Monday, August 01, 2011

炭和活性炭的綜合利用www.tool-tool.com

將纖維原料在隔絕空氣的條件下,加熱分解可獲得多種產品,其固體產品為木炭和活性炭。生產炭和活性炭是重要的森林資源綜合利用的手段。在提倡環境保護的今天,其作用越來越重要。

1. 炭

1.1 制炭的原料

制 炭的原料可用薪炭材和森林采伐和加工剩余物。為了制取硬質炭,多選用闊葉樹材,以硬而重且徹底氣幹者為佳,心材比邊材好,幹材比廢材好,單寧、樹脂含量宜 少。常用的樹種有櫟、柞、水青岡、槲類、洋槐、櫸、榆、櫧、槭、赤楊、樺木等。其中以麻櫟屬中的高山櫟和烏岡櫟為優。此外木屑、樹皮、枝椏、梢頭、刨花等 廢料,及山核桃、核桃、油桐和油茶的果殼等均可做原料制炭。

1.2 制炭的原理

木 材及纖維原料炭化的基本條件有兩個:一是隔絕空氣,二是要加熱。其熱解一般經過幹燥、預炭化、炭化、鍛燒四個階段。木材受熱分解時,氧和氫元素以及部分的 碳以水和其它化合物的形式餾出,隨著溫度的升高,殘留物中氧和氫元素比例越來越小,而碳元素的比例逐漸增加,最後殘留物中碳元素占了大多數,形成了炭。木 炭中碳元素的含量可超過90%,而這些剩余的碳,只有原料中碳含量的50%。制炭的方法有傳統的築窯燒炭法和現代的爐中燒炭法。

1.3炭的性質

炭的外表顏色與熱解時的溫度有關,燒制溫度為250℃時,其表面呈褐色;燒制溫度為300~450℃時,其表面呈黑色;當燒制溫度達700℃以上時,其表面不但顯黑色,而且有黑色光澤,敲打時,發出響亮的金屬響聲。

炭的機械強度沿縱向較高,徑向較低,而弦向最低。當燒制的閉火溫度相同時,木炭的強度隨燒制時間的增加而增強。

炭的密度一般在0.35~0.5g/cm3之間。它會隨原料的質量,品種,燒制時的閉火溫度和溫度的上升速度的不同而有所不同。一般說來,用密度大的硬木燒制的木炭,其密度也大。

炭有較大的比表面和較強的吸附能力,炭的表面積可達500m2/g。

炭具有可燃性,在空氣中完全燃燒,可放出熱量,生成CO2,不完全燃燒可放出CO。白炭發熱量約為3.27×107J/kg,黑炭發熱量約為2.72×107J/kg,炭化溫度越高,木炭含炭量越大,發熱量也高。

炭的導電性,當閉火溫度超過700℃時,燒制的炭原子發生了結構性變化,它產生了部分象石墨原子的六角形環平面層結構,故具有導電性;當炭化溫度低於600℃時,木炭不具有導電性。炭具有還原性,可作還原劑。

1.4 炭的用途

炭的用途主要有以下幾個方面。

1.4.1 用作能源

炭含揮發物質很少,在燃燒時發熱量遠遠高於木材,並且煙味很少,沒有明顯的火焰,使用方便,因此廣泛地作為燃料使用。日本作為家庭用燃料的炭占總耗量的70%,旅館飲食業占15%,工業占10%,農業5%。我國許多地方炭主要用於冬季取暖和飲食業。

