1、活性炭棒的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢分析輕紡工業(yè)與技術(shù)2012年第41卷第1期活性炭棒的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢分析蘭慧芳,鄒專勇,喻佳麗,朱衛(wèi)紅,支佳雯(紹興文理學(xué)院紡織服裝學(xué)院,浙江紹興312000)【摘要】首先基于活性炭顆粒,活性炭纖維吸附機(jī)理,對活性炭棒過濾吸附過程進(jìn)行了比較和分析;然后詳細(xì)闡述了活性炭棒制備原料及所需粘合劑的種類與特點(diǎn),并介紹了活性炭棒的不同制備途徑,分析了各自存在優(yōu)勢與缺點(diǎn);最后對活性炭棒的應(yīng)用領(lǐng)域做了介紹與展望.【關(guān)鍵詞】活性炭棒;吸附機(jī)理;粘合劑;制備;應(yīng)用中圖分類號:TQ424.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:20950101(2012)01003804活性炭的過

2、濾吸附作用產(chǎn)生于兩個(gè)方面:一是物理過濾吸附,主要依靠范德華力,由于活性炭內(nèi)部分子在各個(gè)方向都受著同等大小的力,而表面的分子則受到不平衡的力,這就使其它分子吸附于其表面上,同時(shí)也因活性炭內(nèi)部的大量微孑L存在阻礙大粒徑雜質(zhì)通過而達(dá)到凈化的目的;這些被吸附雜質(zhì)的分子直徑必須是要小于活性炭的孔徑;另一個(gè)是化學(xué)過濾吸附,即活性炭與被吸附物質(zhì)之間因產(chǎn)生化學(xué)作用而達(dá)到吸附,過濾和凈化.當(dāng)吸附過程溫度處于較高情況時(shí),對于多孔活性炭而言,通常化學(xué)吸附比物理吸附顯得更加重要E2.活性炭的過濾吸附是上述兩種過濾吸附綜合作用的結(jié)果,廣泛用于除臭,脫色,干燥和過濾等各個(gè)領(lǐng)域.活性炭根據(jù)其存在形態(tài)可分為粉末活性炭,粒狀活

3、性炭,活性炭纖維及活性炭棒四大類.不同存在形態(tài)下的活性炭其用途及性能存在差異,如粉末活性炭廣泛應(yīng)用于食品,醫(yī)藥,脫色,結(jié)晶,過濾,物質(zhì)提純等領(lǐng)域,粒徑越小,其比表面積越大,過濾吸附效果越好,但存在二次污染且不能再生復(fù)活等缺點(diǎn)口.隨著生態(tài)環(huán)境的惡化及人們生活品質(zhì)的提高,對不同存在形態(tài)的活性炭應(yīng)用需求越來越廣泛,如何最佳地發(fā)揮不同存在形態(tài)的活性炭的過濾吸附效果及拓展應(yīng)用領(lǐng)域是我們面臨的重要課題.如下將通過對活性炭棒過濾吸附機(jī)理,產(chǎn)業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析,從而提出該產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢,為活性炭棒的產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供一定思考方向.收稿日期:2011-11-20基金項(xiàng)目:浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(No.2011R426

4、015)作者介紹:蘭慧芳(1991一),女,在讀本科生,主要從事印染廢水處理研究.通訊作者:鄒專勇1活性炭棒的過濾吸附過程分析1.1粒狀活性炭的過濾吸附粒狀活性炭,粒徑為5005000m,其孔徑結(jié)構(gòu)一般是具有三分散態(tài)的孔分布,孔徑大小分三類,即大孔(>50nm),中孑L(2.050nm)和微孑L(<2.0nm).粒狀活性炭粒徑較粉末活性炭大,其過濾吸附機(jī)理同樣包括物理及化學(xué)過濾吸附,因顆粒成形不易流動,水中有機(jī)物等雜質(zhì)在活性炭過濾層中也不易阻塞,相對粉末活性炭其吸附能力強(qiáng),攜帶更換方便.但由于粒狀活性炭的孔狀結(jié)構(gòu)所致,其吸附速率較慢,分離率不高,尤其是它的物理形態(tài)使

