后處理是活性炭生產(chǎn)中產(chǎn)品的精制和均質(zhì)過(guò)程，通常包括酸洗和干燥這兩個(gè)過(guò)程。目的是為了除去活性炭產(chǎn)品中的灰分、鐵及重金屬含量。一般氣體活注制備的氣相吸附用活性炭和廢水處理用活性炭可不需進(jìn)行后處理，但生產(chǎn)對(duì)雜質(zhì)含量要求高的產(chǎn)品則需要進(jìn)行此過(guò)程。
酸洗一般用鹽酸，加入量一般是炭質(zhì)量的10%~30%，在加入至沸騰且充分?jǐn)嚢璧臈l件下進(jìn)行。待樣品雜質(zhì)含量達(dá)到質(zhì)量要求后再進(jìn)行多次充分水洗以除去鹽酸。為保護(hù)環(huán)境，酸洗中排出的酸霧和酸性廢水均需進(jìn)行中和處理方可排放。
干燥的目的是控制產(chǎn)品的含水量。干燥設(shè)備主要有烘房式干燥器、回轉(zhuǎn)干餐爐等。在干燥過(guò)程中，尤其是粉炭的干燥過(guò)程應(yīng)重視粉塵的收集，這樣既可降低產(chǎn)品損失又可消除粉塵污染。

流化床活化法流化床是將體原料置于以較高速度流動(dòng)的氣體中，使固體顆粒懸浮于流體中，類似于流體狀態(tài)的操作裝置。由于在其內(nèi)固體顆粒狀如沸騰液體，因此也稱為沸騰床。因?yàn)楣腆w流態(tài)化之后氣固之間可充分接觸，因此十分利于活化反應(yīng)的充分進(jìn)行，也能有效地縮短活化時(shí)間，所得到的產(chǎn)品質(zhì)量也較好。在活性炭生產(chǎn)中，流化介質(zhì)為水蒸氣或煙道氣，原料一般是木屑炭化料、果殼炭、煤等。由于需要能夠被一定流速的氣流吹起，因此原料粒徑通常要求小于3mm。按照床的結(jié)構(gòu)可分為單層床式、多層床式和多管床式，其中單床式和多管式應(yīng)用相對(duì)較為廣泛，其結(jié)構(gòu)分別如圖3-13和圖3-14所示，
流化床的基礎(chǔ)理論與實(shí)際應(yīng)用都有廣泛的研究。例如有研究表明流化床良

