Than hoạt tính [còn gọi là active carbon, activated charcoal, or activated coal]là một dạng carbon đó đã được xử lý để làm cho nó rất xốp và do đó để có một diện tích bề mặt rất lớn dành cho hấp phụ và phản ứng hóa học. [1] Nó là thường có nguồn gốc từ than củi.
Nội dung
Than hoạt tính là có giá trị cho một loạt các ứng dụng. Ví dụ như thanh lọc khí, lọc nước, chiết xuất kim loại, phục hồi vàng, y học, xử lý nước thải, lọc không khí trong mặt nạ khí và mặt nạ lọc và bộ lọc trong khí nén. Ngoài ra, than hoạt tính là hữu ích cho việc khử mùi của không gian khép kín như tủ lạnh và kho, hấp phụ etylen để ngăn chặn quá trình chín sớm của các loại trái cây và rau quả, và sự đổi màu của đường, mật ong, nước trái cây, và rượu. [2] kích hoạt đủ cho hữu ích các ứng dụng có thể đến duy nhất của diện tích bề mặt cao, mặc dù điều trị hóa hóa học thường được tăng cường khả năng hấp phụ của vật liệu.
Sản xuất
Than hoạt tính được sản xuất từ nguồn nguyên liệu chứa carbon như nutshells, gỗ và than. Nó có thể được sản xuất bởi một trong các quy trình sau:
Kích vật lý: Tiền thân là phát triển thành THAN HOẠT TÍNH có sử dụng khí. Điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng một hoặc kết hợp các quá trình sau:
Cacbon: Vật liệu với hàm lượng carbon được pyrolysed ở nhiệt độ trong khoảng 600-900 ° C, trong sự vắng mặt của không khí [thường là trong môi trường khí trơ với các loại khí như argon hoặc nitơ]
Kích hoạt / oxy hóa: Nguyên liệu hoặc tài liệu carbonised được tiếp xúc với bầu khí quyển oxy hóa [carbon dioxide, oxy, hoặc hơi nước] ở nhiệt độ trên 250 ° C, thường trong khoảng nhiệt độ từ 600-1200 ° C.
hoạt hóa học: ngâm tẩm với các hóa chất như axit như axit photphoric hoặc các căn cứ như kali hydroxide, sodium hydroxide hoặc muối như kẽm clorua, tiếp theo là cacbon hóa ở nhiệt độ trong khoảng 450-900 ° C. Người ta tin rằng các bước cacbon hóa / kích hoạt tiến hành đồng thời với sự hoạt hóa. Kỹ thuật này có thể có vấn đề trong một số trường hợp, bởi vì, ví dụ, kẽm dấu vết tồn dư có thể vẫn còn trong sản phẩm cuối cùng. Tuy nhiên, sự hoạt hóa được ưa thích hơn hoạt chất do nhiệt độ thấp hơn và thời gian ngắn hơn cần thiết cho vật liệu kích hoạt.
Phân loại
than hoạt tính là những sản phẩm phức tạp mà rất khó để phân loại trên cơ sở hành vi của họ, đặc tính bề mặt, và phương pháp chuẩn bị. Tuy nhiên, một số phân loại rộng được thực hiện cho mục đích chung dựa trên các đặc tính vật lý của họ.
Bột than hoạt tính [PAC]
Theo truyền thống, cacbon hoạt động được thực hiện trong hình thức đặc biệt như bột hoặc hạt mịn nhỏ hơn 1.0 mm trong kích thước với đường kính trung bình giữa 0,15 và 0,25 mm. Do đó họ thể hiện một tỷ lệ lớn đất-đối-khối lượng với một khoảng cách khuếch tán nhỏ. PAC được tạo thành từ các hạt carbon nghiền hoặc xay, 95-100 phần trăm trong số đó sẽ đi qua một cái rây lưới được chỉ định hoặc rây. Hạt than hoạt tính được định nghĩa là than hoạt tính được giữ lại trên rây 50 mesh [0,297 mm] và PAC liệu làm nguyên liệu tốt hơn, trong khi ASTM phân loại kích thước hạt tương ứng với một lưới lọc 80 mesh [0,177 mm] và nhỏ hơn như PAC. PAC là không thường được sử dụng trong một tàu chuyên dụng, do sự headloss cao có thể xảy ra. PAC thường được bổ sung trực tiếp cho các đơn vị quá trình khác, chẳng hạn như cửa hút nước thô, bể trộn nhanh, lắng, lọc và trọng lực.