5、其在應(yīng)用和操作上的諸多不便,限制了粒狀活性炭的應(yīng)用范圍E53.1.2活性炭纖維的過濾吸附活性炭纖維,出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代,是繼粉末與粒狀活性炭之后的第三代活性炭產(chǎn)品,是一種新型,高效的吸附劑.相比于粒狀活性炭,活性炭纖維具有比表面積大,微孔豐富,孔徑小且分布窄,吸附量大,吸附速度快等優(yōu)點(diǎn),且以物理吸附為主,受溫度的影響比較小,在水及廢水處理等方面有著廣泛的應(yīng)用前景tso.活性炭纖維易再生,不易粉化和沉降,具有較快的吸,脫附速度,且可根據(jù)需要制備成紗,布,氈和紙以滿足各類用途,但存在價(jià)格較貴,易繁殖細(xì)菌,不能吸附懸浮固體和不溶性染料等缺點(diǎn).1.3活性炭棒的過濾吸附活性炭棒是利用某種粘合劑通過燒

6、結(jié)壓縮,熱熔擠壓等各種物理機(jī)械形式將某種粒徑或幾種粒徑組合的活性炭固結(jié)成棒狀,以用于空氣,水凈化,有機(jī)物吸附凈化等領(lǐng)域的一種過濾吸附材料.活性炭棒的過濾吸附機(jī)理同樣包括物理過濾吸附和化學(xué)過濾吸附,但與粒狀活2012年第41卷第1期輕紡工業(yè)與技術(shù)39性炭和活性炭纖維過濾吸附過程相比,易受粘合劑種類,加工成型工藝類型和活性炭顆粒間空隙等因素影響.如對高密活性炭棒而言,成型過程大量活性炭顆粒問無效單元的減少或消除,對提高單位體積的活性炭棒過濾能力最為有效_l0.同時(shí)介質(zhì)在通過活性炭棒時(shí),與活性炭棒接觸時(shí)間較長,使雜質(zhì)能較充分被過濾吸附.活性炭棒具有制備成本區(qū)性低,且克服了粉末活性炭二次污染問題,能廣

7、泛應(yīng)用于生活污水,工業(yè)廢水等的處理等優(yōu)點(diǎn).然而固結(jié)粘合劑的引入將使活性炭顆粒比表面積下降,導(dǎo)致其過濾吸附活性降低.如何在保證活性炭棒成型粘結(jié)牢度的基礎(chǔ)上,提高活性炭棒的過濾吸附能力,是制備高效,高壽命活性炭棒亟待解決的重要課題2活性炭棒制備原料,所需粘合劑種類及特點(diǎn)2.1活性炭棒制備原料種類及特點(diǎn)不同原材料的活性炭的吸附眭能和孔徑分布不同口.因此活性炭棒的制備原料選擇對活性炭棒的過濾吸附效果提升極為重要.活性炭棒的制備原料來源主要有煤質(zhì)活性炭,木質(zhì)活性炭(如薪材,木屑),竹質(zhì)活性炭(如毛竹),椰殼活性炭,果殼活性炭(如稻殼,杏核,桃殼,核桃殼和棗殼等).張巍等在前人研究基礎(chǔ)上給出了表征活性炭對

8、不同大小分子化合物的吸附性能及表面化學(xué)性能的吸附指標(biāo),即苯酚,碘,甲基藍(lán)和丹寧酸等的吸附值.表1口"給出了不同種類的活性炭的吸附性能,表明不同原料的活性炭及不同加工工藝獲得的同類活性炭對不同大小分子化合物的吸附能力不同,這就要求我們應(yīng)根據(jù)活性炭棒的不同應(yīng)用領(lǐng)域選擇適合的活性炭原料種類.表1不同種類的活性炭各項(xiàng)吸附性能指標(biāo)造成不同原材料的活性炭吸附性能差異很重要的原因在于不同原料的活性炭孔徑結(jié)構(gòu),分布存在差異.章建等人13比較分析了不同活性炭樣品的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)(見表2),并結(jié)合掃描電鏡研究表明,竹質(zhì)活性炭的表面面積和孔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)接近椰殼活性炭水平,優(yōu)于木質(zhì)活性炭和煤質(zhì)活性炭;結(jié)構(gòu)上竹質(zhì)活

