活性炭

了解一下活性炭

其实硬性的规定的活性炭的更换周期不是一个科学的态度，我们先来了解一下活性炭和活性炭的工作原理吧！

 1、活性炭及其分类

 活性炭是一种经特殊处理的炭，将有机原料（果壳、煤、木材等）在隔绝空气的条件下加热，以减少非碳成分（此过程称为炭化），然后与气体反应，表面被侵蚀，产生微孔发达的结构 （此过程称为活化）。由于活化的过程是一个微观过程，即大量的分子碳化物表面侵蚀是点状侵蚀 ，所以造成了活性炭表面具有无数细小孔隙。活性炭表面的微孔直径大多在2～50nm之间，即使是少量的活性炭，也有巨大的表面积，每克活性炭的表面积为500~1500m2，活性炭的一切应用，几乎都基于活性炭的这一特点。

中国国家标准将活性炭按照两部分进行分类：一部分按制造使用的主要原材料，另一部分按制造使用的原材料及对应的产品形状组合分类。活性炭按制造使用的主要原材料分为四类：煤质活性炭、木质活性炭、合成材料活性炭和其他类活性炭。按制造使用主要原材料及对应的产品形状组合分类分为16种类型。其中，煤质活性炭分为：柱状煤质颗粒活性炭、 破碎煤质颗粒活性炭、粉状煤质颗粒活性炭、球形煤质颗粒活性炭。木质颗粒活性炭分为：柱状木质颗粒活性炭、破碎状木质颗粒活性炭、粉状木质颗粒活性炭、球形木质颗粒活性炭。合成材料活性炭分为：柱状合成材料颗粒活性炭、破碎状合成材料颗粒活性炭、粉状合成材料颗粒活性炭、成形活性炭、球形合成材料颗粒活性炭、 布类合成材料活性炭（炭纤维布）、毡类合成材料活性炭（炭纤维毡）。其他类活性炭，指除上述三种类型活性炭外，由其他原材料（如煤沥青、石油焦等）制备的活性炭，这类活性炭，在产品形状分类中，暂列了沥青基微球活性炭。

 2、活性炭的吸附原理

吸附是种物质附着在另种物质表面上的过程。它能发生在气-液、气-固、液-固两相之间。般都是以多孔性的固相物质作为离子交换吸附剂。吸附可分为：

　a物理吸附：是吸附质与吸附剂之间的分子引力产生的吸附：还包括孔隙大小的过滤吸附。

　b化学吸附：是吸附质与吸附剂之间电子化学键力发生化学作用使得化学性质变化引起的吸附。

　c子交换吸附：是吸附质的静电引力聚集到吸附剂表面上的带电点上，同时吸附剂也放出个等当量离子。

活性炭的吸附原理包含有以上三种，物理吸附表现在活性炭的孔隙发达性，当杂质直径大于活性炭的孔隙时，就会被挡住；化学吸附，是由于活性炭孔隙中含有的物质能与水中的物质发生化学反应实现色度、臭味的过滤，离子吸附也跟化学吸附有相近的原理。

所以，在实际中活性炭的吸附原理是：在其颗粒表面形成一层平衡的表面浓度，再把有机物质杂质吸附到活性炭颗粒内，使用初期的吸附效果很高。但时间一长，活性炭的吸附能力会不同程度地减弱，吸附效果也随之下降。如果水族箱中水质混浊，水中有机物含量高，活性炭很快就会丧失过滤功能。所以，活性炭应定期清洗或更换。

3、活性炭的一些参数

碘值：碘值是指活性炭在0.02N 12/KL水溶液中吸附的碘的量。碘值与直径大于10A 的孔隙表面积相关联, 碘值可以理解为总孔容的一个指示其器。 

糖蜜值：糖蜜值是测量活性炭在沸腾糖蜜溶液的相对脱色能力的方法。糖蜜值被解读为孔直径大于28A的表面积。因为糖蜜是多组分的混合物，必须严格按照说明测试本参数。糖蜜值是用活性炭标样和要测试的活性炭的样品处理糖蜜液，通过计算过滤物的光学密度的比率而得。

堆积重：堆积重是测量特定量炭的质量的方法。通过逐渐把活性炭添加一个有刻度圆桶内至100cc，并测量其质量。该值被用于计算填充特定吸附装置所需活性炭数量。简单地说，堆积重是活性炭每单位体积的重量。 