物理法制備技術(shù)與裝置
隨時(shí)間的延長(zhǎng)先升高后降低，活化時(shí)間為3h時(shí)可得到具有大碘吸附容量的活性炭產(chǎn)品，
活化氣體流量
活化氣體流量增加則反應(yīng)速率增加，但當(dāng)活化劑流速達(dá)到一定值后，反應(yīng)速率將為一常數(shù)而不再增加，當(dāng)流速較低時(shí)，所制得的活性炭微孔容積大，而流速高時(shí)微孔容積反而減小，這是由于高流速使炭的外表面燒蝕產(chǎn)生不均勻活化，從而使微孔容積降低，Manochs等在以松木為原料制備活性炭的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)水蒸氣流量這一因素對(duì)活性炭表面化學(xué)性質(zhì)和形貌有十分重要的影響，可以通過(guò)控制水蒸氣的流量控制孔徑和微孔率[10)。
原料中灰分含量
據(jù)研究表明，堿金屬、鐵、銅等氧化物和碳酸鹽在水蒸氣活化過(guò)程中可起到催化作用，因此在活化物料中加入少許此類物質(zhì)可以加快活化反應(yīng)速率。例如國(guó)內(nèi)有專利采用Ca為催化劑，使水蒸氣與碳反應(yīng)的活化能由185kJ/mol下降到164~169kJ/mol，所得活性炭孔徑分布集中于5~10nm，表3-4為幾種無(wú)機(jī)鹽在1000℃下對(duì)水蒸氣與石墨反應(yīng)速率的影響[12]。
表3-4 無(wú)機(jī)鹽對(duì)水蒸氣與石墨反應(yīng)速率的影響
處理?xiàng)l件 灰分 相對(duì)氣化速度
無(wú) 0.005 1
0.1mol/L Ni( NOs ) 2
0.1molL Fe ( NO3 )2
0.1mol/L Co(NOa):
0.14
0.14
0.14321827
0.02moI/LNHaNO3 Q03 22
注，水蒸氣流量為0.52X10-mol/s,
另?yè)?jù)Holmes和Emmett的研究表明，原料中所含的無(wú)機(jī)雜質(zhì)在活化過(guò)程中常促進(jìn)孔隙由小變大，而且在0.7~1.0的相對(duì)壓力范圍內(nèi)吸附等溫線的斜率有所增加，說(shuō)明中大孔的比率增加了3)，這與前文提到的金屬在活化過(guò)程中的催化作用相吻合。
原料炭化溫度
炭化料的活化反應(yīng)活性與其揮發(fā)分的含量密切相關(guān)，而揮發(fā)分的含量又由炭化溫度決定。圖3-1給出了炭化溫度對(duì)碳與CO?的反應(yīng)活性，可以看出當(dāng)炭化溫度為600℃左右時(shí)所得到的炭化料顯示出高的反應(yīng)活性、若炭化溫度進(jìn)一步升高則反應(yīng)活性明顯下降。此外還有研究發(fā)現(xiàn)碳材料隨著加工溫度的升高，基本微品有增大的趨勢(shì)，生產(chǎn)實(shí)踐也表明炭化溫度升高則活化過(guò)程所需的溫度也相應(yīng)提高，但石油焦是例外，因?yàn)樵谳^高溫度下石油焦容易發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變，形成大面積的石墨晶體結(jié)構(gòu)，難以形成豐富的孔除結(jié)構(gòu)，因此用普通氣體活化法很難得到吸附性能優(yōu)良的活性炭產(chǎn)品，Bouchelta等以棗核為原料制

混合氣體活化法
在活性炭的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中常使用的活化氣體是以CO2、HO和O,為主要成分的煙道氣。H:O與碳的吸熱反應(yīng)可有效防止碳與O:反應(yīng)時(shí)溫度急膜升高而產(chǎn)生局部過(guò)熱的現(xiàn)象，反過(guò)來(lái)碳與0:的反應(yīng)又可以維持活化溫度，因此只要混合氣體里各成分比例合適，便可以有效地穩(wěn)定活化溫度，使活化反應(yīng)均勻進(jìn)行。此外也有觀點(diǎn)認(rèn)為原料中含有不同的活化位點(diǎn)，這些活化位點(diǎn)對(duì)于不同的活化氣體的反應(yīng)活性也不一樣，有的更易與水蒸氣反應(yīng)，有的更易與 CO:反應(yīng)，因此采用混合氣體更有利于制備活性炭。但值得注意的是有研究表明原料中若鉀含量較高則會(huì)在含氧的混合氣體中發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)而不是活化，這是因?yàn)榘ㄢ浽趦?nèi)的一些金屬化合物對(duì)于氣體活化有催化加速作用。
超臨界活化法
超臨界水是指氣壓和溫度達(dá)到一定值時(shí)，因高溫而膨脹的水的密度和因高壓而被壓縮的水蒸氣的密度正好相同時(shí)的水。此時(shí)液態(tài)水和氣態(tài)水沒(méi)有區(qū)別，完全交融在一起，成為一種新的呈現(xiàn)高壓高溫狀態(tài)的液體。超臨界水具有很強(qiáng)的反應(yīng)活性和廣泛的融合能力。西班牙學(xué)者Salvador等用超臨界狀態(tài)水(T。374℃，p.=22.1MPa)取代水蒸氣對(duì)木炭、煤、果殼等原料進(jìn)行了活化處理，發(fā)現(xiàn)超臨界水的活化效果優(yōu)于水蒸氣，例如反應(yīng)速率提升，活化更均勻[4)。然而超臨界水與碳反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)選擇性及造孔機(jī)理等到目前為止均未有深入的研究，蔡瓊等以酚醛樹脂為原料，對(duì)比了超臨界水和水蒸氣活化效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超臨界水活化利于中孔的大量形成，而水蒸氣則利于微

