微波技術(shù)制備活性炭的方法

一、活性炭的特性:

    活性炭屬不定型物質(zhì), 是疏水性非極性吸附劑,能選擇性地吸 附非極性物質(zhì),吸附力大?？讖酱笮〔煌目紫?能吸附分子大小不同的物質(zhì)。此外,由于其表面和表面化合物 以及灰分等的作用,活性炭具有良好的催化活性 。活性炭之所以能 得以使用也歸功于其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。它能耐酸、耐堿、耐高溫,不溶于水和其 它溶劑,能在水溶液和許多溶劑中使用?；钚蕴康牧硪惶匦允撬?jīng)使用失效后,可用各種方法再生,可多次利用。

（1）活性炭的質(zhì)量指標(biāo)與應(yīng)用

    活性炭的質(zhì)量有多項(xiàng)物理 與化學(xué)指標(biāo),主要的如:水分、灰分、酸溶物、各種金屬和酸根的含量,以及它的吸附性能等。對(duì)于不同 用途的活性炭,時(shí)常用不同的物質(zhì)和方法來檢驗(yàn)它的吸附性能,通 常有亞甲基藍(lán)吸附值、 碘吸附值、焦糖吸附值、苯酚值等。其中 亞甲基藍(lán)吸附值是常用的,對(duì)它的吸附量反映了活性炭吸附小 分子物質(zhì)的能力,具有大量微孔的活性炭,此值較高。根據(jù)活性炭的吸附特點(diǎn),活性炭主 要用于除去水中的污染物、脫色、過濾凈化液體、氣體,還用于對(duì)空氣的凈化處理、廢氣回收（如在化 工行業(yè)里對(duì)氣體苯的回收）、貴重 金屬的回收及提煉（比如對(duì)黃金的吸收）。近年來,在醫(yī)藥行業(yè)中也有所利用,隨著科學(xué)的發(fā)展,隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視,活性炭的用途也越來越。

二、活性炭的外需求現(xiàn)狀

    外活性炭的生產(chǎn)與應(yīng)用都比較晚。歐美在20世紀(jì)初開始發(fā)展活性炭的生產(chǎn)[2]。我國(guó)的活性炭工業(yè)在20世紀(jì)50年代才真正建立起來,在70年代有較大的發(fā)展。目前,世界活性炭的年產(chǎn)量約6.5×105t左右。1997年美洲（巴西、墨西哥、美國(guó)）為2.359×10 5t,歐洲（比利時(shí) 、法國(guó)、英國(guó)、荷蘭）達(dá)1.124×l05t,亞洲[中國(guó)（包括中國(guó)臺(tái)灣）、印度、印尼、日本、南朝鮮、馬來西亞、菲律賓、斯里蘭卡、泰國(guó)]計(jì)3.01×105t。1997年中國(guó)活 性 炭生產(chǎn)總量達(dá)1.2×105t以上,占世界年產(chǎn)量的l5%。據(jù)有關(guān)信息資料報(bào)道,1998年中國(guó)出口量為1.004×105t,出口額達(dá)6.04億美元;2000年中國(guó)活性炭出口量高達(dá)1.192×105t, 出口額高達(dá)6.85億美元。在進(jìn)口數(shù)量上, 1999年活性炭進(jìn)口量為1904.5萬 t,進(jìn)口額達(dá)558.2萬美元2001年活性炭進(jìn)口量增加為2567.3萬t。進(jìn)口額為727.1萬美元。從這些數(shù)據(jù)可以看出,2l世 紀(jì)中國(guó)的活性炭行業(yè)仍然具有廣闊的發(fā)展前景。但 是,的活性炭工業(yè)必須注重研究活性炭的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì),加強(qiáng)新技術(shù)開發(fā),促進(jìn)整個(gè)活性炭行業(yè)的良好發(fā)展。

三、活性炭制備原料與傳統(tǒng)制備方法

（1） 活性炭的制備原料

    用于活性炭生產(chǎn)的主要原材料可分為以下5大類:a、植物性原料,如木材、鋸末、果核、果殼、棉花秸、糠醛渣、蔗糖渣等;b、礦物原料,如各種煤和石油殘?jiān)?c、各種廢棄物,如動(dòng)物的骨頭和血,工業(yè)上廢舊塑料、各種橡膠廢品等;d、合成纖維材料,如聚丙烯等;e、有機(jī)纖維材料,如聚丙烯腈纖維、粘膠絲、瀝青纖維等。根據(jù)生產(chǎn)所用的材質(zhì),目前主要的活性炭品種有木質(zhì)活性炭、煤質(zhì)活性炭、果殼活性炭和活性炭纖維等。

