活性炭孔结构调节_理论_方法与实践_解强VIP专享VIP免费

收稿日期:2004-10-13;修回日期:2005-05-10基金项目:国家自然科学基金(50204011),教育部留学回国人员科研启动基金项目。作者简介:解强(1965-),男,安徽淮南人,工学博士、哲学博士,教授、博导,从事炭质吸附剂制备、固体废弃物利用研究。E-mai:ldr-xieq@163.com文章编号:1007-8827(2005)02-0183-08活性炭孔结构调节:理论、方法与实践解强,张香兰,李兰廷,金雷(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京100083)摘要:活性炭的吸附性能主要由其孔结构和表面官能团决定,尤其是孔结构对活性炭的性能有时甚至有决定性的影响。因此,根据用途与应用领域对吸附剂性能的要求定向制备具有特定孔结构的活性炭的方法具有重大的意义。通过对活性炭制备过程中孔结构调控方法研究状况的评介,以期对深入理解孔结构对活性炭的意义、阐释孔结构调控机理和方法有所帮助,进而指导制备具有要求结构和性能活性炭的生产实践。关键词:活性炭;孔结构;定向制备中图分类号:TQ424.1文献标识码:A1前言吸附分离是利用吸附剂具有较强的脱除痕量物质的能力和良好的选择性,把结构类似、物化性质接近的物质分开的过程。吸附分离操作在石油、化工、冶金、食品和医药等行业中已得到广泛的应用,在保护环境、控制污染方面也发挥着越来越重要的作用。活性炭是一种具有高度发达的孔隙结构和极大内表面积的人工炭材料制品。它主要由碳元素(质量分数为87%~97%)组成,同时也含有氢、氧、硫、氮等元素,以及一些无机矿物质。吸附作用是活性炭的最显著的特征之一,它可以从气相或液相中吸附各种物质,且吸附能力很大:通常,其孔容积达0.2cm3/g~1.0cm3/g、内表面积为400m2/g~1000m2/g[1,2]。活性炭主要用作吸附分离操作的吸附剂。与树脂、硅胶、沸石等吸附剂相比,活性炭具有很多优越性:孔隙结构高度发达、比表面积大;炭表面上含有(或可以附加上)多种官能团;具有催化活性;性能稳定,能在不同温度和酸碱度下使用;可以再生[1,2]。因此,活性炭的应用领域不断扩大,从用于食品和医药的脱色与除味、防毒面具[1],发展到大规模应用于溶剂精制与回收、催化剂或催化剂载体、防除原子能设施放出的放射性物质、空气净化、烟气脱硫、食品保鲜、医药制品、血液净化[3-8],近年来又在大容量电容器、天然气贮存等领域得到新的应用[9-11]。应用领域的扩大对吸附性能提出了新的、更高的要求,在/高吸附、多功能、高强度0的总要求下,出现了对专用活性炭需求量越来越多的趋势[4-11]。由于活性炭的吸附性能主要由其孔结构(孔形状、孔径及分布)和表面官能团决定[12],孔结构对活性炭的性能有时甚至有决定性的影响[13]。因此,根据用途与应用领域对吸附剂性能的要求来制备具有特定孔结构的活性炭的方法就有重大的意义。本文就目前活性炭孔结构调控研究进展做一综述性的评介,以期对深入理解孔结构对活性炭的意义、阐释孔结构调控机理和方法有所帮助,进而指导制备具有要求结构和性能的活性炭的生产实践。2活性炭的孔结构及其对应用的影响2.1活性炭的孔结构活性炭的孔,是制备过程中在无定形炭基本微晶之间清除了各种含碳化合物及无序炭(有时也从基本微晶的石墨层中除去部分炭)后所产生的孔隙[14,15]。使用不同方法研究发现,孔的形状多种多样,有些孔具有缩小的入口(墨水瓶状),有些是两端敞开或一端封闭的毛细管,还有些是两平面之间或多或少呈规则状的狭缝、V形孔、锥形孔等[14,15]。活性炭孔的大小从几个!到数千!以上[1]。按孔隙半径的大小,Dubinin于1960年提出把孔分第20卷第2期2005年6月新型炭材料NEWCARBONMATERIALSVo.l20No.2Jun.2005为大孔(>50nm)、中孔(过渡孔,2nm~50nm)及微孔(<2nm)三类[1],这个分类方案被/国际纯化学与应用化学学会0(InternationalUnionofPureandAppliedChemistry,IUPAC)所接受。Dubinin如此分类的依据在于活性炭的孔隙结构是三分散的,即孔径分布在这三个孔径范围内往往各自呈现出最大值[1]。刘振宇等[16]从纳米结构的角度描述了多孔炭的孔结构,即多孔炭的孔是由纳米级粒子构成的纳米尺度空间,这对深入理解活性炭的吸附分离过程、阐明吸附模式与吸附机理,提供了一个新的思路;陆安慧等对结构有序、双重孔隙的中孔炭材料也提出了新的表征方法[17]。2.2...