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煤質柱狀活性炭微觀結構的檢驗
煤質柱狀活性炭的微觀結構表征包括比表面積,孔容積(分微孔容積、中孔容積、大孔容積等,有時更細分為細微孔、此微孔、細中孔、粗中孔等)平均空隙直徑、最可幾直徑等。
我國的國家標準中規定了孔容積和比表面積的測定方法,美國和日本標準中則沒有對應得規定。迄今為止,世界各國都未能拿出一套可用于表征煤質柱狀活性炭微觀結構的、能令大多數人信服的標準試驗方法。
目前大多采用全自動吸附儀,采用液氮靜態吸附方法來表征煤質柱狀活性炭的微觀結構,但由于選用的儀器及數據處理方法的差異,檢測結果差距較大,一般誤差在10左右。
1、比表面積:比表面及孔結構在比表面開始測試前對煤質柱狀活性炭進行加熱真空脫附處理,在—196℃液氮溫度下吸附氮氣,測試氮氣吸附等溫線,利用BET方程,根據單分子層吸附量和吸附質分子截面積,計算煤質柱狀活性炭的比表面積;由相對壓力為0.98時的氮吸附值換算成液氮體積得到總孔體積,由Dubimin-Astakhov計算微孔表面積和微孔體積,由總孔體積減去微孔體積得到中孔體積,由H-K(Horvath-Kawazoe)模型及密度函數理論(Dengsityfunctionaltheory)計算平均孔徑及其分布。
比表面積是表征煤質柱狀活性炭吸附性能的主要指標,這一指標解釋了煤質柱狀活性炭產生吸附的原因,是人們加深了對吸附現象本質的認識,在煤質柱狀活性炭及吸附材料的研究中,這種檢測指標應用得較多,但由于檢測儀器設備比較復雜,而且價格昂貴,因此在煤質柱狀活性炭生產中應用的比較少。
2、孔容積:孔容積通過測定顆粒煤質柱狀活性炭的真密度、顆粒密度來計算孔容積。其測定方法有真密度法、汞置換法和氮吸附法等,各種方法測定的孔容略有不同,在報出測試結果時應標注檢測方法。
孔容積也是表征煤質柱狀活性炭吸附性能的重要指標,經常使用的孔容積測試方法有氮吸附法,一般在測試比表面時可同時計算出孔容積,孔容積和煤質柱狀活性炭裝填密度密切相關,和裝填密度指標成反比。
煤質柱狀活性炭應用模擬評價檢驗
世界上主要國家的煤質柱狀活性炭標準檢驗方法中,只有美國和一些煤質柱狀活性炭大公司的企業標準中規定了煤質柱狀活性炭氣相和液相應用的原則性、指導性測定方法,這些檢測標準雖然大大擴展了可檢測的吸附質數量,也對應用領域選用煤質柱狀活性炭品種有幫助,但由于這些方法僅對單組分吸附質適用,而在煤質柱狀活性炭應用實踐中,吸附質幾乎沒有單獨存在的可能性,煤質柱狀活性炭總是會面對多種物質組成的混合物,這些物質在煤質柱狀活性炭上不可避免的發生競爭吸附,競爭吸附的發生必然導致目標吸附質的吸附量的改變,從而導致實際應用效果偏離實驗室檢驗結果,有時這種偏離會非常嚴重。
為了準確評價煤質柱狀活性炭在實際應用中的使用效果,需進行實驗室模擬吸附試驗,這種模擬大多采用動態試驗方法來進行。對于液相模擬吸附試驗,一般采用吸附柱方法,使用待處理工作態原液,有時根據相液中已知的主要成分進行配液,選擇不同的工藝條件進行試驗,然后進數據處理得到最佳工藝條件,用于指導煤質柱狀活性炭的實際應用。