（2）活性炭的傳統(tǒng)制備方法

    外傳統(tǒng)的活性炭制備方法有氣體活化法,化學(xué)活化法,化學(xué)物理法:氣體活化法是把原料炭化后,用水蒸氣、二氧化碳、空氣、煙道氣等,在800～900℃下進(jìn)行活化的方法。活性炭得率較低,質(zhì)量不穩(wěn)定,比表面積較低,活化溫度高,設(shè)備投資大,但對(duì)環(huán)境無污染;化學(xué)活化法是把化學(xué)藥品加入原料中,然后在惰性氣體中加熱,同時(shí)進(jìn)行炭化和活化的一種方法。這種方法對(duì)設(shè)備腐蝕性較大,污染環(huán)境,殘留物較多;化學(xué)物理法在活性炭原料中加入一定量的化學(xué)藥品（即添加劑）進(jìn)行化學(xué)活化浸漬處理,在碳材料內(nèi)部形成傳輸?shù)?有利于氣體活化劑進(jìn)入孔隙內(nèi)進(jìn)行刻蝕。這種方法優(yōu)點(diǎn)是:可通過控制浸漬比和浸漬時(shí)間來制得孔徑分布合理的活性炭,比表面積大,且得率高。

四、微波法制備活性炭

    微波具有快速、、資源回收利用率高、不會(huì)造成二次污染、成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此微波法制備活性炭成為近年來外學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一。外許多研究者嘗試用微波制備活性炭并取得了可喜成績(jī),如Kasai、Takakazu[5]等將有機(jī)成型廢料用微波加熱,炭化,活化制得活性炭。彭金輝等用蠶豆稈,稻稈,黑型樹皮拷膠廢料,瓜子殼,麥秸,玉米芯,蠶豆殼,甘蔗渣,楊梅樹皮廢料,煙稈,松木屑,椰殼為原料,微波制備活性炭。樊希安等采用微波輻射竹節(jié)、椰殼、棉稈,利用磷酸、水蒸氣、氯化鋅為活化劑制得活性炭。張利波等采用微波輻射煙稈法制得了性能各異的活性炭。

（1）微波加熱的原理

    微波頻率大約在300MH～300GH,即波長(zhǎng)100cm至1mm范圍內(nèi)的電磁波。微波加熱的原理基于當(dāng)微波遇到不同材料時(shí),依材料的性質(zhì)不同會(huì)發(fā)生反射、吸收、穿透現(xiàn)象,這取決于材料的介電常數(shù)、介電損耗系數(shù)、比熱、形狀和含水量等。一般來說介質(zhì)在微波場(chǎng)中加熱有兩種機(jī)理,即離子傳導(dǎo)機(jī)理和偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理,在實(shí)際加熱中,兩種機(jī)理的微波能耗散同時(shí)存在。傳統(tǒng)加熱是由外部熱源通過熱輻射由表及里的傳導(dǎo)加熱,與之相比,微波加熱具有如下特點(diǎn):選擇性加熱,加熱速度快,熱效率高,便于控制,易于自動(dòng)化控制。

（2）微波技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用

    微波技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的幾種應(yīng)用:含油污泥微波脫油技術(shù);原油淤泥微波脫油技術(shù);微波碳還原-煙氣脫硫脫硝技術(shù);微波焚燒法處理廢電路板回收貴金屬技術(shù);微波-氯化鋅法制取鋸末活性炭處理含鉻廢水;微波法制取原油泄露處理用高吸油性復(fù)合體技術(shù);防電磁波輻射污染用微波吸收劑的制取技術(shù)。

（3）微波法制備活性炭的影響因素

    在活性炭的制備中,原料不同,成品功效也不同。其中椰殼活性炭是活性炭行業(yè)*的的一種活性炭,不論是吸附速度、吸附能力、強(qiáng)度等各項(xiàng)指標(biāo)以及按照水處理工藝不同可選擇不同材質(zhì)的活性炭產(chǎn)品。微波法制備活性炭的影響因素有:微波功率、輻照時(shí)間、活化劑濃度、浸漬比、pH值等。

（4） 微波功率的影響

    取充分浸漬濾干后污泥原料于石英管中,固定微波輻照時(shí)間4min,氯化鋅濃度35%,干污泥與氯化鋅比重1:3.0,改變微波功率,。當(dāng)功率較低時(shí),加熱溫度沒有達(dá)到炭化活化的溫度,所以此時(shí)吸附性能較差;當(dāng)功率持續(xù)增大,溫度過高時(shí),由于氯化鋅的蒸氣壓高,藥劑損失嚴(yán)重,從而實(shí)際發(fā)揮作用的氯化鋅減少反而導(dǎo)致吸附劑性能下降。

