微波技术制备活性炭的方法

一、活性炭的特性:

    活性炭属不定型物质, 是疏水性非极性吸附剂,能选择性地吸 附非极性物质,吸附力大。孔径大小不同的孔隙,能吸附分子大小不同的物质。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 得以使用也归功于其稳定的化学性质。它能耐酸、耐碱、耐高温,不溶于水和其 它溶剂,能在水溶液和许多溶剂中使用。活性炭的另一特性是它经使用失效后,可用各种方法再生,可多次利用。

（1）活性炭的质量指标与应用

    活性炭的质量有多项物理 与化学指标,主要的如:水分、灰分、酸溶物、各种金属和酸根的含量,以及它的吸附性能等。对于不同 用途的活性炭,时常用不同的物质和方法来检验它的吸附性能,通 常有亚甲基蓝吸附值、 碘吸附值、焦糖吸附值、苯酚值等。其中 亚甲基蓝吸附值是常用的,对它的吸附量反映了活性炭吸附小 分子物质的能力,具有大量微孔的活性炭,此值较高。根据活性炭的吸附特点,活性炭主 要用于除去水中的污染物、脱色、过滤净化液体、气体,还用于对空气的净化处理、废气回收（如在化 工行业里对气体苯的回收）、贵重 金属的回收及提炼（比如对黄金的吸收）。近年来,在医药行业中也有所利用,随着科学的发展,随着国家对生态环境的重视,活性炭的用途也越来越。

二、活性炭的外需求现状

    外活性炭的生产与应用都比较晚。欧美在20世纪初开始发展活性炭的生产[2]。我国的活性炭工业在20世纪50年代才真正建立起来,在70年代有较大的发展。目前,世界活性炭的年产量约6.5×105t左右。1997年美洲（巴西、墨西哥、美国）为2.359×10 5t,欧洲（比利时 、法国、英国、荷兰）达1.124×l05t,亚洲[中国（包括中国台湾）、印度、印尼、日本、南朝鲜、马来西亚、菲律宾、斯里兰卡、泰国]计3.01×105t。1997年中国活 性 炭生产总量达1.2×105t以上,占世界年产量的l5%。据有关信息资料报道,1998年中国出口量为1.004×105t,出口额达6.04亿美元;2000年中国活性炭出口量高达1.192×105t, 出口额高达6.85亿美元。在进口数量上, 1999年活性炭进口量为1904.5万 t,进口额达558.2万美元2001年活性炭进口量增加为2567.3万t。进口额为727.1万美元。从这些数据可以看出,2l世 纪中国的活性炭行业仍然具有广阔的发展前景。但 是,的活性炭工业必须注重研究活性炭的应用发展趋势,加强新技术开发,促进整个活性炭行业的良好发展。

三、活性炭制备原料与传统制备方法

（1） 活性炭的制备原料

    用于活性炭生产的主要原材料可分为以下5大类:a、植物性原料,如木材、锯末、果核、果壳、棉花秸、糠醛渣、蔗糖渣等;b、矿物原料,如各种煤和石油残渣等;c、各种废弃物,如动物的骨头和血,工业上废旧塑料、各种橡胶废品等;d、合成纤维材料,如聚丙烯等;e、有机纤维材料,如聚丙烯腈纤维、粘胶丝、沥青纤维等。根据生产所用的材质,目前主要的活性炭品种有木质活性炭、煤质活性炭、果壳活性炭和活性炭纤维等。

（2）活性炭的传统制备方法

    外传统的活性炭制备方法有气体活化法,化学活化法,化学物理法:气体活化法是把原料炭化后,用水蒸气、二氧化碳、空气、烟道气等,在800～900℃下进行活化的方法。活性炭得率较低,质量不稳定,比表面积较低,活化温度高,设备投资大,但对环境无污染;化学活化法是把化学药品加入原料中,然后在惰性气体中加热,同时进行炭化和活化的一种方法。这种方法对设备腐蚀性较大,污染环境,残留物较多;化学物理法在活性炭原料中加入一定量的化学药品（即添加剂）进行化学活化浸渍处理,在碳材料内部形成传输道,有利于气体活化剂进入孔隙内进行刻蚀。这种方法优点是:可通过控制浸渍比和浸渍时间来制得孔径分布合理的活性炭,比表面积大,且得率高。

四、微波法制备活性炭

    微波具有快速、、资源回收利用率高、不会造成二次污染、成本低等优点。因此微波法制备活性炭成为近年来外学者的研究热点之一。外许多研究者尝试用微波制备活性炭并取得了可喜成绩,如Kasai、Takakazu[5]等将有机成型废料用微波加热,炭化,活化制得活性炭。彭金辉等用蚕豆秆,稻秆,黑型树皮拷胶废料,瓜子壳,麦秸,玉米芯,蚕豆壳,甘蔗渣,杨梅树皮废料,烟秆,松木屑,椰壳为原料,微波制备活性炭。樊希安等采用微波辐射竹节、椰壳、棉秆,利用磷酸、水蒸气、氯化锌为活化剂制得活性炭。张利波等采用微波辐射烟秆法制得了性能各异的活性炭。

