净水处理剂-活性炭（一）

活性炭是具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积和优良的吸附性能的含碳物质。活性炭在几乎所有的领域中都获得了广泛的应用。随着人们对环保问题的日益重视，各行业对活性炭的需求逐年増加。

活性炭是具有良好吸附性能的含碳物质，其耐酸碱、稳定性好，能在不同酸碱度、多种溶剂和高温、高压下使用，广泛应用于气体净化、精制和分离，溶剂回收、高能量密度物质的储存等，已成为国民经济中重要的化工产品之一。

理化性能

活性炭不溶于水和其他绝大部分溶剂。除了高温下同氧接触，同臭氧、氯、重铬酸盐等强氧化剂反应外，在诸多实际使用条件下都极为稳定。活性炭不但孔隙结构十分发达，且比表面积很大，在500~600°C的高温下有足够的耐热性，同时耐酸碱性又很好。

活性炭的孔隙结构非常复杂，孔径从几个纳米的微孔到肉眼可以看到的大孔，孔径分布范围很宽，孔的形状又是各式各样的。活性炭的吸附能力主要决定于活性炭的孔结构，由此使其具有多种多样的吸附能力和催化能力。

活性炭的主要元素是碳，其次是氧和氢。氧和氢的存在对活性炭的吸附性能及其他特性有较大影响，这些元素多以化学键与碳原子相结合，在活性炭表面上形成多种含氧官能团、酸性官能团、中性官能团和碱性官能团，这也是活性炭最主要的活性基团。其碳的氧含量越高，其酸性就越强。

工艺开发

基本原料

制备活性炭的原料除传统的优质木材、据木屑、木炭、椰壳炭、棕榈核碳，另外还有农林副产物和某些食品工业废弃物，包括椰子壳和核桃壳、炭化的树皮以及气体活化可得到廉价的活性炭，这种活性炭可用来作为造纸废水的脱色剂。用椰树皮纤维为原料，通过化学法得到活性炭，能有效除去水中的有毒废金属。甘蔗渣作为制糖厂的废弃物，回收利用可用来制造价格低廉具有特定性能的活性炭，用于污水处理和颜料吸附。

近十几年，由于水土流失，森林大火频发，木材资源急剧减少，国家也对森林保护制定的相应的限采法律。但随着经济的发展，木质活性炭的需求增加，现用农作物外壳及秸秆作为制作木质活性炭的原料工艺已趋成熟。

活性炭工业形成于欧洲。二战前后活性炭工业在美国大力发展，从那以后美国的活性炭产量一直居世界第一位，美国活性炭生产原料主要是木材、褐煤、椰壳、木炭等，制造方法多采用水蒸气活化和磷酸活化，生产活化炉采用多层耙式炉、回转炉、液化床炉。

烟草是一种十分重要的经济作物，属于可再生资源，具有特殊的经济价值。烟杆作为烟草的一部分，每年在摘收烟叶之后，即变成废料，丢弃于田间地头形成固体废弃物构成环境污染，或被晒干焚烧造成大气污染。这不仅破坏了生态环境，而且浪费了可供利用的资源，因此探索烟杆综合利用技术具有重要的实践意义。

煤炭类用于制备活性炭的煤种主要是某些烟煤、优质无烟煤、褐煤等。无烟煤内部含有分子大小的孔隙，是制备微孔炭的合适原料。我国有丰富的煤炭资源，以煤为主要原料用常规生产方法得到高比表面积、高吸附量的活性炭成为具有很大意义的课题。

除尘灰是钢铁企业在生产过程中排放的大量粉尘和副产品，量大且粒度极细，主要成分是铁和碳，还有少量的钙、镁、硅、铝的氧化物。目前，我国对除尘灰的利用主要是将其粒化后作为炼钢原料进行回炉，或作为水泥等的加入料、填料、氧化铁红等一些技术含量较低的材料。国外对除尘灰的回收利用非常重视，回收其中的碳制成活性炭用于水处理。用还原铁厂含碳量为62.68%的除尘灰分离炭粉，用不同的活化方法制得的粉状活性炭，对废水中Cr(VI)离子有良好的吸附性能。

操作过程

物理活化

将炭化材料在高温下用水蒸气、二氧化碳或空气等氧化性气体与炭材料发,使炭材料中无序炭部分氧化刻蚀成孔，在材料内部形成发达的微孔结构。炭化温度一般在600°C,活化温度一般在800~900°C之间，因为依赖氧化碳原子形成孔隙结构故活化收率不高，且活化温度较高，需先炭化再活化。

化学法

化学活化是选择合适的活化剂，把活化剂与原料混合后直接活化一步可制得活性炭。ZnC2活化法在我国是最主要的生产活性炭的化学方法，主要以木屑为原料采用回转炉或平板法制备。采用石油焦、煤沥青、核桃壳为原料，用NaOH、KOH等碱金属或碱金属化合物作活化剂制得比表面积为3000~3600m2/g的活性炭。

化学活化需要较低的温度，活化产率高，通过选择合适的活化剂控制反应条件可制得高比表面积活性碳。

氯化锌具有脱水作用，当氯化锌溶液浸入木质原料纤维中，将木质组织细胞中的氢、氧元素以水分子的形式脱出，当木质中的水分子全部脱出后，木质被活化为木质活性炭。

将木质粉碎成木屑并烘干待用，将工业纯的氯化锌制成pH为4.6~6.6的水溶液，按木质与氯化锌溶液1:4的比例加到混合槽中，充分搅拌均匀后放置20min以上。这样可使氯化锌溶液完全浸入木质纤维细胞内，为充分活化提供条件。