（5） 輻照時(shí)間的影響

    取充分浸漬濾干后的污泥原料置于石英剝離管中,固定在微波爐腔體中,在微波功率為595W,活化劑氯化鋅的濃度為35%,干污泥與氯化鋅溶液的重量比為1:3.0的條件下,改變輻射時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示,吸附劑的碘值與亞甲基藍(lán)吸附值隨微波時(shí)間的變化表現(xiàn)了相似的變化規(guī)律,分析其原因,主要是因?yàn)榛罨瘯r(shí)間長(zhǎng)短與微波活化速率快的影響,輻射時(shí)間太短炭化不充分,輻射時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致部分孔徑燒結(jié)。

（6）活化劑濃度的影響

    經(jīng)不同濃度氯化鋅溶液充分浸漬濾干后的污泥原料,放入石英管中,固定在微波腔體中,在微波功率595W,輻照時(shí)間4min,干污泥與氯化鋅的中重量比為1:3.0的條件下實(shí)驗(yàn),研究不同濃度活化劑濃度對(duì)所制備含炭吸附劑的吸附性能的影響。一般來講,活化劑濃度越高,脫水縮合作用就越大,終得到的吸附劑多孔結(jié)構(gòu)也越發(fā)達(dá),吸附性能就越好。另一方面,氯化鋅是強(qiáng)吸附物質(zhì),若濃度太高,則加強(qiáng)了物料的吸附能力,從而使活化溫度升高,使碳成分含量下降,灰分含量增加,此外氯化鋅晶體將堵塞部分大孔,在洗滌過程中得不到充分去除,從而使吸附劑的比表面積和吸附能力下降。

（7）浸漬比的影響

    將不同重量的40%的氯化鋅溶液充分浸漬濾干后的污泥原料放入石英管中,固定在微波腔體中,在595W微波功率下輻照4min。干污泥與氯化鋅溶液的重量比越大,活化劑溶液可使顆粒污泥得到充分的浸潤(rùn),氯化鋅在熱解過程中的作用得到充分發(fā)揮,所得到的吸附劑性能越好。但過多的氯化鋅溶液浸漬會(huì)使熱解原料中水分的含量過高,需較長(zhǎng)升溫時(shí)間以及造成氯化鋅的浪費(fèi)。

（8）其他影響因素
    在微波制備活性炭的實(shí)驗(yàn)中影響因素還有浸泡時(shí)間,一般來說浸泡時(shí)間越久,其浸漬的程度就越充分,但時(shí)間超過一定程度,吸附效果反而下降。這是因?yàn)榻n時(shí)間和氯化鋅濃度直接影響氯化鋅在污泥上的吸著量,從而影響了產(chǎn)品的性能和得率的高低。開始用氯化鋅溶液浸漬時(shí),原料含水率很低,使得氯化鋅溶液得以迅速把原料潤(rùn)脹,并在開始的一段時(shí)間里,隨著浸漬時(shí)間的延長(zhǎng),原料中氯化鋅吸著量迅速增加,但當(dāng)吸著量達(dá)到一定程度后,隨著浸漬時(shí)間的延長(zhǎng),原料吸附氯化鋅的速度變慢。在干污泥制備活性炭中此因素影響不大,但在植物性原料制備活性炭中浸漬時(shí)間的影響效果就比較。此外活化劑不同,其功效也相應(yīng)不同,張利波等采用微波輻射煙稈制得了性能各異的活性炭,所用活化劑有水蒸汽、磷酸、氯化鋅、氫氧化鉀、等。

五、總結(jié)
    微波設(shè)備活性炭為活性炭的制備開辟了一條新的途徑,微波法具有加熱快、熱效率高、便于控制、設(shè)備體積小、污染小等優(yōu)點(diǎn),此外制備出來的活性炭吸附性能。但也有不足之處,微波泄露會(huì)對(duì)人體和周圍環(huán)境造成危害,應(yīng)合理設(shè)計(jì)微波反應(yīng)腔并考慮適當(dāng)使用微波吸收材料。微波相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究還相對(duì)缺乏,如微波對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響機(jī)理、物質(zhì)在微波場(chǎng)中的升溫特性、微波場(chǎng)中的溫度分布等,只有解決了這些問題,微波技術(shù)才可能得到大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。