Than hoạt tính dạng hạt [GAC]
Than hoạt tính dạng hạt có kích thước hạt lớn hơn tương đối so với than hoạt tính dạng bột và do đó, một công trình bề mặt bên ngoài nhỏ hơn. Sự khuếch tán của các adsorbate vì thế là một yếu tố quan trọng. Do đó, các nguyên tử carbon được ưa thích cho tất cả các khả năng hấp thụ các khí và hơi như tỷ lệ của họ về sự khuếch tán được nhanh hơn. cacbon hạt nhỏ được sử dụng để xử lý nước, khử mùi hôi và phân tách các thành phần của hệ thống dòng chảy. GAC có thể là ở dạng hạt hoặc ép đùn. GAC được chỉ định bởi kích cỡ như 8×20, 20×40, 8×30 hoặc cho các ứng dụng chất lỏng pha và 4×6, 4×8 hay 4×10 cho các ứng dụng pha hơi. Một carbon 20×40 được làm bằng hạt sẽ đi qua một cái rây tiêu chuẩn Mỹ Lưới Kích số 20 [0,84 mm] [thường quy định như 85 phần trăm qua] nhưng được giữ lại trên rây tiêu chuẩn Mỹ Lưới Kích số 40 [0,42 mm] [ thường quy định như 95 phần trăm để lại]. AWWA [1992] B604 sử dụng lưới lọc 50 mesh [0,297 mm] như kích thước tối thiểu GAC. Các cacbon pha nước phổ biến nhất là 12×40 và 8×30 kích cỡ bởi vì họ có một sự cân bằng tốt về kích thước, diện tích bề mặt, và đặc headloss.
Tấm ép than hoạt tính [EAC]
Bao gồm than hoạt hình ép đùn và hình trụ với đường kính 0,8-45 mm. Những chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng pha khí vì giảm áp suất thấp, độ bền cơ học cao và hàm lượng bụi thấp.
carbon đã được ngâm tẩm
cacbon xốp có chứa một số loại impregnant vô cơ như iốt, bạc, cation như Al, Mn, Zn, Fe, Li, Ca cũng đã được chuẩn bị sẵn sàng cho ứng dụng cụ thể trong kiểm soát ô nhiễm không khí đặc biệt là trong các bảo tàng và phòng trưng bày. Do đặc tính kháng khuẩn / khử trùng, bạc nạp than hoạt tính được sử dụng như một chất hấp phụ cho purifications nước sinh hoạt. Uống nước có thể thu được từ nước tự nhiên bằng cách xử lý nước tự nhiên với một hỗn hợp của than hoạt tính và tác nhân kết tủa Al [OH] 3. cacbon đã được ngâm tẩm cũng được sử dụng cho sự hấp thụ của H2S và mercaptan. giá hấp phụ cho H2S cao như 50 phần trăm theo khối lượng đã được báo cáo.
carbon polymer bọc
chất liệu carbon xốp có thể được phủ một polymer tương thích sinh học để cung cấp cho một chiếc áo khoác mịn và thấm mà không ngăn chặn các lỗ chân lông. Các carbon kết quả là hữu ích cho hemoperfusion. Hemoperfusion là một kỹ thuật điều trị, trong đó khối lượng lớn máu của bệnh nhân được truyền qua một chất hấp phụ để loại bỏ các chất độc ra khỏi máu.
khác
Than hoạt tính cũng có sẵn trong các hình thức đặc biệt như vải và sợi.