對于氣相模擬吸附試驗,情況較為復雜。當采用動態模擬實驗時,多采取配氣法模擬實際氣體,選用合適的吸附管(亦可視為更小型一些的吸附柱),調整試驗條件以獲取不同工業條件下的吸附穿透曲線等,進而指導煤質柱狀活性炭吸附裝置的設計和運用條件的選擇,當采用靜態模擬實驗時,采用向已加入煤質柱狀活性炭的定容積吸附器中加注被吸附氣體的方法進行試驗。靜態模擬法實驗結果的準確性不如動態法。
一般煤質柱狀活性炭的應用單位為了準確的選用煤質柱狀活性炭產品或設計煤質柱狀活性炭應用裝置,均根據自己的需要建立煤質柱狀活性炭應用評價裝置,對煤質柱狀活性炭的應用性能進行評價實驗,以獲取準確的工藝參數指導煤質柱狀活性炭的應用或裝置的設計。
活性炭是一種具有特殊微晶結構、發達孔隙結構、巨大比表面積和較強吸附能力的含碳材料。其化學穩定性好,具有耐酸、耐堿、耐高溫等特點。作為一種優良的吸附劑,人們對活性炭的應用開發研究越來越多。
農業廢棄物可以制作活性炭的說法
現代農業以大量化肥代替原有農家有機肥的使用,以人工飼料代替農業廢棄物飼料的使用,加之現代農業集約化和規模化的發展,打破了傳統農業中廢棄物的循環利用環節,結果造成了農業廢棄物的大量積累,進而產生了較為嚴重的環境問題和資源浪費問題。因此,農業廢棄物資源的合理利用已日益成為當前世界大多數國家共同面臨的問題。國內外實踐表明,農業廢棄物的資源化利用和無害化處理,是控制農業環境污染、改善農村環境、發展循環經濟、實現農業可持續發展的有效途徑。
煤質柱狀活性炭是一種具有特殊微晶結構、發達孔隙結構、巨大比表面積和較強吸附能力的含碳材料。其化學穩定性好,具有耐酸、耐堿、耐高溫等特點。作為一種優良的吸附劑,人們對活性炭的應用開發研究越來越多。20世紀70年代前,活性炭在國內的應用主要集中于制糖、制藥和味精工業:后來又擴展到水處理和環保等行業;20世紀90年代,除以上領域外,擴大到溶劑回收、食品飲料提純、空氣凈化、脫硫、載體、醫藥、黃金提取、半導體等眾多應用領域[1-5]。
2農業廢棄物利用現狀
農業廢棄物(agriculturalresidue)是指在農業和林業生產與加工過程中產生的副產品、數量巨大、具有可再生、再生周期短、可生物降解、環境友好等諸多優點,是重要的生物質資源。主要有樹皮、果殼、鋸末、秸稈、蔗渣等。據有關資料,我國產生的農業廢棄物按目前的沼氣技術水平能轉化成沼氣3111.5億m3,戶均達1275.2m3,可解決農村能源短缺。以農作物秸稈為例,將目前的6.5億噸秸稈轉化為電能,按1kg秸稈產生電1千瓦時計算,就具有產生6.5億千瓦時電能的潛力;作為肥料可提供氮大約2264.4萬噸、磷459.1萬噸、鉀2715.7萬噸;作為飼料,僅玉米秸稈就能提供1.9~2.2億噸。然而,目前我國農業廢棄物的利用率卻很低乃至沒有利用。因此,農業廢棄物一方面成為最大的擱置資源之一,另一方面又成為巨大的污染源[6]。
從資源經濟學的角度上看,農業廢棄物本身就是某種物質和能量的載體,是一種特殊形態的農業資源,蘊含著豐富的能源和營養物質。目前,隨著石油、煤炭等不可再生資源的日益短缺,越來越多的國家特別是發達國家已經把農業廢棄物等可再生資源的轉化利用列入社會經濟可持續發展的重要戰略,以農業廢棄物等可再生資源為原料制備工業新產品的研究引起了世界各國的關注。在我國,隨著經濟的迅速發展,開發利用農業廢棄物資源,逐步補充或替代化石資源,是關系到我國社會經濟可持續發展的重大問題。
3農業廢棄物制備活性炭及其改性