世界一些國家用炭燒烤食物盛行,而且用量越來越大。

1.4.2 制造活性炭

炭的密度很小,孔隙度為75%左右(孔隙度為炭中孔隙的容積占炭總體積的百分比),因此炭經再加工後孔隙增多,形成比表面積很大、吸附性很強的活性炭。

1.4.3 制造二硫化碳

炭是制造二硫化碳的好原料。制造二硫化碳要求使用由闊葉樹材燒制而成堅硬、密度大、灰分和水分少、碳素含量高的優質木炭。

工業上生產二硫化碳是在反應溫度800-900℃,將硫磺蒸汽通過高溫木炭層而制成的。

二硫化硫是良好的溶劑,它能溶解磷、硫、碘、生橡膠,各種油脂和樹脂類物質,被廣泛地應用於人造絲,四氯化碳和染料工業的生產中,也大量地用來防治各種蟲害。

1.4.4 治金工業

黑色治金工業以木炭作為還原劑和燃料,用來冶煉鐵礦石。用木炭冶煉的生鐵較焦炭熔煉的生鐵具有鑄件緊密、沒有裂紋等特點,此外用木炭生產的生鐵,磷硫等雜質少,適用於生產優質鋼。

木炭在銅及銅合金、鋁合金、矽合金、鈹青銅合金等生產中廣泛地用作表面助熔劑。生產結晶矽也要使用木炭。生產結晶矽時電爐中需加入石英巖、木炭、石油焦炭。在高達2000℃的溫度下,二氧化矽和一氧化矽同木炭反應生成矽。

1.4.5 農業生產

木 炭能促進草、樹木、農作物、禾苗等植物的生長。我國閩北山區曾在這方面進行嘗試,在燒過炭的舊址種植杉木長勢都比較好,如果種植農作物則可三年免施肥料而 不影響收成。在海岸砂地植黑松,因風吹、沙摩、鹽害、幹旱、土質惡劣等原因,苗木死亡較多,當在造林穴內施鋸屑炭,樹木成活得很好,半年後砂中即有松露菌 繁殖,三年後針葉濃綠,地被繁茂。如在碳中補入磷肥,樹木長勢更好。在大豆田每平方米放置木炭粉500~1500g,使之持肥,量為1%,可以使肥料的效 果提高39倍。還有把木炭用於草莓、西紅柿、香瓜的種植,產品甜味增加,外皮較硬,減少了在運輸中的損失。在高爾夫球場撒上炭粉,草坪早發2~3周,而且 綠色濃、根紮得好,使綠色延長一個月。

1.4.6 醫藥用途

炭的吸附性能,在醫學上也被廣泛利用。李時珍《本草綱目》中記載:石炭、白炭,有解毒、止瀉、治痢等功效。

2.竹炭

2.1 竹炭生產

竹 炭是竹材熱解的固體產物,它的生產技術包括材料選擇、熱解工藝、加工和保存等技術。目前竹炭產品已有10個系列100多個品種。有竹屑棒炭類、原竹炭類、 日用品類、調濕類、除臭類、洗滌用品類、工藝品類、保健類、凈化類和屏蔽類等。以竹炭為原料,進一步開發深度加工產品,如墊毯、坐墊、炭紙等。

2.1.1 材料選擇

炭用竹材應選用竹齡4年以上的竹子及其加工剩余物。竹子從上到下,其密度、腔壁結構、組成成分都有一定的差異;竹材的材性還受竹齡、立地條件、氣候環境等因素的影響,因此要對原料進行分類,同時要控制竹材的含水率,以免影響竹炭質量。

2.1.2 熱解工藝

熱 解工藝決定了竹炭的品質,應結合窯體的實際情況,準確控制窯溫,尤其是精煉溫度。竹材熱解和制炭一樣,要經過幹燥、預炭化、炭化、鍛燒四個階段,要控制好 每個階段的溫度和時間。竹炭按生產過程的溫度不同可分為低溫炭、中溫炭、高溫炭。低溫炭主要用於土壤改良,中溫炭、高溫炭用作吸附材料。

2.1.3 加工技術

竹炭根據質量要求分批進行加工,在加工前應先抽檢其精煉度,然後根據精煉度的不同分類加工成片炭、筒炭。作為顆粒炭和粉炭除按規格加工外,應特別註意雜質(如泥砂等)。如有些顆粒需經水洗,必須保證水源清潔,應達到國家一級飲用水的標準。