Tính chất
Trên tài khoản của mức độ cao của microporosity, một gram [g] của than hoạt tính có thể có một diện tích bề mặt hơn 500 mét vuông [m²], với 1.500 m² được dễ dàng đạt được. Diện tích bề mặt thường được xác định bởi sự hấp phụ khí nitơ. Bằng cách so sánh, một bề mặt sân tennis là khoảng 260 m². aerogel carbon, trong khi đắt hơn, có diện tích bề mặt cao hơn và được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt.
Dưới kính hiển vi điện tử, cơ cấu diện tích bề mặt cao của than hoạt tính được tiết lộ. hạt riêng lẻ là mạnh mẽ phức tạp và hiển thị các loại xốp; có thể có nhiều lĩnh vực mà các bề mặt phẳng của vật liệu giống như than chì chạy song song với nhau, cách nhau chỉ vài nano mét hoặc hơn. Những vi lỗ cung cấp điều kiện tuyệt vời cho hấp phụ xảy ra, từ các tài liệu hấp phụ có thể tương tác với nhiều bề mặt cùng một lúc. Các xét nghiệm về hành vi hấp phụ thường được thực hiện với khí nitơ ở 77 K dưới chân không cao, nhưng trong điều kiện hàng ngày than hoạt tính là hoàn toàn có khả năng sản xuất tương đương, bằng cách hấp thụ từ môi trường, nước lỏng từ hơi nước ở 100 ° C và áp suất 1 / 10.000 của một bầu không khí.
Thể chất, than hoạt tính liên kết với các tài liệu của Van der Waals lực hoặc lực lượng phân tán London.
than hoạt tính không ràng buộc cũng với hóa chất nhất định, bao gồm rượu, glycol, amoniac, axit mạnh và bazơ, kim loại và hầu hết các chất vô cơ, như lithium, natri, sắt, chì, asen, flo, và axit boric. than hoạt tính không hấp thụ i-ốt rất tốt và trong thực tế số lượng i-ốt, mg / g, [ASTM D28 Phương pháp tiêu chuẩn thử nghiệm] được sử dụng như một dấu hiệu của tổng diện tích bề mặt.
Than hoạt tính có thể được sử dụng như một chất nền cho các ứng dụng của hóa chất khác nhau để cải thiện khả năng của mình để hấp thụ một số hợp chất vô cơ [và hữu cơ], chẳng hạn như hydrogen sulfide [H2S], amoniac [NH3], formaldehyde [HCOH], thủy ngân [Hg] , và đồng vị phóng xạ iodine-131 [131I]. Khách sạn này được biết đến như chemisorption.
Các thông số đặc tính
Số iốt
Nhiều cacbon ưu đãi hấp thụ các phân tử nhỏ. số Iốt là thông số cơ bản nhất được sử dụng để mô tả hiệu suất than hoạt tính.
Nó là thước đo mức độ hoạt động [số lượng cao hơn cho thấy mức độ cao hơn của kích hoạt], thường được báo cáo trong mg / g [điển hình khoảng 500-1.200 mg / g].
Đây là một biện pháp của các nội dung micropore của than hoạt tính [0-20 Å, hoặc lên đến 2 nm] bằng cách hấp thụ i-ốt từ giải pháp.
Nó tương đương với diện tích bề mặt của than hoạt tính từ 900 m² / g và 1100 m² / g.
Nó là thước đo tiêu chuẩn cho các ứng dụng pha lỏng.
số Iốt được định nghĩa là số mg iốt hấp thụ bởi một gram carbon khi nồng độ iốt trong dịch lọc còn lại là 0,02 bình thường. Về cơ bản, số lượng i-ốt là một biện pháp của iốt được hấp phụ trong các lỗ chân lông và, như vậy, là một dấu hiệu của khối lượng lỗ có sẵn trong than hoạt tính quan tâm. Thông thường, cacbon xử lý nước có số lượng i-ốt từ 600 đến 1100.