（1）微波加热的原理

    微波频率大约在300MH～300GH,即波长100cm至1mm范围内的电磁波。微波加热的原理基于当微波遇到不同材料时,依材料的性质不同会发生反射、吸收、穿透现象,这取决于材料的介电常数、介电损耗系数、比热、形状和含水量等。一般来说介质在微波场中加热有两种机理,即离子传导机理和偶极子转动机理,在实际加热中,两种机理的微波能耗散同时存在。传统加热是由外部热源通过热辐射由表及里的传导加热,与之相比,微波加热具有如下特点:选择性加热,加热速度快,热效率高,便于控制,易于自动化控制。

（2）微波技术在环保领域的应用

    微波技术在环保领域的几种应用:含油污泥微波脱油技术;原油淤泥微波脱油技术;微波碳还原-烟气脱硫脱硝技术;微波焚烧法处理废电路板回收贵金属技术;微波-氯化锌法制取锯末活性炭处理含铬废水;微波法制取原油泄露处理用高吸油性复合体技术;防电磁波辐射污染用微波吸收剂的制取技术。

（3）微波法制备活性炭的影响因素

    在活性炭的制备中,原料不同,成品功效也不同。其中椰壳活性炭是活性炭行业*的的一种活性炭,不论是吸附速度、吸附能力、强度等各项指标以及按照水处理工艺不同可选择不同材质的活性炭产品。微波法制备活性炭的影响因素有:微波功率、辐照时间、活化剂浓度、浸渍比、pH值等。

（4） 微波功率的影响

    取充分浸渍滤干后污泥原料于石英管中,固定微波辐照时间4min,氯化锌浓度35%,干污泥与氯化锌比重1:3.0,改变微波功率,。当功率较低时,加热温度没有达到炭化活化的温度,所以此时吸附性能较差;当功率持续增大,温度过高时,由于氯化锌的蒸气压高,药剂损失严重,从而实际发挥作用的氯化锌减少反而导致吸附剂性能下降。

（5） 辐照时间的影响

    取充分浸渍滤干后的污泥原料置于石英剥离管中,固定在微波炉腔体中,在微波功率为595W,活化剂氯化锌的浓度为35%,干污泥与氯化锌溶液的重量比为1:3.0的条件下,改变辐射时间实验结果如图2所示,吸附剂的碘值与亚甲基蓝吸附值随微波时间的变化表现了相似的变化规律,分析其原因,主要是因为活化时间长短与微波活化速率快的影响,辐射时间太短炭化不充分,辐射时间过长会导致部分孔径烧结。

（6）活化剂浓度的影响

    经不同浓度氯化锌溶液充分浸渍滤干后的污泥原料,放入石英管中,固定在微波腔体中,在微波功率595W,辐照时间4min,干污泥与氯化锌的中重量比为1:3.0的条件下实验,研究不同浓度活化剂浓度对所制备含炭吸附剂的吸附性能的影响。一般来讲,活化剂浓度越高,脱水缩合作用就越大,终得到的吸附剂多孔结构也越发达,吸附性能就越好。另一方面,氯化锌是强吸附物质,若浓度太高,则加强了物料的吸附能力,从而使活化温度升高,使碳成分含量下降,灰分含量增加,此外氯化锌晶体将堵塞部分大孔,在洗涤过程中得不到充分去除,从而使吸附剂的比表面积和吸附能力下降。

（7）浸渍比的影响

    将不同重量的40%的氯化锌溶液充分浸渍滤干后的污泥原料放入石英管中,固定在微波腔体中,在595W微波功率下辐照4min。干污泥与氯化锌溶液的重量比越大,活化剂溶液可使颗粒污泥得到充分的浸润,氯化锌在热解过程中的作用得到充分发挥,所得到的吸附剂性能越好。但过多的氯化锌溶液浸渍会使热解原料中水分的含量过高,需较长升温时间以及造成氯化锌的浪费。

（8）其他影响因素
    在微波制备活性炭的实验中影响因素还有浸泡时间,一般来说浸泡时间越久,其浸渍的程度就越充分,但时间超过一定程度,吸附效果反而下降。这是因为浸渍时间和氯化锌浓度直接影响氯化锌在污泥上的吸着量,从而影响了产品的性能和得率的高低。开始用氯化锌溶液浸渍时,原料含水率很低,使得氯化锌溶液得以迅速把原料润胀,并在开始的一段时间里,随着浸渍时间的延长,原料中氯化锌吸着量迅速增加,但当吸着量达到一定程度后,随着浸渍时间的延长,原料吸附氯化锌的速度变慢。在干污泥制备活性炭中此因素影响不大,但在植物性原料制备活性炭中浸渍时间的影响效果就比较。此外活化剂不同,其功效也相应不同,张利波等采用微波辐射烟秆制得了性能各异的活性炭,所用活化剂有水蒸汽、磷酸、氯化锌、氢氧化钾、等。

五、总结
    微波设备活性炭为活性炭的制备开辟了一条新的途径,微波法具有加热快、热效率高、便于控制、设备体积小、污染小等优点,此外制备出来的活性炭吸附性能。但也有不足之处,微波泄露会对人体和周围环境造成危害,应合理设计微波反应腔并考虑适当使用微波吸收材料。微波相关的基础理论研究还相对缺乏,如微波对化学反应的影响机理、物质在微波场中的升温特性、微波场中的温度分布等,只有解决了这些问题,微波技术才可能得到大规模工业化应用。