竹炭是多孔性物質,比表面積大,易吸濕和吸異味。竹炭貯存應選擇幹燥清潔的倉庫,並根據出窯日期、精煉度的不同分類堆放。產品設計、包裝、運輸、銷售等環節應遵循有關標準,建立完整的質量檢測、控制及跟蹤體系。

2.2竹炭的性質

竹 炭炭質致密,密度大(0.6g/cm3左 右),分子呈六角形,質地堅硬,細密多孔,比表面積是木炭的兩倍。竹炭具有超強的吸附能力,能自動調節濕度,對硫化物、甲醇、苯、酚等有害化學物質起到吸 收、分解異味和消臭作用。其產生的負離子有穿透能力,能凈化空氣,改善空氣品質。竹炭放射出的遠紅外線,能使物體產生微熱,加快人體的血液循環,促進新陳 代謝,改善人體內環境,消除疲勞。竹炭又具有良好的導電性,能有效阻隔電磁波輻射,並能縮小水分子集團使水柔軟。竹炭還富含礦物質。

2.3竹炭的用途

竹炭是一種既傳統而又現代的人造材料,用途極為廣泛,除被用作燃料外,廣泛應用於工業、農業、軍事、電子、醫藥衛生、食品加工、環境保護、紡織等領域。另外可當燃料、制造活性炭等。

2.3.1 農、林業用途

在農、林業生產上可作為土壤的改良劑,果樹、花卉等綠色植物的生長促進劑,飼料添加劑及保鮮劑等。

2.3.2 環保用途

在室內起到除臭、凈化空氣,屏蔽電磁波,調濕,防止地板發黴、腐爛,吸附空氣中及冰箱中的異味等作用。室內清除甲醛的最好辦法是使用竹炭,最好選擇顆粒比較小的竹炭,顆粒越小吸附效果越好。竹炭使用方便,還不會產生二次汙染的問題。

2.3.3水質凈化

竹 炭還可以作為水質凈化的材料,用作飲用水凈化及汙水處理。在一升自來水中放入2-3片竹炭片(約60g)浸泡6小時或直接加熱至沸騰後,竹炭能吸附自來水 中的有害物質,礦物質溶於水中,產生富含天然礦物質的弱堿性甜美礦泉水,飲用後有利於身體健康,適用與泡咖啡、茶及制作日式醬湯。

2.3.4保健用品

用竹炭制作的日用保健品,主要有竹炭枕頭、竹炭床墊、竹炭纖維被、竹炭涼席、竹炭衣櫃包、竹炭眼罩、電腦手墊、竹炭護腰帶、竹炭護膝、竹炭鞋墊、竹炭鞋塞、竹炭香皂和竹炭汽車坐墊等。還可以添加到美容、護膚用品及沐浴露中,提高護膚效果。

2.3.5 片炭的用途

燒飯時放入1~2片竹炭片(約30g),不僅能凈化水質,還能分解出更多天然的鈣、鈉、鎂、鉀等礦物質成分,加上竹炭本身的多孔結構和釋放遠紅外線,使米飯均勻受熱,米飯松軟可口,更加營養。

3. 活性炭

活性炭是由含碳材料制成的外觀黑色、內部孔隙發達、比表面積大、吸附能力強的一類微晶質碳。

3.1 生產活性炭的原料

制取活性炭的原料很多,有木材、木炭、果殼、果核、植物加工廢料(如水解木素、甘蔗渣等)、煤、石油、瀝青以及其它含碳的工業原料,椰子和其它堅果殼是制取活性炭的最好原料。

3.2活性炭的生產

活 性炭是將含碳材料(如木質、煤質、石油瀝青、石油焦炭、纖維炭),經粉碎、篩選後,放在炭化活化爐內進行高溫催化或化學催化,使碳表面與內部生成大量的相 互串通的小孔,形成縱橫交錯的蜂窩狀結構,再經過酸洗或水洗、烘幹而制成的。其生產方法有:①水蒸汽、氣體活化法。利用水蒸氣或二氧化碳在 850℃~900℃將碳活化。②化學活化法。利用活化劑浸漬原料,經高溫處理可得到活性炭。