Thông thường, thông số này được sử dụng để xác định mức độ của sự kiệt sức của một carbon sử dụng. Tuy nhiên, thực tế này cần được nhìn nhận một cách thận trọng như tương tác hóa học với các adsorbate có thể ảnh hưởng đến sự hấp thu iốt cho kết quả sai. Vì vậy, việc sử dụng số lượng iốt là thước đo mức độ của sự kiệt sức của một chiếc giường carbon chỉ có thể được khuyến khích nếu nó đã được chứng minh là miễn phí của các tương tác hóa học với adsorbates và nếu có một mối tương quan thực nghiệm giữa số iốt và mức độ của sự kiệt sức có được xác định cho các ứng dụng cụ thể.
Số mật đường
Một số cacbon giỏi hơn trong việc hấp thụ các phân tử lớn. số mật đường hay mật đường hiệu quả là một biện pháp của các nội dung macropore của than hoạt tính [lớn hơn 20 Å, hoặc lớn hơn 2 nm] hấp phụ của mật từ giải pháp. Một mật số cao thể hiện một khả năng hấp thụ cao của các phân tử lớn [khoảng 95-600]. hiệu quả mật mía được báo cáo như là một tỷ lệ phần trăm [khoảng 40-185 phần trăm] và vĩ tuyến số mật đường [600 = 185 phần trăm, 425 = 85 phần trăm]. Các mật châu Âu số [khoảng 525-110] là tỷ lệ nghịch với số lượng mật đường Bắc Mỹ.
Rỉ mật số là thước đo mức độ decolorization của một giải pháp mật tiêu chuẩn mà đã được pha loãng và tiêu chuẩn đối với than hoạt tính tiêu chuẩn hóa. Do kích thước của cơ thể màu sắc, số lượng mật đường đại diện cho khối lượng lỗ tiềm năng sẵn có cho các loài hấp phụ lớn hơn. Như tất cả các khối lượng lỗ chân lông có thể không có sẵn cho hấp phụ trong một ứng dụng nước thải đặc biệt, và như một số các adsorbate có thể vào lỗ chân lông nhỏ hơn, nó không phải là một biện pháp tốt của các giá trị của một than hoạt tính đặc biệt cho một ứng dụng cụ thể. Thông thường, thông số này là hữu ích trong việc đánh giá một loạt các nguyên tử carbon tích cực cho giá của họ về khả năng hấp thụ. Cho hai cacbon hoạt động với khối lượng lỗ tương tự cho hấp phụ, là người có số lượng mật cao hơn sẽ thường có lỗ chân lông trung chuyển lớn hơn dẫn đến chuyển hiệu quả hơn adsorbate vào không gian hấp phụ.
Tannin hấp phụ
Tannin là một hỗn hợp của các phân tử lớn và vừa. Cacbon với một sự kết hợp của macropores và mesopores hấp tannin. Khả năng của một carbon để hấp thụ tannin được báo cáo trong phần triệu tập [khoảng 200 ppm-362 ppm].
Methylene hấp phụ màu xanh
Một số cacbon có một cấu trúc mesopore đó hấp thụ các phân tử có kích thước trung bình, chẳng hạn như thuốc nhuộm Methylene Blue. Methylene Blue hấp phụ được báo cáo trong g / 100g [khoảng 11-28 g / 100g].
Mật độ rõ ràng
mật độ cao cung cấp cho hoạt động khối lượng lớn hơn và thường chỉ ra chất lượng than hoạt tính tốt hơn.
Độ cứng / số mài mònNó là thước đo sức đề kháng than hoạt để tiêu hao. Đây là một chỉ số quan trọng của than hoạt tính để duy trì tính toàn vẹn về thể chất và chịu được lực ma sát áp đặt bởi rửa ngược và vv. Có sự khác biệt lớn trong độ cứng của than hoạt tính, tùy thuộc vào chất liệu và mức độ hoạt động sống.
Hàm lượng tro
Hàm lượng tro làm giảm toàn bộ hoạt động của than hoạt tính, và nó làm giảm hiệu quả của sự tái hoạt. Các kim loại [Fe2O3] có thể rỉ ra của than hoạt tính dẫn đến sự đổi màu.