9、性碳與木質(zhì)活性炭相似,具有較開放的致密結(jié)構(gòu),存在較多的大孔(5lOm),從大孔延伸出中孔及微孔,孔大都呈現(xiàn)針形形態(tài);椰殼活性炭與其他活性炭結(jié)構(gòu)上存在較大差別,具有更為致密的結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)纖維狀的孔分布.表2不同活性炭樣品的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)刪常見的椰殼,果殼及煤質(zhì)的活性炭原料特點(diǎn)如下.2.1.1椰殼活性炭椰殼活性炭微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá),具有最小的孔隙半徑,其對小分子(芳環(huán)類)和極性有機(jī)物的吸附性能較好;同時(shí)椰殼活性炭具備吸附速率快,吸附周期短,吸附容量大,脫色,除臭快,強(qiáng)度高,使用壽命長的特點(diǎn).但是目前國內(nèi)椰殼資源短缺,炭化強(qiáng)度偏低,水分,揮發(fā)份含量較高,活性炭制備工藝不精,進(jìn)口原料價(jià)格偏高.2.1.2果殼活性

10、炭果殼活性炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá),比表面積很大,中小孔數(shù)量較多,對于中型分子的吸附能力強(qiáng),機(jī)械強(qiáng)度高,床層阻力小,化學(xué)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性好,吸附后固液分離簡單,不存在二次污染,且原料來源比較充足,在飲用水凈化和廢水深度處理方面,果殼活性炭具有非常重要的實(shí)用價(jià)值.2.1.3煤質(zhì)活性炭煤質(zhì)活性炭原料豐富,其碘值指標(biāo)較高,但因原料煤品種多,如無煙煤,肥煤,黃化煤等,使得制備的活性炭質(zhì)量不穩(wěn)定,灰分很多,質(zhì)量較差,因此需通過改變活化工藝參數(shù)制備高比表面積活性炭ll5.而通過KOH,NaOH活化的方法制備高比表面積活性炭容易腐蝕設(shè)備,清洗產(chǎn)品的酸液還會造成環(huán)境污染.2.2活性炭棒制備所需粘合劑種類及特點(diǎn)粘合劑的種

11、類繁多,按化學(xué)成分可分為天然類粘合劑和合成類粘合劑.常見的天然類粘合劑有淀粉,動物膠和天然樹脂等,然而天然粘合劑往往需要經(jīng)過改性才能達(dá)到預(yù)期的效果,如淀粉經(jīng)水溶性改性后可用作活性炭棒的粘合劑n.合成類粘合劑,種類較多,有超高相對分子量聚乙烯(UHMWPE),高密度聚乙烯(HDPE),低密度聚乙烯(LDPE),聚丙烯,聚酰胺,聚酯,乙烯一醋酸乙烯共聚物(EVA)和聚醚等粘合劑EI7-193.下面對幾種常用于活性碳棒制備的粘合劑進(jìn)行簡單介紹.2.2.1乙烯一醋酸乙烯共聚物(EVA)粘合劑它是由EVA乳液經(jīng)噴霧干燥后所形成的一種可自由流動的再乳化性白色粉末.EVA乳液表面張力低,具輕紡工業(yè)與技術(shù)20

12、12年第41卷第1期有永久的柔韌性,較好的潤濕性和粘合性,可用于制備粘合強(qiáng)度較高的膠粘劑E2o.EVA乳液呈乳白色或微黃色,共聚物固含量為55%左右,pH值為4.06.5,粘度范圍在5004000mPa.s,乳液粒徑范圍在0.22.0lxm,乳液密度范圍在1.031.08g/cm3_.EVA乳液及其膠粘劑具有干燥速度較快,膠膜柔韌性好,粘接強(qiáng)度高,耐水性較好,耐酸堿,耐油等優(yōu)異性能22.EVA及改性EVA粘合劑具有的較高粘接強(qiáng)度,且易在活性炭顆粒表面形成一層柔韌的膠膜,使制成的活性炭棒具有較高的強(qiáng)度,改善了活性炭棒的脆性,使其具有較好的韌性,備受活性炭棒制備企業(yè)的青睞.2.2.2低密度聚乙烯(

13、LDPE)粘合劑低密度聚乙烯(LDPE)粘合劑是在高壓力(100300MPa),高溫(190210C),過氧化物催化條件下自由基聚合而成的,具有支鏈結(jié)構(gòu).與線性低密度聚乙烯(LLDPE)粘合劑相比,LDPE具有熔點(diǎn)較低,在較低溫度情況下能達(dá)到優(yōu)異的粘結(jié)性;同時(shí)LDPE較寬的相對分子質(zhì)量分布使其具有較強(qiáng)的熔體強(qiáng)度;另外,LDPE還具有較均衡的物理性能,韌性較好,沖擊強(qiáng)度高,脆化溫度低,水的滲適率低,穩(wěn)定性好,耐化學(xué)品尤其是耐極性化合物性能好等特點(diǎn)233.與高密度聚乙烯(HDPE)相比,其結(jié)晶度(55%65%)和軟化點(diǎn)(90100(2)較低,有良好的柔軟性,延伸性,透氣性和加工性,其化學(xué)穩(wěn)定性較好