物理法制備技術(shù)與裝置

活性炭物理法機(jī)理簡(jiǎn)介
物理法通常指氣體活化法，是以水蒸氣、煙道氣(水蒸氣、CO2、N?等的混合氣)、CO:或空氣等作為活化氣體，在800~1000℃的高溫下與已經(jīng)過(guò)炭化的原材料接觸進(jìn)行活化的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，具有氧化性的活化氣體在高溫下侵蝕炭化料的表面，使炭化料中原有閉塞的孔隙重新開放并進(jìn)一步擴(kuò)大，某些結(jié)構(gòu)因選擇性氧化而產(chǎn)生新的孔隙，同時(shí)焦油和未炭化物等也被除去，終得到活性炭產(chǎn)品。由于物理法通常采用氣體作為活化劑，工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的廢氣以CO2和水蒸氣為主，對(duì)環(huán)境污染小，而且終得到的活性炭產(chǎn)品比表面積高，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，應(yīng)用范圍廣，因此在活性炭生產(chǎn)廠家中70%以上都采用物理法生產(chǎn)活性炭。下面對(duì)物理活化法的機(jī)理、工藝流程、裝置設(shè)備及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀等進(jìn)行具體闡述。
一、原料炭化
物理法制備活性炭需要先將原料在400~600℃下進(jìn)行炭化處理，使原料中碳元素以外的主要元素(氫、氧等)以氣體形式脫除，通過(guò)CO:、CO 的形式也可使一部分碳元素釋放出去，殘留的碳元素則多數(shù)以類似石墨的碳微晶形態(tài)存在。然而和石墨晶體不同的是，這些碳微晶的排列是雜亂無(wú)章的，因此形成了具有活性炭原始形態(tài)的結(jié)構(gòu)。但是僅僅經(jīng)過(guò)炭化處理，碳微晶的周圍以及碳微晶之間的縫隙仍被熱解所產(chǎn)生的焦油或者無(wú)定形碳堵塞，因此需要進(jìn)一步活化處理，除去這些堵塞孔隙的物質(zhì)才能得到具有發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)的活性炭。
二、氣體活化法過(guò)程簡(jiǎn)述
在炭化的中間產(chǎn)物進(jìn)行活化期間，是基本碳微晶以外的無(wú)定形碳
1活性炭原料的影響
(1)木屑樹種的影響 實(shí)驗(yàn)證明，活性炭的吸附性能與木屑樹種有密切的關(guān)系，多數(shù)情況下，認(rèn)為杉木屑較松木屑好，松木屑較硬雜木屑好，軟雜木屑較硬雜木屑好，材質(zhì)硬的木屑會(huì)影響氯化鋅溶液的滲透速度。但通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)條件，采用混合木屑作原料，也可以克服由原料所引起的不利影響，生產(chǎn)出合格的活性炭。
(2)木屑含水率的影響木屑含水率對(duì)炭活化過(guò)程沒(méi)有直接影響，但會(huì)影響氯化鋅溶液的滲透速度，因而影響氯化鋅溶液浸漬的時(shí)間。對(duì)連續(xù)浸漬或混合過(guò)程尤為重要。含水率高(在纖維飽和點(diǎn)以上)的木屑不僅會(huì)降低氯化鋅溶液的滲透速度，而且要降低氯化鋅溶液濃度，從而影響炭活化效果。因此，當(dāng)木屑含水率超過(guò)30%時(shí)，浸漬時(shí)間要求在8h以上，當(dāng)木屑含水率在纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，氯化鋅溶液的滲透速度要快一些。木屑含水率在15%以下時(shí)，混合時(shí)間短(15min)。木屑含水率還影響其對(duì)氯化鋅溶液的吸收量。例如，生產(chǎn)顆?；钚蕴浚找欢〝?shù)量的濃度較低的氯化鋅溶液，因此要求木屑含水率不超過(guò) 5%。當(dāng)生產(chǎn)糖用活性炭時(shí)，吸收足夠數(shù)量的高濃度的氯化鋅溶液，如果木屑含水率過(guò)高，就會(huì)降低氯化鋅溶液的濃度，從而影響鋅屑比，終影響活性炭的孔徑分布。