Acid / nước tro hòa tan là hơn đáng kể so với tổng hàm lượng tro. hàm lượng tro hòa tan có thể rất quan trọng đối với người nuôi cá, như oxit sắt có thể thúc đẩy tăng trưởng của tảo, một carbon với một hàm lượng tro hòa tan thấp nên được sử dụng cho biển, cá nước ngọt, và hồ san hô để tránh ngộ độc kim loại nặng và tăng trưởng thực vật / tảo dư thừa.
Hoạt động tetrachloride Carbon
Đo độ xốp của một carbon hoạt hóa bởi sự hấp phụ bão hòa hơi carbon tetrachloride.
Phân bố kích thước hạt
Các mịn hơn kích thước hạt của một than hoạt tính, tốt hơn các quyền truy cập vào diện tích bề mặt và nhanh hơn tốc độ của động học hấp phụ. Trong các hệ thống pha hơi, điều này cần phải được xem xét chống sụt áp, mà sẽ ảnh hưởng đến chi phí năng lượng. xem xét cẩn thận phân bố kích thước hạt có thể đem lại lợi ích đáng kể điều hành.
Ví dụ về sự hấp phụ xúc tác không đồng nhất
Các dạng thường gặp nhất của chemisorption trong ngành công nghiệp, xảy ra khi một chất xúc tác rắn tương tác với một nguyên liệu khí, các chất phản ứng. Sự hấp thụ của chất phản ứng với bề mặt chất xúc tác tạo ra một liên kết hóa học, thay đổi mật độ electron trên các phân tử chất phản ứng và cho phép nó phải trải qua các phản ứng bình thường sẽ không có sẵn cho nó.
Sự hấp phụ lạnh
Sự hấp phụ làm lạnh và bơm nhiệt chu kỳ dựa trên sự hấp thụ của một chất khí lạnh vào một vật liệu hấp phụ ở áp suất thấp và giải hấp tiếp theo bằng cách nung nóng. Các chất hấp phụ đóng vai trò như một “máy nén hóa học” do nhiệt và là, từ quan điểm này, việc “bơm” của hệ thống. Nó bao gồm một bộ thu năng lượng mặt trời, một bình ngưng hoặc trao đổi nhiệt và một thiết bị bay hơi được đặt trong một hộp tủ lạnh. Các bên trong của các nhà sưu tập được lót bằng một giường hấp phụ đóng gói với than hoạt tính hấp thụ với methanol. Hộp tủ lạnh được cách ly đầy nước. Than hoạt tính có thể hấp thụ một lượng lớn hơi methanol trong nhiệt độ môi trường xung quanh và desorb nó ở nhiệt độ cao [khoảng 100 độ C]. Vào ban ngày, ánh nắng mặt trời chiếu tỏa ra thu, vì vậy các nhà sưu tập được làm nóng lên và methanol được desorbed từ than hoạt tính. Trong giải hấp, methanol lỏng hấp thụ trong than nóng lên và bay hơi. Hơi methanol ngưng tụ và được lưu trữ trong thiết bị bay hơi.
Vào ban đêm, nhiệt độ thu giảm đến nhiệt độ môi trường xung quanh, và than bám methanol từ các thiết bị bay hơi. Các methanol lỏng trong thiết bị bay hơi làm bay hơi và hấp thụ nhiệt từ các nước có trong các khay. Kể từ khi hấp phụ là quá trình giải phóng nhiệt, các nhà sưu tập phải được làm lạnh hiệu quả vào ban đêm. Như đã đề cập ở trên, hệ thống hấp phụ lạnh hoạt động một cách liên tục để tạo ra hiệu ứng làm lạnh.
khí Helium cũng có thể được “bơm” bằng cách dùng nhiệt đi xe đạp carbon “bơm hấp phụ” kích hoạt trong khoảng 4 độ Kelvin và nhiệt độ cao. Một ví dụ của việc này là để cung cấp năng lượng làm mát cho tủ lạnh loạt pha loãng Oxford Instruments AST. 3He hơi được bơm từ bề mặt của pha loãng hỗn hợp của 4 He lỏng và đồng vị của nó 3He. Các 3He được hấp phụ lên bề mặt của cacbon ở nhiệt độ thấp [thường