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活性炭的工业应用

发布时间:2020-08-21 浏览

摘要:活性炭性能优良,在商用和民用领城的应用不断拓展。随着工业发展,对活性炭提出一系列特殊要求,活性炭改性研究工作不断推进,专用活性炭、特殊活性炭应运而生。而传统活性炭的市场份额不断被压缩,大部分产品已经被淘汰,为了引导传统活性炭企业升级转型,需要对活性炭的应用进行科学分析,拓展新的应用领域。结合活性炭市场现状及文献调研发现,国内活性炭的综合应用能力有待加强,以及优等活性炭产量不足。因此行业生产商需要有针对性的提升活性炭产品性能,开发传统活性炭的高价值应用途径。

近些年对活性炭的应用开发研究越来越多。活性炭早期用于简单吸附,后逐渐应用于工农业生产生活的各个方面,包括食品、农业、国防等领域。1970年以前,活性炭在国外已经应用广泛,但在国内的应用主要集中于制糖、味精及制药行业,后来才用于水处理和环保等方面;1990年后,活性炭应用扩大到溶剂回收、食品饮料提纯、空气净化、脱硫、载体、医药、黄金提取、半导体应用等领域。

活性炭的工业应用

21世纪活性炭的应用领域继续扩大,深加工活性炭、活性炭市场需求加大。人们已将活性炭的应用从环保、能源和催化剂扩展到储气、化工分离、分析传感器和生物机体等领域,从而为活性炭的开发与制备提供了新的增长点。专用炭,如高比表面积炭、高苯炭、纤维炭、脱硫炭等发展迅速,应用已渗透到航天、电子、通讯、能源、生物工程和生命科学等领域和部门。

1、功能型活性炭

活性炭是国民经济发展和国防建设的重要功能材料。活性炭可用于气相吸附、液相吸附、电子材料、医疗等许多方面,并可作为催化剂和催化剂载体。近年来随着环保、新能源等行业的快速发展,功能型活性炭的市场需求激增。我国活性炭生产企业众多,但多是小规模生产,生产的活性炭科技含量低,传统企业需要响应市场要求加大研发投入,提升活性炭品质。

1.1气相吸附应用

活性炭气相吸附应用主要包括工业废气的处理和净化、生活空气净化、油气回收及毒气防护等。如除去室内空气污染物,活性炭对室内甲醛气体具有良好的去除效率。

活性炭广泛应用于烟气脱硫、脱硝,吸附去除挥发酚,吸附挥发性有机化合物(VOC)及放射性气体等方面。活性炭也可用于空气,分离富氧;氢气/甲烷的储存;除用于能源气体的储存外,美国、德国等发达国家还开发出了基于活性炭的,具有多次再生功能的新型织物,并将之应用于许多特殊服装如飞行服、抗皱内衣等的制造。

1.2液相吸附应用

活性炭液相吸附的应用主要利用活性炭强大的吸附性能,用于工厂包括制药、化工、水处理、贵金属回收等。如活性炭用于移动式水处理系统、重油的脱色除臭、金属离子的吸附、制药过程选择性吸附,专用活性炭可对柠檬酸和柠檬酸钠、柠檬酸钾溶液脱色。活性炭在环保上的应用不可替代,原因之一是它能有效处理难以生物降解的有机污染物同时它对重金属离子、氰化物等有较好的去除效果,但较少单独应用活性炭处理含氰废水。活性炭常用于大规模活性余氯脱除工艺,目前国内只对自来水厂和城市污水处理厂加氯处理后的水质进行了脱除活性余氯研究和工程应用。

1.3活性炭在食品医药领域的应用

1.3.1食品领域应用

活性炭早期的应用就涉及到食品领域的制糖,后来逐渐用于对甜味剂、调味品、油脂及饮料去除杂质、去除色素及胶质以实现脱色精制,提升食品口感及卫生状况。如采用活性炭处理可明显的改善普通食用酒精的品质,采用活性炭分离纯化氨基酸,处理玉米多肽脱苦、脱色有明显作用。

1.3.2制药工业应用

活性炭在制药工业上的应用由来已久,所有以人工合成和生物制药的方式制备的原料药均需要进行脱色精制,尤其是西药,而现阶段脱色材料的选择是活性炭。在这个过程中活性炭的主要作用是去除杂质、色素和热原等。近些年活性炭在医疗领域的应用得到了突飞猛进的发展,日前欧美国家在药用活性炭方面开展的工作较多。活性炭作为功能性缓释剂能延长游离药物功效时间,达到降低病人服药频率、提高药物利用率的目的。一般在配制紫杉醇注射液时,为了提高注射液的澄明度、吸附热原等,常常加入一定量的活性炭。

