）、过渡孔（中孔，100到500埃米）、微孔（8到100埃米）。 ??? 从横截面角度观察，孔隙的形状表现为圆筒状或矩形，但同时还表现为各种不规则的形状，也存在“束颈型”或“瓶颈型”孔隙。 ??? 活性炭总内表面积值中大孔的贡献率通常很小，大孔主要由所选用的含碳原料性质以及初始制造工序（即原料的磨粉及重凝聚工序）所决定的，其主要功能是为待吸附分子提供通往炭颗粒内部具吸附能力部位的输送通道。过渡孔对内表面积的贡献率约5%，微孔则占约95%的比例。微孔是活化加工工序的最主要的产物。 ??? 投入商业化应用的活性炭有多种形态，如粉末状、颗粒无定形（尺寸分布范围各不相同）、以及经过成型或模铸的产品（圆柱棒状外形，其直径通常在0.8到6mm，长度为3到10mm）。 1.2 活性炭的结构 ??? X射线衍射（XRD）研究表明热加工法获得的活性炭其结构与石墨结构相似，如图1所示，理想的石墨是由多个以六圆环相互紧密连接构成的层状结构组成的，层间距近3.35埃米并以范德华力联系在一起，每个平板层内任一碳原子均位于下层六圆环的中心点位置。其晶格类型为ABAB型。 ??? 推荐采纳的热加工法活性炭结构如图2所示，被采信的活性炭结构是：由仅几个碳原子厚度、直径为20至100埃米的石墨状细小晶片组成了分子级维度尺寸的开孔孔壁，从而形成了孔隙体系。但与完善的石墨晶体相比，活性炭中的碳六圆环结构中含有许多因遭受解离作用而形成的非闭合型结构，造成了非定向乱排且形成了晶格缺陷。由此使得活性炭的结构具有很高的无序性，这种结构通常被归类为“乱层结构”。另外还发现，活性炭中石墨微晶中晶层间距也比标准石墨的层间距要大一些，达3.60埃米。 ??? 由于在活性炭结构中存在