14、,可耐酸,堿和鹽類水溶液.低密度聚乙烯的熔點(diǎn)低,能在較低溫度下熔融,并與活性炭顆粒混合制得活性炭棒,工藝要求較低,但使用受環(huán)境條件(如溫度)的制約較多.2.2.3高密聚乙烯(HDPE)粘合劑高密聚乙烯(HDPE)粘合劑是一種顆粒狀白色粉末,它是在中等壓力(1530大氣壓)有機(jī)化合物催化條件下進(jìn)行ZieglerNatta聚合而成的,具有較高的剛性及韌性,良好的力學(xué)性能及較高的使用溫度.與低密度聚乙烯比較,高密聚乙烯有較好的耐溫,耐油性,抗環(huán)境應(yīng)力開裂性和抗沖擊性.由于其支鏈化程度較小,分子能緊密地堆砌,結(jié)晶度高,所以在強(qiáng)度和勁度方面比LDPE好,韌性也比LDPE高243.HDPE化學(xué)穩(wěn)定性較好,

15、且具有良好的加工性能.HDPE粉的良好機(jī)械性能,耐熱蠕變性能和耐收縮性利于生產(chǎn)燒結(jié)活性炭棒制品,但部分活性碳顆粒間易出現(xiàn)未粘結(jié)的現(xiàn)象.2.2.4超高相對分子量聚乙烯(UHMWPE)粘合劑超高相對分子量聚乙烯粘合劑具有線性結(jié)構(gòu),分子鏈長度是高密度聚乙烯的1020倍,分子量達(dá)到100600萬,具有優(yōu)異的耐沖擊,耐磨損,自潤滑性,耐化學(xué)腐蝕等性能.由UHMWPE為粘合劑制備的常規(guī)活性碳棒具有結(jié)構(gòu)緊密的特點(diǎn),很少適合制備高多孔結(jié)構(gòu)的活性碳棒J.2.2.5改性聚乙烯粘合劑EVA,LDPE和HDPE等粘合劑因具有高的流動性,導(dǎo)致粘合劑在活性碳棒內(nèi)分布出現(xiàn)不均勻分布等現(xiàn)象,Haftka等針對這一現(xiàn)象制備了一

16、種新穎的改性聚乙烯粘合劑,其熔體流動指數(shù)(MFI190/15)為1.210.Og/10min,多分散性MffM為330,堆積密度為0.050.50cm和粒度為5-300lxm的聚乙烯均聚物_l.該粘結(jié)劑具有高粘度,較低的涂敷活性炭的傾向,高多孑L性,低堆積密度和良好的熱穩(wěn)定性.它在很大程度上減少了對活性炭棒中活性炭活性表面的遮蔽,使其充分發(fā)揮多孔結(jié)構(gòu)的作用,從而可以制得具有高吸附I生以及具有良好的機(jī)械強(qiáng)度的活性炭棒.2.2.6水溶性改性淀粉粘合劑水溶性改性淀粉粘合劑是一種水溶性丙烯酸和動物膠改性的淀粉粘合劑1.由于其選用天然原料,所以對環(huán)境基本無污染,而且成本廉價(jià),制得活性炭棒后,在處理印染廢

17、水的過程中不會造成二次污染,符合綠色環(huán)保的理念.經(jīng)改性后的淀粉比天然淀粉的糊化熱要小,粘度增高,滿足使用少量的粘合劑也能使活性炭棒具有一定的強(qiáng)度又盡量不會堵塞顆粒活性炭的表面微孔的要求,從而又保證了活性炭棒具有良好的吸附性能.3活性炭棒制備途徑及存在的問題活性炭棒的制備途徑一般分兩種,一種為熱壓型活性炭棒,即將顆粒活性炭與特定粘合劑以一定的比例混合經(jīng)熱熔擠壓后,切成一定長度的段狀活性炭棒;另一種為燒結(jié)型活性炭棒,即將顆粒活性炭與粘合劑以一定比例混合后灌注到特定的模具中,將模具兩端加端蓋,用壓力機(jī)械將混合材料壓實(shí),并放人干燥箱中燒結(jié)冷卻后脫模制得.活性炭棒的兩種制備途徑均利弊共存.對熱壓型活性炭