1.3.3临床医疗应用

活性炭在临床医疗上应用广泛。活性炭是应对食物中毒等紧急情况的有效口服药,活性炭常用于治疗酒醉及皮肤快速止血尤其对发炎的溃疡和化脓的伤口,能去除臭气、止痛,而且能加快伤口痊愈。活性炭可用于净化血液,包括血液灌流、血液透析等。活性炭对于治疗癌症也有相当的疗效,在美国活性炭已应用于乳腺癌、胃癌、食道癌及直肠癌等恶性肿瘤的手术和介入治疗。生物活性炭结合了一般活性炭与其上固定微生物的协同作用,至今仍处于研究中,现阶段主要是应用技术和工程化开发。

1.4作为催化剂及载体的应用

活性炭本身具有催化活性,其作为催化剂在烟道气脱硫、光气氧化、氯化二氰合成、臭氧分解及电池中氧的去极化等氧化还原反应中广泛应用。活性炭还是催化剂载体的优选之一,尤其是在光催化剂负载领域,通过活性炭负载光催化剂并将之用于有机废气的降解将是今后发展的重要方向。

1.5作为储能材料的应用

活性炭在电池和电能贮存方面的应用已有200多年的历史,1802年碳材料就成为电池的电极材料,1930年活性炭电极电池就已制作完成,活性炭电极被应用于双电层电容器、活性炭—空气电池、锂离子二次电池等。

1.6活性炭特殊应用

活性炭的特殊应用开发可能给我们的生活带来巨大改变:

①金属的精选,如利用活性炭、Al(OH)3和Fe(OH)3混和物共沉淀法可将金属铀从海水中分离出来;

②香烟和烟斗的过滤器,如活性炭空调滤清器;

③高真空技术中用来吸附痕量残余气体;

④温度控制,用来制吸附恒温器和获取超低温;

⑤化学毒剂防护领域中防护器材装填材料研究与使用的主要材料;

⑥活性炭测氯法可以作为探测浅埋深煤层火区范围的有效手段;

⑦环境保护。为防止汽油挥发,发达国家汽车上一般要安装活性炭炭罐,溶剂回收活性炭也是目前国际市场上畅销的活性炭产品,售价较高。

2、活性炭改性

工业发展对活性炭的吸附容量及催化活性等要求提高,常规活性炭已不能满足各个领域的特殊要求,特殊活性炭应运而生。

特殊活性炭因具有巨大的比表面积和优异的吸附性能,被广泛用于燃料气的吸附存储、气体分离、催化剂载体、电容器的电极材料等方面。在许多应用方面还出现了专用活性炭,如适合于除去气体或废气中烷基硫化物的涂镍活性炭、柠檬酸专用活性炭等。虽然特殊活性碳优势明显但应用短板是研究不充分,特别是在制备和使用过程中仍存在一些不足有待进一步研究改进。

活性炭改性就是调节其吸附性能、吸附容量、催化活性等属性以满足特定的工况应用条件。对于活性炭吸附性能的改性目前主要集中于两个方面,一是开发具有特殊性能的活性炭,如活性炭纤维和木质活性炭,二是对活性炭进行改性,调整活性炭孔隙结构,提高对特定吸附质的吸附能力或脱附能力。

活性炭纤维(ACF)是第三代活性炭产品,它可制成任意形状的制品,能脱色脱臭,适用于溶剂回收装置、净水器、除臭氧过滤器、防毒口罩、医用包扎绷带、香烟过滤嘴、贵金属回收装置等。ACF主要应用在处理含微污染的原水和较低浓度的废水,限制其广泛应用的主要的原因之一是价格较高则。

3、结论

同发达国家相比,我国活性炭产品的科技含量低,主要产品是中低端活性炭,大量高质量的活性炭依赖进口。现在国内市场对活性炭的需求量还在增长,传统活性炭生产企业的出路是提高生产力,提升产品质量。因此需要研究各种活化和处理方法及其与活性炭产品性质和性能的关系,开发新一代活性炭吸附剂和催化剂。开发活性炭的高价值利用方法,如研究其对天然气等有机资源储存原理和应用可能性,将开辟活性炭更广阔的应用前景。活性炭的研制应着眼于应用领域的扩大,所以有针对性地研制具有特殊吸附性能的活性炭成为重要的研究方向之一,而在活性炭应用方面,根据吸附质的特征采用合适的活性炭及低成本制备方法是提高活性炭工业应用优势的有效途径。

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