目前活性炭制備原料的使用也是由木屑和木片到煤和各種農林產品的充分利用。產品由單一品種向多品種發展:由低檔活性炭向高檔活性炭轉變。農業廢棄物制備活性炭的過程一般經過原料粉碎、壓棒、炭化、活化、漂洗、烘干和活性炭粉碎等幾個步驟。同時根據不同的需求可以在不同的步驟中進行表面物理結構的改性或表面化學性能的改性。
3.1表面物理結構的改性
活性炭材料吸附表面物理結構的改性是指在活性炭材料的制備過程中通過物理或者化學的方法來增加活性炭材料的比表面積、調節孔徑及其分布,使活性炭材料的吸附表面結構發生改變,從而增加活性炭材料的物理吸附性能。常用的活化劑有堿金屬、堿土金屬的氫氧化物、無機鹽類以及一些酸類,目前應用較多、較成熟的化學活化劑有KOH、NaOH、ZnCl2、CaCl2和H3PO4等[7-10]。
3.2表面化學性能的改性
活性炭材料表面化學組成的不同對活性炭材料的酸堿性、潤濕性、吸附選擇性、催化特性等產生影響。活性炭材料的吸附表面化學性能的改性是指通過一定的方法改善活性炭材料吸附表面的官能團及其周邊氛圍的構造,使其成為特定吸附過程中的活性點,從而可以控制其親水/疏水性能以及與金屬或金屬氧化物的結合能力。活性炭材料吸附表面化學性質的改性可以通過表面氧化改性、表面還原改性以及負載金屬改性等修飾。
3.2.1氧化改性
氧化改性主要是利用強氧化劑在適當的溫度下對活性炭表面的官能團進行氧化處理,從而提高表面的含氧酸性基團(如羧基、酚羥基、酯基等)的含量,增強材料表面的極性和親水性。常用的氧化劑主要有HNO3、HClO3和H2O2等。Tsutsumi[11]認為HNO3是最強的氧化劑,產生大量的酸性基團,HClO3的氧化性比較溫和,可調整活性炭的表面酸性到適宜值。氧化后活性炭表面的幾何形狀變得更加均一。劉文宏等[12]使用濃HNO3分別在常溫和沸騰狀態下對活性炭進行改性,研究結果表明:活性炭經常溫濃HNO3改性后,比表面積和孔容都明顯提高,而經沸騰濃HNO3改性后,比表面積和孔容卻明顯減小,但2種改性方式都使活性炭表面產生更多的含氧基團。韓彬[13]等選擇磷酸氫二銨為活化劑在不同的活化溫度和預氧化條件下來制備活性炭。結果表明,在先浸泡后預氧化處理并在700℃下活化制得的樣品的比表面積為1078.21m2/g,其得率和碘吸附值分別為39.75%和636mg/g。
3.2.2還原改性
表面還原改性是指通過還原劑在適當的溫度下對活性炭材料表面官能團進行還原改性,從而提高含氧堿性基團的比含量,增強表面的非極性,這種活性炭材料對非極性物質具有更強的吸附性能。常用的還原劑有H2、N2、NaOH、KOH等。Menendez等[14]認為,活性炭的堿性主要是由于其無氧的Lewis堿,可以通過在還原性氣體H2或N2等惰性氣體下高溫處理得到堿性基團含量較多的活性炭。Krisztinalaszlo等[15]研究了經N2處理的活性炭對溶液中苯酚和2,3,4-三氯苯酚的吸附,結果表明,當溶液pH為3時,吸附量最大,當溶液pH為11時,吸附量下降。Haghserssht等[16]研究發現,經H2和N2還原堿性活性炭對水溶液中p-甲酚、硝基苯和p-硝基苯酚的吸附,較未處理過的活性炭吸附量大。
煤質柱狀活性炭的資料:0371-66550698 13283716821
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