活性炭研究简述教材.ppt

活性炭研究简述 简介 活性炭是由含炭为主的物质作原料，经高温碳化和活化制得的疏水性吸附剂。 原料：木质素、煤炭、角蛋白、碳纤维 制备方法：物理方法、化学方法、马弗炉、微波 特征：表面积、内部孔径、表面化学基团、吸附动力学 应用：脱色、水处理、离子去除/附着、催化剂吸附、储氢 原料 木质素：木材、秸秆、树枝、果皮/核 取材广泛、工艺成熟、表面积大、应用广泛 煤炭：煤、焦炭、石油焦炭 孔隙结构发达、吸附速度快、气体吸附 角蛋白：皮革、毛发 表面活性基团丰富、离子吸附 含碳纤维：天然纤维、合成纤维 孔隙半径集中、表面结构规则、油田废水、贵金属吸附 制备方法 物理活化方法 碳化（无氧，300-500℃） 活化（水蒸汽、CO2，500-900 ℃） 化学活化方法 碳化（无氧，300-500℃） 活化剂 碱：KOH，NaOH，K2CO3,Na2CO3 酸：H3PO4，H2SO4，（NH4）2HPO4 碱土金属盐：AlCl3, ZnCl2 制备方法 化学活化方法 活化（N2，500-900℃） 中和（酸、碱） 洗涤（H2O，PH=6-7） 干燥 高温分解技术 马弗炉（500-900℃，3-10小时） 微波（500-1200W，3-10分钟） 制备方法 制备条件对性能的影响 活化温度 活化时间 活化剂比例 最佳活化条件 产率 表面积 孔隙体积/分布 吸附能力 活性炭的表征 灰分 活性炭中的无机组分 与原料及活化剂有关 元素分析 C、H、O、N、S、P 活化可显著提高C含量，降低O、H含量 碘值 活性炭在标准碘溶液中的碘吸附量 用于表述活性炭对小分子杂质的吸附能力 活性炭的表征 SEM 活性炭表面结构，孔径大小、分布等信息 活性炭的表征 比表面积 比表面积是衡量活性炭性能的重要指标 m2/g 数百到数千 与活性炭的孔隙体积和孔隙半径相关 采用吸附法（低温N2吸附）测量 Langmuir比表面积和BET比表面积 活性炭的表征 比表面积 Langmuir比表面积 吸附表面各吸附点能量相同 吸附分子间无相互作用 单层吸附 吸附达到平衡，吸附速度=脱附速度 BET比表面积模型 吸附表面各吸附点能量相同 吸附分子间无相互作用 多层吸附 各吸附层之间无相互影响，各自遵守单层吸附理论 比表面积 BET比表面积模型 式中， P为平衡压强、P0为饱和蒸汽压、v为平衡气体吸附量、vm为饱和吸附量、 c为BET常数 活性炭的表征 活性炭的表征 比表面积 BET比表面积模型 在温度恒定的情况下，以1/v[P/P0-1]对P/P0作图应得一直线，该图称为BET图。 活性炭的表征 比表面积 BET比表面积模型 据直线的斜率 和截距可以求出单层吸附量和BET常数：vm和c。 吸附物质的BET比表面积为 其中:NA为阿伏伽德罗常数、s为被吸附气体的吸附截面积、 V为被吸附气体的摩尔体积 、a为吸附材料的质量 活性炭的表征 孔隙结构及孔径分布 微孔（≤2nm)、中孔（2nm??50nm）和大孔（≥50nm） 微孔占表面积90%以上，与吸附分子大小相当，是吸附的主要发生点 中孔约占表面积5%，是吸附分子进入微孔的通道，多用于气体吸附和染料等大分子的吸附 大孔占表面积2%以下，对吸附贡献不大，多用于催化剂的附着堆积 活性炭的表征 孔隙结构及孔径分布 利用密度函数方法（DFT）分析BET等温吸附（脱附）曲线得到活性炭的孔径分布曲线 活性炭的表征 表面化学基团 物理吸附与化学吸附 表面活性官能团 含氧官能团 -OH、-COOH、C-O-C、-CO 含氮官能团 -NH2、-NH Boehm滴定 活性炭的表征 表面化学基团 红外光谱分析 活性炭的表征 吸附动力学 吸附过程的3个阶段 吸附分子外部扩散 吸附分子内部扩散 吸附反应 吸附平衡量和吸附速率 吸附速率由速度最慢的步骤决定 活性炭的表征 吸附动力学 Lagergren一级吸附速率方程 Lagergren二级吸附速率方程 Webber-Morres方程