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[66-010] 活性碳」解釋名詞    首頁 >
活性碳的原料

幾乎所有的含碳物質都可經過不同的工序製成活性碳。生產上常用的原料有兩大類﹕植物原料和加工廢料﹐包括木碳、木屑、果核、果殼、水解木素、栲膠殘渣、製漿廢液等﹐其中木碳是傳統原料﹐椰子殼是最佳原料。礦物原料﹐包括煤、石油瀝青、石油焦等。

活性碳的製造 – 碳化 Carbonization

碳化首先的步驟包括脫水及碳化,將原料加熱,在170至600℃的溫度下乾燥,並使原有的有機物大約80%碳化。
碳化是在缺氧及高溫的條件下,將原料熱解(Pyrolysis)形成多裂孔性的結構體。在碳化期間大部分的非碳元素,例如氫和氧藉由原料之裂解程序而以揮發性氣體產物被去除,如此碳化產物碳原子組合一芳香族環之片狀結構,由於非常不規則,故會形成一些裂隙,這些裂隙將會在活化程序中,形成更發達的微孔結構。

活性碳的製造 – 活化 Activation

第二過程是使碳化物活化,這是經由用活化劑如水蒸汽與碳反應來完成的,在吸熱反應中主要產生由CO及H2組成的混合氣體,用以燃燒加熱碳化物至適當的溫度(800至1000℃),以燒除其中所有可分解的物質,由此產生發達的微孔結構,及巨大的比表面積,因而具有很強的吸附能力。


活化的目的是利用蒸氣或化學物質來清除碳化過程積蓄在孔隙結構中的焦油物質及裂解產物,並與碳原子氧化,況大碳化料裂孔隙及創造微孔以提高孔洞體積或比表面積,產生高吸附量的活性碳。
活性碳 (activated charcoal) 經過活化製成的含碳物質。
活化就是使碳表面形成發達的內孔結構和產生含氧官能團。活性碳孔隙度大﹐比表面積大﹐反應活性強﹐是科學研究和工業生產上常用的重要吸附劑。

製造工藝隨原料和產品的種類而變化﹐主要有兩種方法﹕

化學法:
常用的化學藥劑為氯化鋅。生產過程包括原料(如木屑等)和化學藥劑的浸漬、碳化、活化、藥劑回收、乾燥、粉碎等工序。此法是利用化學藥劑的性質﹐使原料潤脹、脫水、侵蝕而活化。碳活化溫度約550℃﹐活化程度主要取決於藥劑對原料的浸漬比。活化時碳損失少﹐得率高。成品碳性能穩定﹐孔徑多為50∼100埃﹐有利於從溶液中吸附去 除分子較大的雜質。適用於液相脫色精製。

物理法:
將碳化物(如木碳、煤等)在一定溫度下用過熱蒸氣(850∼950℃)、煙道氣(二氧化碳為活化介質﹐900∼950℃)、或空氣(600℃左右)等進行選擇性氧化﹐使碳活化﹐因此﹐又稱氣體活化法。一般多採用過熱蒸氣為活化介質。活化時碳的損失較大﹐得率較低﹐成品碳中 5∼20 埃的微孔比較發達﹐適用於氣相吸附。
此外﹐尚有兼備上述兩法特點的物理化學活化法﹐產品得率較高並具有獨特的發達孔徑結構。物理法和物理化學法日受重視﹐產品以顆粒碳為主。

製造活性碳的關鍵設備是活化爐。氯化鋅法多用平板爐和迴轉爐﹐氣體活化法用管式爐和鞍式爐﹐也有用多層爐和流態化爐等。

活性碳的孔徑

大 孔:半徑 1000 – 1000000 A∘
過渡孔:半徑 20 – 1000 A∘
微 孔:半徑 – 20 A∘

活性碳的特性

比表面積:850至1000 ㎡ / g
孔隙容積:0.88至1.5 ml / g
平均孔隙半徑:40至50 A∘

活性碳吸附能力有2種

一種是附著能力:活性碳裡面有非常多的細小孔洞,這些孔洞是肉眼無法看到的,必須用電子顯微鏡才看的道,,一般活性碳的比表面積越大,代表活性碳的孔洞越多,附著能力越好,所以當雜質進入活性碳的孔洞後,就卡在孔洞之中出不來了,也不能用一般的水洗方法將雜質洗出,另外無論是液體,氣體或是固體都是有大小的,只有與活性碳孔隙相符合的,才能附著在活性碳之中,粒徑太大或太小都不行,就像你拿砂與活性碳放在一起,活性碳不會淨化砂,同樣有些礦泉水含有一些重金屬,重金屬也不容易附著在重金屬之中,因為水裡面的重金屬粒徑太小了