活性炭的生產常用氣體活化法。氣體活化法是原料 炭用水蒸汽、二氧化碳(如煙道氣)或空氣作為活化劑在高溫下進行活化制造活性炭的方法。活化溫度920℃~960℃,通過水蒸氣等造成炭內部十分發達的孔 隙。不同的原料生產的活性炭具有不同的孔徑,其中以椰殼為原料的活性炭的孔徑最小,木質活性炭的孔徑一般較大,煤質活性炭的孔徑介於兩者之間。

3.3活性炭的種類

根 據活化方法不同,活性炭分為化學炭(氯化鋅法)和物理炭(水蒸汽法和悶燒法)。按原料種類,活性炭可分為植物原料炭、煤質炭、石油質炭、骨炭、血炭等。按 活性炭的外觀形狀可分為粉狀活性炭,不定型顆粒活性炭和成型顆粒活性炭。按用途不同分為糖用炭、藥用炭、維尼綸多用炭、凈水炭、脫硫炭等。

3.4活性炭的性質

活 性炭的成份主要是炭,除此之外還有少量的氫、氮、氧。它是一種多孔徑的炭化物,其細孔構造主要和活化方法及活化條件有關。活性炭的細孔有效半徑一般為 1~10 000nm,小孔半徑在2nm以下;過渡孔半徑為2~100nm;大孔半徑為100~10 000nm。由於活性炭具有極豐富的微孔結構,所以有巨大的比表面積,其表面積達700~1700m2/g。因而具有良好的吸附特性,它的吸附作用藉物理 及化學的吸咐力而成。其外觀色澤呈黑色。

3.5 活性炭的用途

由於活性炭具有發達的孔隙結構,且多以小孔為主,因而具有很強 的吸附能力。活性炭被廣泛地應用在食品加工、制藥、化學、治金、國防等工業部門以及環境保護等方面。活性炭能從溶液中的吸附色素和雜質,從空氣和其它蒸 汽、氣體混合物中吸附氣體和蒸汽,還可用作催化劑和催化劑載體,甚至直接用作治療疾病的藥物等。

3.5.1 液相吸附方面的應用

一般在液相吸附中,應選用較多過渡孔徑及平均孔徑較大的活性炭。活性炭在液相吸附中的用途如下:

(1)制糖 如蔗糖、甜菜糖、葡萄糖、冰砂糖、飴糖、玉米糖、蜂蜜等的精制,除去色素、發色體、鐵質、灰分、親液膠體、生成膠體的菌類、減少蒸發時的泡沫,提高結晶速度。

(2)酒類加工 加速酒的酯化過程,除去醛類、酯類和產生氣味的物質,防止渾濁。

(3)油脂類精制 用於花生油、大豆油、芝麻油、菜籽油、椰子油、蓖麻油、橄欖油的精制,除去色素、外來氣味、皂類和黃粉等。

(4)制藥工業 用於抗菌素、解熱藥、維生素、磺胺藥、抗結核病藥、輔酶A生物堿、激素、註射用針劑等的精制,除色素、雜質等。

(5)有機化學藥品精制 用於酯類、酚類、腈類、檸檬酸、沒食子酸、乳酸、酒石酸、甘油、醋酸、紫膠、谷氨酸等的精制,除去色素和雜質。

(6)無機化學藥品精制 用於硼酸、磷酸、硫酸、硫化鉀、硫代硫酸鈉、硫酸銅、氯化鉛、氯化鈉、明礬等的精制,除去色素和雜質。

(7)冶金工業 用於精選銅礦,有色金屬的提純,回收金、銀、鈀等貴重金屬。

(8) 凈化用水 活 性炭在水處理中主要用於:① 汙水源的凈化。活性炭吸附水中有機物、顏色、臭味、油、苯酚等;② 有機工業廢水處理。由於活性炭對水中的有機物具有突出的去除能力,對一些難以被生物降解的有機物更有獨特的去除效果而被用於制革廢水處理、造紙染料化工廢 水處理、焦化廢水處理及其他有機廢水處理中。用ACF(活性炭纖維)處理不同濃度的含酚有機廢水不僅吸附速度快而且再生容易。③ 無機工業廢水處理。活性炭對於廢水中無機重金屬離子具有一定的選擇吸附能力。如顆粒狀活性炭對於Ag+, Pd2+, Cd2+等離子的吸附去除率可達85%以上。對其他金屬離子如銻、鉍、錫、汞、鈷、鉛、鎳、鐵等均具有良好的吸附能力。④ 飲用水及微汙染水凈化領域。ACF對飲用水凈化有特殊功能,載銀的ACF具有很好的抗菌活性,可用來軟化飲用水並除去水中的細菌。

(9)其它用途 如凈化液體燃料,作色層分析的吸附劑、凈化合成漆,分離碘,用於人工腎,從血液中除去有毒物質等。

3.5.2氣相吸附方面的應用

活性炭在氣相吸附中的應用如下:

(1) 回收溶劑和其它蒸汽 回收化工生產過程中使用的各種揮發散失的溶劑,以便回收利用,還可使車間中溶劑的濃度保持在爆炸極限以下,以保證操作安全。回收的溶劑主要有丙酮、苯、甲 苯、二甲苯、石腦油、三氯甲烷、三氯乙烯、四氯乙烯、汽油、二硫化碳、乙醇、乙酸乙酯、乙醚、甲醇、異丙醇、甲乙酮等。

(2)氣體凈化 工業上用來凈化有害氣體,防止環境汙染以及回收利用有用物質,如回收排出氣體中的硫,制造硫酸;從城市煤氣中回收苯,從天然氣中回收汽油、丙烷、丁烷等。 活性炭材料不僅對有機蒸汽有良好的吸附作用,對造成大氣汙染的幾種主要氣體,如工廠煙道排放的SO2 、汽車尾氣排放的CO2 、NO2 、烴、醛類氣體都能夠吸附,因而活性炭還可制成幹法脫硫裝置及汽車尾氣過濾裝置。此外,活性炭還可吸附O3 、含氟氣體、煙味、人體和儀器排放的多種異味,可制成空氣凈化器。

(3)防禦毒氣和有害氣體 國防和民用工業中用活性炭裝填各種防毒面具、生化防護服等,用來防禦毒氣和有害氣體。利用活性炭浸漬化學藥劑和纖維漿在一起制造防毒和防放射性紡織品。

(4)核工藝中應用 在核反應堆操作中用活性炭吸附混入保護氣體中的氬和氮,也吸附漏入保護氣體中的放射性氙和氪。活性炭還可作為原子反應堆廠房的應急通風系統的過濾器。排出的氣體通過活性炭過濾後再排入大氣中,以防汙染。

(5) 其它用途 在 宇宙電訊中利用活性炭吸附幹擾性氣體,使電訊準確收送;將活性炭放入冰箱內,用來捕捉冰箱中有惡臭的化合物,可起到凈化冰箱的作用;活性炭用於氣體貯存, 能增加氣體的容量;凈化食品工業中使用的二氧化碳;在真空技術中用來吸附擴散泵中的氣體;測定空氣和工業氣體中的吸附物質的含量;用來制造比較安全的固體 組合噴氣燃料以及應用於香煙過濾嘴等。

3.5.3 活性炭作為催化劑和催化劑載體

活性炭重要用途之一是作催化劑載體和助催化劑,也可直接用作催化劑。活性炭在催化劑上的應用如下:

(1)異構化作用 用鎳—炭催化劑使植物油(如棉籽油、亞麻油、菜籽油等)異構化,從非共軛的油變成共軛的形式。

(2)氫化、脫氫和脫氫芳構化,環化及異構化作用:用載鈀或鉑的活性炭作催化劑可起到這種催化作用。

(3)烯烴的低壓聚合作用 用含鎳、鈷或它們的氧化物的活性炭作催化劑能使烯烴聚合。

(4)合成纖維 在維尼綸生產上用含醋酸鋅的活性炭作催化劑,使乙炔和醋酸合成醋酸乙烯酯。

(5)松香再加工 用含鈀的活性炭作催化劑生產岐化松香和氫化松香等。

(6)合成氯乙烯 用含二氯化汞的活性炭作催化劑,使乙炔和氯化氫合成氯乙烯。

在直接用活性炭作催化劑方面如:

(1)制造過氧化氫 用活性炭覆蓋的多孔管作陰極,使從陰極上放出的氫同壓入的氧作用生成過氧化氫。

(2)使硫化氫轉化為元素硫 活性炭能吸附硫化氫並使氧化成元素硫,以除去氣體中的硫化氫。

(3)水的脫氯作用 活性炭能起吸附和催化兩種作用,從水中除去氯。

此外,由於活性炭的催化作用能使氯和一氧化碳反應生成光氣;使二氧化硫和氯反應生成硫酰氯;使氯和氫反應生成氯化氫;使溴和水蒸汽反應生成氫溴酸;使硫酸亞鐵氧化硫酸鐵;以及作為三聚氯氰聚合物反應的催化劑載體。

3.5.4 活性炭的藥用價值

活性炭除了在制藥工業上用來脫色和凈化除去雜質外,也直接用於制造外用藥,如幹的粉狀炭包裹於繃帶中可作包紮用品,用於爛瘡,化濃性或壞疽的創傷;還可用來制造內服藥,活性炭用來治療腹瀉、胃腸脹氣以及作為食物中毒時的解毒藥。

3.5.5 活性炭雕

活 性炭雕產品全部由優質的活性炭制成,具有無能耗、無二次汙染、長效凈化空氣的作用,經傳統手工工藝雕刻,采用珍貴的天然矽顏料著色,具有高雅、時尚、個性 的特點,是活性炭成型技術與傳統雕刻工藝的完美結合,是一種既能清潔空氣又能美化環境的多功能環保產品。它主要用於“室內空氣汙染”的治理,是適應市場文 化及健康雙重需求的時尚產品,活性炭雕可以大量吸附空氣中的各種有毒氣體(甲醛、苯及其同系物、一氧化碳、氨、氯、二氧化硫等)、煙霧、異味等,能有效凈 化空氣,消除汙染,有效調節室內濕度,維護人體健康,美化空間。

3.5.6 活性炭的其它用途

(1)農業上 活性炭能促進氮的生物固定作用,使有機氮更快地轉化成氨或硝酸鹽,調整土壤結構,提高土溫,增加水容量,改善充氣作用,調節植物對肥料的消費,此外,活性炭能吸收毒素和有害物質,消除農藥對作物的毒害。

(2)用作防腐塗料 塗料中含有帶氨的活性炭時,能保護鋼鐵的表面,防止銹蝕。對二氧化硫、硫化氫、水蒸汽等防腐蝕能力比氧化鉛更大。

(3)制造鋅空氣電池和作為去極劑、填充劑 活性炭可以用來制造鋅空氣電池的電極。具有導電性的活性炭可用來代替二氧化錳,作為幹電池的去極劑。也可作為幹電池的填充劑。

(4)炭材料可用於制造飛機剎車片。

(5)白色活性炭逐步用於環保、日用品(如牙膏)、食品、化妝、美容、醫藥、裝飾、家具藝術等領域。而可喝可吃的菊花炭也將走入人們的生活。

引用出處:

http://fyksj.blog.hexun.com.tw/52167284_d.html

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