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活化对球形活性炭性能的影响

发布时间:2014/6/21 来源:河南浩祥净化
活化对球形活性炭性能的影响

3.2.1 气体的活化过程

    ① 活化剂的选择和应用

    常用气体活化剂有水蒸气、CO2、空气和烟道气等。水蒸气活化一般在750∼900℃条件下完成;CO2活化需要850∼1100℃,活化时间也较长;氧活化是放热反应,炉内不易保持确定的温度,尤其很难避免局部过热和活化的不均匀性。

    实验时选择水蒸气做活化剂。活化时随着温度的升高,炭化料继续脱挥发分和热分解,只留下极少量的挥发分及非碳元素(如结合牢固的氢)等。活化炉中主要的反应是碳与气体介质之间的反应,即气固相之间的非均相反应,同时也有气体反应物之间的均相反应。气固相反应对孔隙的形成起决定性的作用,这种反应可以分为容积反应和表面反应2类。容积反应主要在内表面进行,而表面反应时,反应气体刚扩散到表面就反应了,不会扩散到内部。显然活化过程希望以容积反应为主,通常当温度较高时,容易发生表面反应(如氧化反应和燃烧反应)。

② 炭化料的活化过程

    对炭化料进行活化的过程可分为以下7步:a.气相中的活化剂向炭化料表面扩散(外扩散);b.活化剂(气体分子)由颗粒表面通过孔隙向内部扩散(内扩散);C.反应气体分子吸附在固体碳的表面,形成中间络合物;d.吸附的中间络合物之间,或吸附的中间络合物和气相分子之间进行反应;e.吸附态的产物从固体表面脱附;f.发生反应的气体从内部向颗粒表面扩散(内扩散);g.反应生成的气体不断从表面扩散到气相空间(外扩散)。

    活化反应在活性炭细孔形成过程中有3个作用:a.开孔作用。炭化时形成的孔隙由于被焦油或其他分解生成的无定形炭所堵塞,造成了闭孔,使被吸附分子无法进入孔隙,所以无吸附能力。活化时,由于这些焦油或无定形炭与气体活化剂反应而被除去,使闭孔打开,比表面积增大。b.扩孔作用。由于孔隙内表面的一部分碳与活化剂反应生成CO2或CO气体排出,使原有的孔隙直径增大。同时由于孔壁的烧失使孔与孔相通,形成气体通道,有利于气体活化剂向内部扩散。c.某些结构经过选择性活化而生成新孔。由于以上3个作用,使活性炭形成发达的细孔结构,孔隙率和比表面积增加(3)。

3.2.2 水蒸气的活化机理

    碳与水蒸气的反应是吸热反应:C+H2O→H2+CO             (1)

    水蒸气过量时的反应也是吸热反应:C+2H2O→2H2+CO2         (2)

    碳与水蒸气的反应机理如下:C+H2O→C(H2O)             (3)

                                            C(H2O)→H2+C(O)            (4)

                                        C(O)→CO                   (5)

    括号表示化合物与炭表面相结合,可能处于吸附状态。由于反应生成的氢可能结合在活性点上,从而抑制了碳与水蒸气的反应。为了考察活化的效果,即吸附性能,这里用碘吸附值来衡量。不同温度、不同时间活化后的活性炭碘吸附值见图1。碘吸附值越大,说明活化的效果越好。

窦红兵等:煤沥青炭化活化工艺对球形活性炭性能的影响

图1 不同温度下碘吸附值随活化时间的变化趋势

Fig.1 Variation trend of iodine adsorption value with activation time at diferent temperatures

3.2.3 活化反应的分析

    ① 活化速度决定于气体扩散和化学反应中最慢的那个速度。当总反应受扩散过程的速度控制时,称为扩散控制;反之,当总反应受化学反应速度控制时,称为化学动力学控制。

    ② 活化应该在颗粒内部均匀地进行,因此希望颗粒内部的气体浓度一致。假如活化温度过高,反应速度过快,颗粒内部气体扩散速度赶不上化学反应速度,那么必然会产生活化气体的浓度梯度,不能均匀地进行活化反应。

    ③ 气体活化反应的实质就是碳的氧化反应,但碳的氧化反应并不是在炭的整个表面均匀地进行,而仅仅发生在活性点上,即与活化剂亲和力较大的部位才发生反应(如在微晶的边角和有缺陷的位置上的碳原子)。因为原子价未完全饱和,所以反应性大。

    ④ 活化程度一般以烧失率来衡量。活化初期,吸附能力随烧失率的增加而增加;但烧失率达到一定程度后,继续活化,则吸附能力下降或提高幅度很小。这是因为过分活化后,微孔和过渡孔不断扩大为大孔。此时,活性炭的孔隙率虽然增加,但内表面积却不断减小或增加很少。另外,烧失率增加后,活性炭的灰分增加,从而也降低活性炭的吸附能力。生产不同用途的活性炭常常要控制一定的烧失率,如气相用的防毒炭一般控制烧失率为50%左右,而脱色炭则烧失率要求达到70%左右(4)。

4 实验结果

    煤焦油沥青进行预处理后,经不熔化、炭化和用水蒸气在850℃下活化6 h,烧失率为67.5%时制得的活性炭碘吸附值为778.8 mg/g,亚甲蓝值为77.32 mg/g。而掺混少量石油焦的煤焦油沥青混合成型后,在560℃下炭化1 h,经过810℃活化7 h,烧失率为60.40%时碘吸附值为855.4 mg/g,亚甲蓝值为104.9 mg/g,达到了净化用颗粒活性炭质量标准。