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活性炭的制备原料有哪些?

        近年来,活性炭的制备有两种发展趋势:一是制备应用量大而广且性能一般但价格低廉的制品;二是制备性能优良且有特殊用途的高性能活性炭,多使有特制高价原料。所有用于制备活性炭的原料均为含碳物质,可分为以下几大类:
 
        1.用植物类原料制作活性炭 早期制备活性炭的原料主要是木质原料,但近年来制备活性炭谋求廉价原料的探索受到了重视,使原料范围增广:除传统的优质木材、锯木屑、木炭、椰壳炭、棕榈核炭,还有农林副产物和某些食品工业废木材、竹子、树皮、风倒木、核桃壳、果核、棉壳、咖啡豆梗、油棕壳、甘蔗渣、糠醛渣等。其中,椰子壳和核桃壳最优,通常果壳经初步炭化,再用水蒸气活化,所得到的活性炭具有较高的强度和极精细的微孔,这种活性炭主要用于防毒保护上。炭化的树皮经过气体活化,可得到廉价的活性炭,这种活性炭可用来作为造纸废水的脱色剂。用椰树皮纤维为原料,通过化学法可以得到一种活性炭,它能有效除去工业废水中的有毒废金属。甘蔗渣作为制糖厂的废弃物,经回收利用可用来制造价格低廉、具有特定性能的活性炭,而后用于污水处理和颜料吸附。
 
        2.矿物类原料制作活性炭
 
        (1)煤炭类。目前,用于制备活性炭的煤种主要是某些烟煤、优质无烟煤、褐煤等。无烟煤内部含有分子大小的孔隙,是制备微孔炭的合适原料,且其产品还具备分子筛特性。这使得利用难转化无烟煤资源,获得高回收率的活性炭日益受到重视。我国有丰富的煤炭资源,已成为煤质活性炭的生产大国,常用的是无烟煤和不黏煤、弱黏煤,生产的活性炭品质不高,品种单一。因此,以煤为主要原料,用常规生产方法得到高比表面积、高吸附量的活性炭,已成为具有很大意义的课题。
 
 
        另外,在煤炭开采和浮选过程中,常伴随产量大量低品质成分,如劣质煤、煤矸石等。利用这些废弃物中的宝贵碳资源制成活性炭,将有可能进一步降低成本,获得在环保和化工生产中大量需求的高效吸附剂一催化剂。如利用这些废弃物中碳和硅、铝成分共存的特点制备硅胶复合吸附剂。从煤矸石出发,用碱熔活化结合强酸处理,可制备出一种复合吸附剂,它以硅胶为骨架,而活性炭均匀分散在硅胶骨架中。此外,煤泥炭、煤沥青也是制备活性炭的原料,最近关于这方面的研究也有很多。
 
 
        (2)石油类。石油原料是指石油炼制过程中,含碳产品及废料,如石油沥青、石油焦、石油油渣等。特别值得关注的是,石油焦作为石油加工副产物量大价低,且含碳量高达80%以上,挥发分一般在10%左右,杂质含量低,能制得高收率、低杂质、高比表面积的活性炭。目前,美国、日本拥有利用石油焦制备比表面积超过3000m²/g的超级活性炭的专利技术,并实现了产业化。国内学者也作为类似研究:用大庆石油焦为原料,以NaOH为活化剂制得高性能活性炭;利用盘锦石油焦,以KOH为活化剂,制备比表面积为3730m²/g的高比表面积活性炭。但此类活性炭生产成本昂贵,仅限于医药、电子、气体吸附储存等领域。今后要开发适宜工业化应用的,石油焦生产活性炭的新技术,进一步提高石油焦的附加值,拓宽活性炭的原料来源。
 
 
        另外,催化油浆的有效利用是炼油行业的难题。目前,多采用回炼的办法,利用率低且耗能高。而油浆中含有大量芳烃,芳构化程度较高,如果利用它制备活性炭也不失为一种好办法。
 
        3.塑料类原料制作活性炭
 
        聚氯乙烯、聚丙烯、呋喃树脂、酚醛树脂、聚碳酸酯、聚四氯乙烯等,这些原料都可以用来制备活性炭。20世纪80年代,有人研究了以有机树脂(如苯乙烯一二乙烯苯共聚物,聚偏二氯乙烯,聚丙烯等)为原料合成活性炭。这种活性炭纯度高,机械强度优于普通煤质活性炭,并具有孔径分布可控的优点,广泛用于生物医学领域。粒状酚醛树脂是制造高性能活性炭的好原料,用它生产的活性炭具有独特的微细孔,经表面处理,可用于电池电极材料、净水器、氮气发生装置用炭分子筛等方面。
 
        4.其他含碳废弃物制作活性炭
 
        (1)废轮胎。
 
        随着汽车工业的发展,全世界每年有3.3亿汽车轮胎因报废而被丢弃,造成了严重的环境污染问题。人们曾经采取过一些措施来减少废轮胎的数量,但从经济和环保的角度出发,最好的办法是将这些废轮胎回收利用,转化成用用产品。现在已经有了将废轮胎橡胶炭化,在HCI中浸泡后,用水蒸气进行活化,制得活性炭的孔容积为1.62cm³/g,比表面积为1119m²/g。
 
        但是,用废轮胎生产活性炭也存在着一系列问题。轮胎进行炭化处理时,橡胶成分气化而炭黑几乎全保留在炭化产物中。炭黑是活化时,生成孔隙的主要碳质部分,而炭黑结晶化程度比较高,难被水蒸气活化。所以,为了使其孔隙发达,变必须提高活化的温度或者延长活化的时间。当活化条件太苛刻时,会增加所制的活性炭的灰分。另一个问题是,废轮胎活性炭中含有重金属,不能用于水处理及土壤处理中,仅限于处理气体使用。
          
      (2)除尘灰。 
 
        除尘灰是钢铁企业在生产过程中排放的大量粉尘和副产品,量大且粒度极细,主要成分是铁和碳,还有少量的钙、镁、硅、铝的氧化物。目前,我国对除尘灰的利用主要是将其粒化后作为炼钢原料进行回炉,或作为水泥等的加入料、填料、氧化铁红等一些技术含量较低的材料。国外对除尘灰的回收利用非常重视:回收其中的碳作为橡胶补强填料、墨水、油漆和炭黑,或制成活性炭用于水处理、空气净化。国内学者对此也有研究,用天津还原铁厂含碳量为62.68%的除尘灰分离炭粉,用不同的活化方法制得比表面积为1192m²/g(化学物理法)和2322m²/g(化学活化法)的粉状活性炭。研究表明,对CCl4、C6H6蒸气、废水中的Cr(VI)离子有良好的吸附性能。
 
        以除尘灰分离炭粉为原料制备活性炭时,一个主要的问题是降低灰分。由于原料中存在无机杂质(如SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaCO3等)即灰分,采用物理活化的方法,只有碳元素与水蒸气反应,活化后,这些杂质仍存在于制得的活性炭中。灰分的存在,直接影响活性炭的品质和吸附性能。不过实验证明,采用酸碱改性处理可以降低灰分。
 
       (3)剩余污泥。
 
        在利用生物处理过程中产生的剩余污染制造活性炭方面,也进行过不少研究。所研究过的泥种有:处理食品工业中排水的剩余污泥、纸浆工厂排水的凝聚沉淀污泥、处理综合废水过程中产生的污泥。所制得的活性炭由于灰分含量大,吸附能力只有市售活性炭的1/6左右,为提高其吸附性能,将导致成本的增加和活性炭得率的降低。

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