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由于活性炭广泛应用于几乎所有国民经济部门和人们的日常生活,而不同行业基于其吸附标的物所含杂质成分以及选用目的(如脱色、去味、精制等)的不同,对活性炭的孔隙大小、吸附能力、纯度等要求也不同,致使每一行业逐渐形成相对固定规格等级的、适用于本行业的专用活性炭产品,行业往往以活性炭词语前冠以应用领域对活性炭进行命名,这也成为经常使用的、约定俗成的活性炭分类方法,如糖用活性炭、味精用活性炭、净水用活性炭、医药、针剂用活性炭、汽车用活性炭等等。
2、活性炭吸附的主要特点
活性炭具有高度发达的孔隙结构、巨大的比表面积及不同的表面基团,使其能与吸附介质充分接触,从而产生所特有的吸附性能。
活性炭利用多孔结构的吸附原理如下图所示:
与其他吸附剂相比,活性炭有如下特点:
(1)属于非极性吸附剂,吸附对象围广
活性炭是疏水性的非极性吸附剂,因而特别适宜于气体或液体混合物中有机物的吸附回收。
这种独特的表面性质是由于活性炭表面具有氧化物基团和无机物杂质,这与其他大多数吸附剂是相反的,使其具有以下三个优点:
第一,它是用于完成分离与净化过程唯一不需要严格除去湿汽的工业吸附剂;
第二,它具有巨大的表面,比其他吸附剂能吸附更多的非极性和弱极性有机分子;
第三,吸附热的强度一般要比其他吸附剂低,吸附分子的解吸较容易,而且吸附再生时的能耗也比较低。
因此与其他吸附剂如硅胶矾土类吸附剂相比,活性炭的吸附对象更多,应用领域更广。
(2)可通过孔隙调节优化吸附效果
活性炭的吸附功能主要是通过活性炭的吸附孔隙实现,这些孔隙是在活化过程中基本微晶之间的空间清除各种含碳化合物、无序碳和微晶结构中部分碳所产生空隙,通常分为微孔、中孔和大孔孔隙。
一般来说,活性炭微孔孔隙的容积只有0.25~0.9cc/g,孔隙数量约为1,000万个/g,全部微孔表面积约为500~2,500m2/g。
活性炭吸附功能的强弱首先与其比表面积大小有关,一般来说比表面积大,吸附能力大。
而比表面积相同的活性炭,吸附能力不一定相同,这是由于它们的孔隙形状、孔径分布、表面化学性质及灰分存在差别。
最理想的活性炭是具有大量恰好稍大于吸附物分子的孔,孔太小,吸附物质进不去;
孔太大,则单位体积的表面积减少。
活性炭生产企业可以根据被吸附对象的分子的大小,有针对性地进行特殊孔径调节处理,达到最好的配对吸附效果。
(3)活性炭的性质稳定
活性炭的主要成分是碳,化学性质非常稳定,能耐酸、碱,所以能在比较大酸碱度围使用;
活性炭不溶于水和其他溶剂,所以能在水溶液和许多溶剂中使用;
活性炭能经受高温和高压的作用。
(4)活性炭可再生循环利用属性
活性炭经脱色或吸附饱和,其部的孔隙结构被吸附质堵塞后,可通过物理、化学或生物化学等方法对吸附饱和后失去活性的炭进行处理,恢复其吸附性能,从而实现活性炭的再生循环利用。
3、活性炭的应用领域
活性炭作为有着发达孔隙结构、巨大比表面积和优良的吸附性能的含碳物质,其所具有的吸附功能是其他物质所不可替代的。
自从上世纪初问世以来,活性炭的应用领域随着人们对其研究的不断深入而日益扩展,应用数量也不断递增。
活性炭最广泛、最传统的应用领域是作为吸附剂使用,其具体应用领域包括了食品工业、制药工业、饮用水水净化、废水处理、气体净化、化工冶炼等多个应用领域,从大类来讲,可分为液相吸附用和气相吸附用。
同时活性炭也经常被作为催化剂及催化剂载体进行应用;
此外,活性炭近年来也被开发成为高能量密度物质和电力能源的储存介质,在天然气吸附、电能存储等多个新兴领域得到应用。
虽然从理论上讲,含碳元素较高的材料均可以作为活性炭的原料,但是在诸多材料中,只有木质活性炭和煤质活性炭能够大规模地进行工业化生产和应用。