18、棒制備而言,粘合劑在碳棒成型中的均勻分布不易控制,且濾芯粘結(jié)劑含量過少,吸附過程中會出現(xiàn)漏粉現(xiàn)象.濾芯粘結(jié)劑含量過大,堵塞活性炭的孔隙,會明顯降低活性炭的比表面積,使其吸附,脫色,除異味等性能大大地降低,但該制備方法具有效率高,制備成本低等優(yōu)勢;而燒結(jié)型活性炭棒制備而言,同樣存在粘合劑在碳棒成型中的均勻分布控制問題,且制備所需模具數(shù)量多,生產(chǎn)成本較高,不利于規(guī)模化生產(chǎn),但相對熱壓型活性炭棒而言具有較好的過濾吸附I眭能.活性炭棒制備過程表明:活性炭顆粒種類及粒徑的選擇,粘合劑種類與含量以及炭棒成型模式均會影響到其過濾吸附性能.如何解決活性炭棒制備過程中粘合劑在活性炭顆粒表面均勻分布,引入粘合劑后

19、活性炭顆粒比表面積下降現(xiàn)象,炭棒物理機(jī)械性能提升,成型模式優(yōu)化與制備效率提高等關(guān)鍵問題是活性炭棒制造業(yè)面2012年第41卷第1期輕紡工業(yè)與技術(shù)41臨的重要課題.4活性炭棒的應(yīng)用領(lǐng)域及展望活性炭棒克服了或大大降低了活性炭顆粒過濾吸附中的二次污染問題,提升了顆粒活性炭的過濾性能,廣泛應(yīng)用在水處理,空氣凈化,溶劑回收,吸附分離,催化反應(yīng)和儲能等領(lǐng)域16,18,26.活性炭棒在空氣凈化中應(yīng)用主要是利用活性炭的物理吸附將空氣中非極性有害氣體及微小固體顆粒物進(jìn)行吸附.目前,活性炭棒濾芯主要應(yīng)用于飲用水及其它潔凈水凈化領(lǐng)域,如在常壓凈水器中,用于吸附水中的異色,異物和有機(jī)物,提高出水口感.在水處理上,很少有

20、用于染整廢水處理領(lǐng)域的相關(guān)報(bào)道,這將是一個(gè)較為重要的應(yīng)用方向.紡織工業(yè)是我國的重要基礎(chǔ)工業(yè),印染行業(yè)又是紡織工業(yè)用水量較大的行業(yè),染整廢水水量大,色度高,成分復(fù)雜,廢水中含有染料,漿料,助劑,油劑,酸堿,纖維雜質(zhì)及無機(jī)鹽等,嚴(yán)重污染著環(huán)境.因此如何改進(jìn)活性炭棒的制備工藝參數(shù),提高其過濾吸附效果,探索印染廢水處理的新途徑,降低印染行業(yè)廢水處理的成本,減輕印染行業(yè)廢水處理的壓力,是今后活性炭棒在印染廢水處理應(yīng)用中應(yīng)探討的內(nèi)容.5結(jié)語未來要充分發(fā)揮活性炭棒的過濾吸附性能,擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域,需擴(kuò)展和探索更多適合制備高效高比表面活性炭棒的粘合劑,優(yōu)化活性炭棒制備成型工藝,探索活性炭棒的不同成型模式,弄清影

21、響活性炭棒過濾吸附的因素及內(nèi)在規(guī)律,研究活性炭棒的再生復(fù)活技術(shù),縮短與國外該領(lǐng)域的差距,相信通過這一系列方向的努力,可以獲得高效過濾吸附,耐久,寬使用條件的活性炭棒,必將使活性炭棒具有良好的社會應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)社會效益.參考文獻(xiàn)1任蕓蕓,傅成誠.改性活性炭治理室內(nèi)空氣污染物機(jī)理與現(xiàn)狀研究J.氣體凈化,2009,9(6):9-11.2SchneiderR.M.,CavalinC.F.,BarrosM.A.S.D.,eta1.,AdsorptionofchromiumionsinactivatedcarbonJ.ChemicalEngineeringJournal,2007,132:355-3

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