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，是疏水性非極性吸附劑，能選擇性地吸附非極性物質，吸附力大。孔徑大小不同的孔隙，能吸附分子大小不同的物質。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定的化學性質。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 活性炭的質量指標與應用

活性炭的質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的能力，具有大量微孔的活性炭，此值較高。根據活性炭的吸附特點，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，在醫藥行業中也有所利用，隨著科學的發展，隨著國家對生態環境的重視，活性炭的用途也越來越廣泛。

2 活性炭的國內外需求現狀

國內外活性炭的生產與應用都比較晚。歐美在20世紀初開始發展活性炭的生產。我國的活性炭工業在20世紀50年代才真正建立起來，在70年代有較大的發展。目前，世界活性炭的年產量約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年中國活性炭生產總量達1.2×105T以上，占世界年產量的l5%。據有關信息資料報道，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。從這些數據可以看出，2l世紀中國的活性炭行業仍然具有廣闊的發展前景。但是，國內的活性炭工業必須注重研究活性炭的應用發展趨勢，加強新技術開發，促進整個活性炭行業的良好發展。

3 活性炭制備原料與傳統制備方法

3.1 活性炭的制備原料

用于活性炭生產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。根據生產所用的材質，目前國內主要的活性炭品種有木質活性炭、煤質活性炭、果殼活性炭和活性炭纖維等。

3.2 活性炭的傳統制備方法

國內外傳統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，質量不穩定，比表面積較低，活化溫度高，設備投資大，但對環境無污染；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，在碳材料內部形成傳輸道，有利于氣體活化劑進入孔隙內進行刻蝕。這種方法優點是：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、成本低等顯著優點。因此微波法制備活性炭成為近年來國內外學者的研究熱點之一。國內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，活化制得優質活性炭。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、椰殼、棉稈，利用磷酸、水蒸氣、氯化鋅為活化劑制得優質活性炭。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，依材料的性質不同會發生反射、吸收、穿透現象，這取決于材料的介電常數、介電損耗系數、比熱、形狀和含水量等。一般來說介質在微波場中加熱有兩種機理，即離子傳導機理和偶極子轉動機理，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 微波技術在環保領域的應用

微波技術在環保領域的幾種應用：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的活性炭產品。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了相似的變化規律，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達，吸附性能就越好。另一方面，氯化鋅是強吸附物質，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、污染小等優點，此外制備出來的活性炭吸附性能優良。但也有不足之處，微波泄漏會對人體和周圍環境造成危害，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模工業化應用。

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