(1)木质活性炭与煤质活性炭在应用领域上的比较
如前所述,木质活性炭是由锯末、果壳等林产“三剩物”为原料制造的活性炭产品,煤质活性炭是由煤炭为原料制造的活性炭产品。
由于生产原料不同,木质活性炭与煤质活性炭在生产工艺、技术特点、产品特性等诸多方面存在不同,从而影响到应用领域也相对有所区分,具体来讲:
①在液相吸附领域:
煤质活性炭含有的重金属和灰分较大,产品纯度相对较低,并且由于主要采用物理法生产,孔隙主要为微孔,适宜小分子吸附,应用围相对较窄,一般被用于液相吸附中的石化、冶金、印染、污水处理等工业领域;
而木质活性炭的灰分低、杂质少、易提纯,化学法生产工艺下容易调整活性炭的孔隙分布结构,微孔、中孔均发达,应用广泛,尤其在食品饮料、医药等对吸附性能要求较高、对产品安全性要求较高的领域应用是煤质活性炭无法替代的。
②在气相吸附领域:
煤质活性炭的产品强度较大且便于回收利用,因而经常被用作气相吸附;
木质活性炭强度较低,传统上不用于气相吸附,但是,随着技术的进步和生产工艺的改进,木质活性炭的应用目前也已经扩大至一些新兴的气相吸附领域如油气回收,家用空气净化等,并且随着人们对健康、环保重视程度的提高,其在气相吸附领域的应用空间将进一步增长。
③从长期趋势来看:
原煤资源是不可再生的,煤质活性炭资源有限且生产过程量增加二氧化碳排放量,因此产品价格受原料及环保成本推动呈上涨趋势;
而木质活性炭因主要原料为林产“三剩物”,可再生利用,且价格因技术进步可望趋于相对下降,因此木质活性炭的长期竞争优势高于煤质活性炭。
木质活性炭与煤质活性炭在生产工艺、技术特点、产品特性等诸多方面存在不同,因此从行业上看,二者分属不同的工业领域,前者属于林产化工行业,后者属于煤化工行业。
同时,由于煤质活性炭和木质活性炭在下游应用领域的不同,下游客户与煤质活性炭生产企业也各不相同,下游用户主要集中食品饮料、医药等领域,而煤质活性炭生产企业的客户集中在化工、印染、污水处理等工业领域。
(2)活性炭在液相吸附方面的应用
活性炭表面呈疏水性这一基本性质,使它能从水中吸附各种物质,从而在水溶液净化中得到广泛应用。
活性炭在液相吸附方面的应用根据其功能不同,大致上可分为3类:
①精制:
在以有效成分或成分组为主的液体中,将所含的无效成分或有害成分组通过活性炭表面吸附除去,以提高液体的价值,或经后处理工序,使所得最终产品的价值提高。
②回收(或捕集):
从由几种成分组成的液体中,将有效成分或成分组及附于活性炭中,作为更浓或更纯的状态解吸而利用或再使用。
③分离:
将几种成分所组成的液体,利用活性炭的吸附作用分成不同的成分或成分组,以提高各部分的价值。
活性炭在液相吸附方面的各具体应用领域如下:
①食品饮料工业
活性炭在食品饮料工业中具有脱色、脱臭、除去胶体、提高结晶、增强稳定性、调香以及有效物质再回收利用等多种功用,因此被广泛应用于制糖、乳制品、酿造、食用油以及食品添加剂等食品饮料工业中的各个领域。
由于木质活性炭灰分低、杂质少、纯度高,目前国食品饮料工业所需活性炭主要以磷酸法木质粉状活性炭为主。
活性炭在食品饮料工业中的应用领域及精制效果如下表所示:
A.制糖工业
活性炭具有脱色等多种净化效果,故在20世纪初期制糖工业就已普遍使用活性炭净化脱色。
糖液中含有多种有色物质,如类黑晶、焦糖和铁多酚络合物等,其中焦糖、无定型类黑精对糖的色值影响最大,而色值是糖的主要技术指标,在生产过程中必须达到相应指标。
活性炭孔隙结构发达,且大孔、中孔、微孔并存,使其对各种有色物质均可以有效脱除,对类黑晶的脱附效果尤其出色,因而被广泛应用于甘蔗糖、甜菜糖、淀粉糖、乳糖、糖蜜、木糖、木糖醇的脱色,是目前发现脱色效果最好的吸附剂之一。
除脱色之外,活性炭还能够脱除糖液中的胶质和表面活性物质,从而使糖液体增加表面力,降低黏度,减少蒸发时的泡沫,提高洁净速度,改善食糖结晶与糖蜜的分析效果。