一種是吸引能力:因為活性碳表面帶正電,所以能吸引一些帶負電的微小物品,像細菌就是帶負電的

活性碳本身是可以再生的,一般在高壓100BAR低溫300度下,可以將活性碳吸附的東西趕出(稱之為脫附),但是在生的活性碳效果比不上原先的吸附能力強,大概是有40~60%

活性碳的性狀

活性碳(activated carbon)的主成分為碳,並摻有少量的氫、氧、氮、硫等化合而成

是黑色且表面複雜的多孔性物質,結構則為碳所形成的六環狀物,粒形可以從圓柱形粗顆粒到細粉末粒子,故有粒狀及粉末狀兩種型態。

顆粒直徑一般為1~6mm,長度約為直徑的0.7~4倍,或具有6~120網目粒度的不規則顆粒。

活性碳無臭、無味,不溶於水和有機溶劑。

裝填密度約0.3~0.6g/ml,甚大的微孔容積約0.6~0.8ml/g,比表面積約500~1,500m2/g,故對有機高分子物質有很強的吸附力而對於液相中的微量成分、色素、臭氣物質等具有高度的去除能力。最適用pH值為4.0~4.8,最佳應用溫度為60~70℃。

目前巿面上可購得各種形狀的活性碳,

例如粉狀碳或破碎狀的顆粒碳、造粒為條狀或球狀的造粒碳、或纖維狀的纖維碳及成形為蜂巢狀的一般活性碳

一般說來,大部分含碳量高的物質就可成為活性碳的原料,最便宜的是從地下取得的煤礦,其次是木頭,而椰子殼 是製造高品質活性碳的最佳材料。事實上,活性碳的製成原理並不複雜,第一步是將原料內的非碳物質去除,一般是採真空加熱,再通過酸洗。而要使碳粒有吸附去污的效能,必須將碳粒經過活化處理,

最常用的便是水蒸氣高溫活化處理,活化溫度可高達攝氏1,100度。經過了活化處理,就能讓活性碳帶滿孔洞,具有吸附去污效能。活性碳的製造理論或閉搹簡單,但其中每一加工細節充滿了釵h變數,且個別的活性碳特性也隨原料和加工處理過程的不同而產生差距。

活性碳是多孔的碳粒,其多孔性將其內部的表面積大幅增加。高品質的活性碳內在表面積可達每公克400∼1,200平方公尺,即一粒黃豆般大小的活性碳,表面積就可高達360坪。就像是停車場,越大的面積就可停泊越多的車子,也就是說,

只有表面積大的活性碳粒才有足夠吸附污染物的空間。

孔洞的大小和分佈,決定了活性碳去除污染物能力的強弱。最小的微孔洞直徑約在1奈米(1nm)以下,具有最強的吸附效能;而直徑1~25奈米的中孔洞和直徑大於25奈米的大孔洞則吸收能力低,其主要弁酮O將水中的污染源輸送到微孔洞使之發揮吸附去污效能。微孔洞的直徑小約頭髮直徑的十萬分之一(頭髮的直徑約是100微米,即100,000奈米),是肉眼所無法判別的。如煤礦等低品質的原料所製造的活性碳微孔洞不足,不具備足夠的吸附去污效能,尤其是分子比較細小的污染物如氯仿等,更顯得「力不從心」。
另外,微孔洞和大孔洞的分佈比例,也是決定活性碳吸附去污能力的重要因素。若碳粒只充滿微孔洞而缺乏合理的大孔洞配合,就像是一個龐大的停車場卻只有一條窄窄的入口,當入口堵塞,堶悸漯韃﹞]就白廢了。高品質活性碳的大孔洞
和微孔洞就像是樹幹和樹枝的關係,若比例適中,孔洞由大至小,就能有效的將污染源由碳粒的外層輸送到碳粒的中心,將吸附去污的效能完全發揮;低品質的煤礦活性碳,吸收量只有高效椰子殼活性碳的20%或更低。