用高温水蒸气（500°C)从炭化炉底端吹入炭化炉中，同时将放置的混料从炭化炉的上端加入，为増大高温水蒸气与混料反应界面，使木质充分炭化，炭化炉可选用回转式炭化炉。

木质法

活性炭制品的分类有许多种方法，就用途不同，可分为粉末状和颗粒状，颗粒状又分为定型炭和非定型炭。由生产的工艺不同，可分为物理法活性炭和化学法活性炭。而生产原料的不同又可分为木质炭和煤质炭。木材质地松软，组织细胞壁内空间较大，木质活性炭过程中，活化剂可轻松均匀进入木质细胞内，增大了反应界面，这种工艺生产出的活性炭的吸附性脱色性很大。所以木质法生产出的木质活性碳，其性能优越又无毒。

现在人们的保护意识増加，环保部门对企业制定了排污标准。治理排污的费用对企业也是很重的负担，寻求一种无污染或相对污染小的活化剂代替现用作为活化剂的氯化锌是解决此问题的最好方法。用磷酸、硫酸等作为活化剂替代氯化锌的试验已在实验室中完成，如中试成功便可用于企业的生产中。

另外，无污染的物理法活性炭的工艺也被环保部门推荐，一些生产厂家现也改用此工艺生产木质活性炭，一些先进的无污染的流态化工艺及辐射工艺的研究也有了新的进展。

化学物理法

活化前对原料进行化学改性浸渍处理，可提高原料活性并在材料内部形成传输通道，有利汽体活化剂进入孔隙内刻蚀。化学物理法可通过控制浸渍比和浸渍时间制得孔径分布合理的活性炭材料，并且所制得的活性炭既有高的比表面积又含有大量中孔，在活性碳材料表面获得恃殊官能团。在利用除尘灰制备活性炭工艺的过程中，炭粉先经过常温氨盐浸渍预处理，可降低活性炭的灰分，提高活性炭的比表面积。将其用于可挥发性苯系物的吸附，呈现良好的吸附性能。

铸型炭化法

将有机聚合物引入无机模板中很小空间（纳米级）并使之炭化，去除模板后即可得到与无机物模板空间结构相似的多孔炭材料。利用硅胶微粒作为模板，制得比表面积为1100~2000m2/g,孔径为1~10nm,并集中在2nm的窄孔径分布的活性炭。铸型炭化的优点是可以通过改变模板的方法控制活性炭孔径的分布，但该方法制备工艺复杂，需用酸去除模板，使成本提高。

聚合物炭化法

聚氯乙烯、聚丙烯、呋喃树脂、酚醛树脂、聚碳酸脂、聚四氯乙烯等，这些原料可用来制活性炭。粒状酚醛树脂是制造高性能活性炭的好原料，用它生产的活性炭具有独特的微细孔，经表面处理，可用于净水器等。由两种或两种以上聚合物以物理或化学方法混合而成的聚合物如果有相分离的结构，热处理时不稳定的聚合物将分解并在稳定的聚合物中留下孔洞。将酚醛树脂和聚丁烯丁脂在甲醇中以1:1比例混合，制得中孔活性炭。现在所利用的形成孔隙的聚合物由于热解形成孔隙而不能回收利用，将来可采用不进行热解而使用蒸发的孔隙形成剂对它回收利用，还可以考虑缩短不融化处理时间，提高经济性。

生物活性炭

生物活性炭是指水处理过程中，有意识地助长粒状活性炭吸附的好氧生物活性的处理工艺，利用活性炭吸附的同时还利用微生物分解机能进行净化。与臭氧处理配合可用于净水的高度处理，在这种场合除去有害物质要靠活性炭的吸附作用，微生物具有让活性炭的吸附效果持续进行的机能。在废水处理中使用生物活性炭，因为废水中含有的有机物质污染负荷大，可以认为主要依靠微生物的分解作用，活性炭的作用重点在于稳定微生物的生息环境，把生物活性炭作为脱臭材料使用，不添加各种金属盐之类的化学药品，就能提高它的性能，而且具有处理多种多样臭气成分的可能。

高品级活性炭

小径木经干溜后所获得的木炭具有吸附某些气体的能力，工业上将小径木经干溜，以制取具有一定形状且有较高的吸附性能的炭，这种炭就称为活性炭。

我国活性炭生产方法有物理法和化学法，后者根据所用催化剂不同分为氯化锌法和磷酸法。近年来，由于市场的需要，一些新的活性炭产品不断得到开发，如活性炭纤维、活性炭布、高吸附性能和高比表面积活性炭等。

超级活性炭

我国在化学法活性炭生产中，绝大部分仍是土法小厂，其生产成本偏高，废水废气对环境污染严重。而国际上随着生产企业的大型化，其活化装置的大型化及生产过程控制的自动化也有了很大发展，美国和日本大型耙式多段炉单台生产能力已达1万吨/年或更高，并实现了生产过程的计算机控制。

活性炭的生产原料主要为煤和木质原料，就林产化工而言，主要是指利用据屑、果壳等木质原料生产的活性炭。活性炭可以用木头、煤、椰壳、锯末等各种含碳的物质系列工艺过程制得。由不同原料制得的活性炭具有不同的硬度、粒径大小和比表面积。所以，不同型号活性炭有各自的应用领域。

以石油焦为原料，采用碱熔活化法可以合成出具有超品比表面的超级活性炭。其径向活化是超级活性炭形成微孔分布的主要途径，也是控制超级活性炭微孔分布的主要手段。而高温横向活化则是导致超级活性炭形成大孔的主要途径。高温横向活化与中温径向活化一起构成了石油焦基超级活性炭形成的主要机理。