糖用活性炭的脱色性能目前国通常是通过检测焦糖脱色力来评价。
B.食品添加剂工业
活性炭在食品添加剂领域的应用主要为脱色、脱臭、除去胶质和提高产品的稳定性。
特别是在味精的精制过程中,活性炭能够有效去除来自发酵原料、发酵过程以及发酵液处理过程中产生的各种色素。
除味精外,使用活性炭进行精制的食品添加剂还包括糖精、核酸系列调味品、乳酸、柠檬酸、酒石酸、葡糖酸、抗坏血酸、果胶、明胶等。
C.酿造工业
酒类、果醋等酿造工业中也大量使用活性炭吸附去除杂质和异味。
活性炭可有选择地除去在酒类中的酸、糖醛、杂油醇等物质,并保持正常的香味和颜色,达到改善品质的作用。
在啤酒制造中,活性炭可脱除酚和无用的蛋白质,以改善啤酒的气味和口感,以及啤酒的颜色。
此外,酿造过程中使用活性炭对酿造用水进行处理,可防止产品产生沉淀、避免浑浊,并延长保存期。
D.食用油工业
在油脂加工中,为了保证食用油的商品功能和储存品质,必须进行精炼处理,即包括脱胶、脱酸、脱色、脱臭、脱蜡和脱固体酯的“六脱”精炼处理。
活性炭由于具有较强选择性的吸附作用,能够保持食用油营养成分(如维生素E)不被破坏前提下,有效去除食用油中的各种色素、臭味和有害物质(如黄曲霉素等),因此在食用油工业中广泛应用;
另外在使用活性炭对食用油进行精制过程中,不易产生对食用油的二次污染,如反式脂肪酸和重金属等污染物。
目前可用活性炭脱色脱臭的食用油包括菜籽油、花生油、黄豆油、玉米油、椰子油、棕榈油、葵花籽油、棉籽油等。
②医药工业
医药工业也是活性炭的一大用户。
由于药品的纯度要求相当高,所以对作为吸附剂的活性炭本身具有很高的纯度要求。
抗菌类药品、磺胺类药品等生产过程中都要经活性炭脱色提纯,尤其是注射剂必须经活性炭处理。
针剂液在生产过程中含有一种因杂菌的尸体或微生物产生的叫做“热原”的毒素(发热性物质),如不除去,注射后患者会感到发冷,接着体温上升、脉搏加快。
这种“热原”能通过一般的过滤装置且对热稳定,必须经活性炭处理才能把它除去。
另外,活性炭可以直接作为药品。
活性炭对人体外源性毒素(如食物中毒、农药等)和源性毒素(如甘油三脂、肌肝、尿酸等)都有很好的吸附作用,活性炭因此可被用作解毒剂和清肠剂。
同时,活性炭也被作为其他药物的载体进行使用,如活性炭担载治癌药物直接注射治疗肿瘤具有显著疗效。
随着人们生活水平的提高及对医疗保健相关产品的日趋重视,活性炭在医药工业使用中将发挥越来越重要的作用,由于木质粉状活性灰分少,纯度高,是医药用活性炭主要来源。
③水处理业
活性炭具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积,对水中溶解态有机物如苯类化合物、酚类化合物等具有较强的吸附能力,而且对其他方法难以去除的有机物,如色度、异臭、表面活性物质、除草剂、合成染料、胺类化合物以及许多人工合成的有机化合物都有较好的去除或回收效果。
活性炭用于水处理通常分为生活用水净化(即上水处理)和污水处理(即下水处理),污水处理又分为城市生活污水处理和工业废水处理两类。
A.生活用水净化(即上水处理)
早在20世纪20年代,活性炭就开始被用于生活用水处理,当时主要用于除去生活用水中的残留消毒剂——氯及用氯气处理产生的副产物和异臭、异味。
目前主要上水仍采用氯气消毒,作为消毒的副产物有卤代醋酸、三氯乙醛合水及三氯甲烷(THM)等。
活性炭在净水中的应用日益广泛,这是因为一方面活性炭对水中有机物有很好的吸附特性,对水中苯类化合物、酚类化合物、石油及石油产品、洗涤剂、合成染料以及许多人工合成的有机
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