種類、構造和性質:
按外形分為粉狀碳、顆粒碳(如圓柱形、球形、不規則形)和纖維狀碳﹔還有活性碳的紙、布、板等製品。按用途分為氣相吸附碳、液相吸附碳、催化劑和催化劑載體碳等。

活性碳由類石墨微晶堆積而成﹐屬無定形碳﹐含有以表面化合物形式存在的氫、氧等元素和以灰分形式存在的無機氧化物。它具有選擇性吸附能力﹐利用其孔徑大小和表面理化特性﹐可從複雜的多組分氣體或液體中吸附分離出某些組分。

活性碳的常用規格

(1) 顆粒大小(size)
破碎狀(mesh):4×8、6×12、8×30、12×40、20×40
造粒型(mm):ψ 1.5、3、4、10
粉末狀(mesh):200—325
(2) 假比重(Bulk density) g/ ml:0.4—0.55
(3) 碘值(Iodine No.) mg/ g:850—1200
(4) 亞甲基藍吸附力(Methylene Blue capacity) mg/ g:150—250
(5) 四氯化碳吸附率(CTC)%:45—80
(6) 苯吸附率(Benzene)%:25—45
(7) 硬度(Hardness)%:90—99
(8) 水分(Moisture)%:3—8
(9) 灰分(Ash)%:3—12
(10) 比表面積(Surface Area BET,N2)㎡/ g:800--1300

活性炭碘值標準測定方法

Determination of Iodine Number Activated Carbon
此分析方法是以液相碘液吸附法確定未用炭及再生炭的相對活化程度。
活性炭中孔隙的大小,對吸附質有選擇性吸附作用,一般微孔之有效半徑約<18-20Å,而碘及高錳酸鉀皆能進入10Å之微孔中,若二者比較起來,碘測試之顏色變化較易觀察且測試方法也較方便。故以碘值作為活性炭微孔量之判定標值。
單位:每克炭吸附的碘量(ml) = g/ml
測試方法:
1. 炭樣磨粉過篩200mesh。
2. 將粉炭放入烘箱乾燥至畯哄C
3. 冷卻至室溫取0.5g炭樣置入三角錐瓶
4. 加入0.1N 碘溶液50ml
5. 放入皕聾纀D振盪機振盪30分
6. 取出過濾,先過濾約20ml倒掉不使用,再繼續過濾
7. 吸取10ml濾液以0.1N 硫代硫酸鈉滴定至淡黃色,加入澱粉溶液

後繼續滴定至無色
8. 記錄硫代硫酸鈉使用量
計算:I = [(10-K) × 12.69] × 10

活性碳與水接觸產生黑煙(水)及熱能解說

1. 活性碳(非加工)原料與水接觸都會產生熱能反應,放熱反應通常於水分子進入活性碳孔隙初期時發生,其三大原因如下:
(A) 活性與水接觸時產生物理性吸附過程會有放熱反應產生。
(B) 活性碳中灰份在與水接觸時也會反應而產生熱能。
(C) 活性碳表面具有含氧官能基,與水接觸時也會產生化學反應而(I) 放熱。
2. 水洗碳
(A) 活性碳中灰份經水洗後大部份會去除,未去除部份與水反應後會固化於活性碳中,對人體不會造成不良影響;因灰份大部份減少,故與水接觸時僅會產生微量熱能。
(B) 活性碳表面含氧官能基(H-、OH+等)在水洗過程中已與水反應,此部份對人體亦不會造成不良影響。
3. 放熱與未放熱與活性碳使用實際效率並無直接關係。
4. 初次使用活性碳時,所產生的微粒黑煙(水)現象是因為製造過程中破碎、
摩擦、搬運所造成,黑煙顆粒大小約在20-40μ之間,當流放1500c.c.以上即可完全消除。
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