微波技術制備活性炭的方法

微波技術制備活性炭的方法

1 活性炭的特性

1.1 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目紫叮芪椒肿哟笮〔煌奈镔|(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廣泛使用也歸功于其穩(wěn)定的化學性質(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。活性炭的另一特性是它經(jīng)使用失效后，可用各種方法再生，可多次利用。

1.2 活性炭的質(zhì)量指標與應用

活性炭的質(zhì)量有多項物理與化學指標,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。對于不同用途的活性炭，時常用不同的物質(zhì)和方法來檢驗它的吸附性能，通常有亞甲基藍吸附值、碘吸附值、焦糖吸附值、硫酸奎寧吸附值、苯酚值等。其中亞甲基藍吸附值是最常用的，對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，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,還用于對空氣的凈化處理、廢氣回收（如在化工行業(yè)里對氣體苯的回收）、貴重金屬的回收及提煉（比如對黃金的吸收）。近年來，在醫(yī)藥行業(yè)中也有所利用，隨著科學的發(fā)展，隨著國家對生態(tài)環(huán)境的重視，活性炭的用途也越來越廣泛。

2 活性炭的國內(nèi)外需求現(xiàn)狀

國內(nèi)外活性炭的生產(chǎn)與應用都比較晚。歐美在20世紀初開始發(fā)展活性炭的生產(chǎn)。我國的活性炭工業(yè)在20世紀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）為2.359×105T，歐洲（比利時、法國、英國、荷蘭）達1.124×l05T，亞洲【中國（包括臺灣）、印度、印尼、日本、南朝鮮、馬來西亞、菲律賓、斯里蘭卡、泰國】計3.01×105T。1997年中國活性炭生產(chǎn)總量達1.2×105T以上，占世界年產(chǎn)量的l5%。據(jù)有關信息資料報道，1998年中國出口量為1.004×105T，出口額達6.04億美元；2000年中國活性炭出口量高達1.192×105T，出口額高達6.85億美元。在進口數(shù)量上，1999年活性炭進口量為1904.5萬T，進口額達558.2萬美元；2001年活性炭進口量增加為2567.3萬T。進口額為727.1萬美元。從這些數(shù)據(jù)可以看出，2l世紀中國的活性炭行業(yè)仍然具有廣闊的發(fā)展前景。但是，國內(nèi)的活性炭工業(yè)必須注重研究活性炭的應用發(fā)展趨勢，加強新技術開發(fā)，促進整個活性炭行業(yè)的良好發(fā)展。

3 活性炭制備原料與傳統(tǒng)制備方法

3.1 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，如各種煤和石油殘渣等；c、各種廢棄物，如動物的骨頭和血，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)，目前國內(nèi)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。

3.2 活性炭的傳統(tǒng)制備方法

國內(nèi)外傳統(tǒng)的活性炭制備方法有氣體活化法，化學活化法，化學物理法：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，設備投資大，但對環(huán)境無污染；化學活化法是把化學藥品加入原料中，然后在惰性氣體中加熱，同時進行炭化和活化的一種方法。這種方法對設備腐蝕性較大，污染環(huán)境，殘留物較多；化學物理法在活性炭原料中加入一定量的化學藥品（即添加劑）進行化學活化浸漬處理，在碳材料內(nèi)部形成傳輸?shù)溃欣跉怏w活化劑進入孔隙內(nèi)進行刻蝕。這種方法優(yōu)點是：可通過控制浸漬比和浸漬時間來制得孔徑分布合理的活性炭，比表面積大，且得率高。

4 微波法制備活性炭

微波具有快速、高效、資源回收利用率高、不會造成二次污染、成本低等顯著優(yōu)點。因此微波法制備活性炭成為近年來國內(nèi)外學者的研究熱點之一。國內(nèi)外許多研究者嘗試用微波制備活性炭并取得了可喜成績，如Kasai、Takakazu等將有機成型廢料用微波加熱，炭化，活化制得優(yōu)質(zhì)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，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優(yōu)質(zhì)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。

4.1 微波加熱的原理

微波頻率大約在300MHZ～300GHZ，即波長100cm至1mm范圍內(nèi)的電磁波。微波加熱的原理基于當微波遇到不同材料時，依材料的性質(zhì)不同會發(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)在微波場中加熱有兩種機理，即離子傳導機理和偶極子轉(zhuǎn)動機理，在實際加熱中，兩種機理的微波能耗散同時存在。傳統(tǒng)加熱是由外部熱源通過熱輻射由表及里的傳導加熱，與之相比，微波加熱具有如下特點：選擇性加熱，加熱速度快，熱效率高，便于控制,易于自動化控制。

4.2 微波技術在環(huán)保領域的應用

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

4.3 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)公認的最好的一種活性炭，不論是吸附速度、吸附能力、強度等各項指標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、輻照時間、活化劑濃度、浸漬比、pH值等。

4.3.1 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。當功率較低時，加熱溫度沒有達到炭化活化的溫度，所以此時吸附性能較差；當功率持續(xù)增大，溫度過高時，由于氯化鋅的蒸氣壓高，藥劑損失嚴重，從而實際發(fā)揮作用的氯化鋅減少反而導致吸附劑性能下降。

4.3.2 輻照時間的影響

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，改變輻射時間實驗結果如圖2所示，吸附劑的碘值與亞甲基藍吸附值隨微波時間的變化表現(xiàn)了相似的變化規(guī)律，分析其原因，主要是因為活化時間長短與微波活化速率快的影響，輻射時間太短炭化不充分，輻射時間過長會導致部分孔徑燒結。

4.3.3 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，輻照時間4min，干污泥與氯化鋅的中重量比為1:3.0的條件下實驗，研究不同濃度活化劑濃度對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，最終得到的吸附劑多孔結構也越發(fā)達，吸附性能就越好。另一方面，氯化鋅是強吸附物質(zhì)，若濃度太高，則加強了物料的吸附能力，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。

4.3.4 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，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使熱解原料中水分的含量過高，需較長升溫時間以及造成氯化鋅的浪費。

4.3.5 其他影響因素

在微波制備活性炭的實驗中影響因素還有浸泡時間，一般來說浸泡時間越久，其浸漬的程度就越充分，但時間超過一定程度，吸附效果反而下降。這是因為浸漬時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，原料含水率很低，使得氯化鋅溶液得以迅速把原料潤脹，并在開始的一段時間里，隨著浸漬時間的延長，原料中氯化鋅吸著量迅速增加，但當吸著量達到一定程度后，隨著浸漬時間的延長，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間的影響效果就比較顯著。此外，活化劑不同，其功效也相應不同，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、硫酸等。

5 小結

微波法制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、設備體積小、污染小等優(yōu)點，此外制備出來的活性炭吸附性能優(yōu)良。但也有不足之處，微波泄漏會對人體和周圍環(huán)境造成危害，應合理設計微波反應腔并考慮適當使用微波吸收材料。微波相關的基礎理論研究還相對缺乏，如微波對化學反應的影響機理、物質(zhì)在微波場中的升溫特性、微波場中的溫度分布等，只有解決了這些問題，微波技術才可能得到大規(guī)模工業(yè)化應用。

●微波加熱原理       http://www.coscom.net.cn/yingyong-neiye-17.html

●微波殺菌原理       http://www.coscom.net.cn/yingyong-neiye-18.html

●微波設備定做流程   http://www.coscom.net.cn/yingyong-neiye-19.html