颗粒密度：颗粒密度是每单位体积颗粒炭的重量，不包括颗粒以及大于0.1mm裂隙间的空间。颗粒密度是用水银置换来测定的。

四氯化碳：四氯化碳值是总孔容的指示器，是用饱和的零摄氏度的CCI4气流通过25度的炭床来测量的。在规定的时间间隔内，测量被吸附的CCI4的重量直到样品的重量变化可以忽略不计为止。 

亚甲蓝：亚甲蓝值是指1.0克炭与1.0mg／升浓度的亚甲蓝溶液达到平衡状态时吸收的亚甲蓝的毫克数。 

硬度：硬度是测量活性炭机械强度的指标。重量的改变，用百分比表示。更确切地讲，硬度值是指颗粒活性炭在RO-TAP仪器中对钢球衰变运动的阻力。在炭与钢球接触过以后，通过利用筛子上的炭的重量来计算硬度值。 

磨损值：磨损值是测量活性炭的耐磨阻力的指标。该实验测量MPD的变化，通过百分比来表示。颗粒活性炭的磨损值说明颗粒在处理过程中降低颗粒的阻力。它是通过在RO_TAP机器中将炭样品和钢球接触，测定最终的颗粒平均直径与原始颗粒的平均直径的比率来计算的。

丁烷值：丁烷值是饱和空气与丁烷在特温度和特定的压力下通过炭床后，每单位重量的活性炭吸附的丁烷的量。

灰分：活性炭中包含无机物，通常是铝和硅。灰分是研磨成粉状的碳在954摄氏度时燃烧3个小时的剩余残渣。从技术角度看，灰分是活性炭矿物氧化物的组分。通常定义为在一定量的样品被氧化后的重量百分比。

水分：水分是测量碳所含水的多少。用Dean-Stark trap和冷凝器，在二甲苯溶液中煮沸活性炭来测量水分。为了测试水分，水被冷凝和截留在待测定臂状容器内。活性炭的水含量也可以通过在150摄氏度下烘干3小时后活性炭重量上改变来测定。水分是活性炭中被吸附的水的重量的百分比。

4、活性炭的吸附能力评价

吸附分液相吸附和气相吸附两类，液相吸附能力常以吸附等温线进行评价，气相吸附能力以溶剂蒸气吸附量评价。吸附等温线表示一定温度下吸附系统中被吸附物质的分压或浓度与吸附量之间的关系，即当保持温度不变，可测得平衡吸附量和分压或浓度间的变化关系。以剩余浓度为横轴，以活性炭单质量的吸附量为纵轴可绘出关系曲线。当保持分压或浓度不变，可测得平衡吸附量和温度间的变化关系，绘出关系曲线，即吸附等压线。由于在工业装置中少量成分吸附大致在等温状态下进行，所以吸附等温线最为重要和常用。溶剂蒸气吸附量表示气相吸附性能，可用颗粒活性炭的四氯化碳吸附率的测定为例，在规定的试验条件下，即规定的炭层高度、气流比速、吸附温度、测定管截面积、四氯化碳蒸气浓度的条件下，持含有一定四氯化碳蒸气浓度的混合空气流不断地通过活性炭，当达到吸附饱和时，活性炭试样所吸附的四氯化碳的质量与试样质量之百分比作为四氯化碳的吸附率。活性炭应用中对于吸附能力，最好用实际拟用的活性炭、操作的条件、具体的处理物进行评价测试。活性炭的吸附量，即单位活性炭所吸附的吸附质的量，工业上也有称为活性炭的活性，活性有两种表示方法：静活性-----即通常所指的吸附剂达到平衡的吸附量。动活性----是指流体混合物通过活性炭床层，其中吸附质被吸附，经一些时间的运作，活性炭床层流出的流体中开始出现含有一定的吸附质，说明活性炭床层失去吸附能力，此时活性炭上已吸附的吸附质的量，就称为活性炭的活性。是设计大量的、经常的、重要的吸附系统所需的数据。

用液相等温线法测定活性炭吸附能力的标准实用方法，可用于测定原始的和再活化的和粉状活性炭的吸什能力。

如何确定更换周期呢？

了解完活性炭的性质你就可以知道影戏活性炭更换周期的因素非常多，但作为用户可以不去关心这些，我们只想达到一个简单的结论，知道如何操作就可以了，那些专业的事情交给专业的机构和专业的人就可以了，所以本文主要介绍企业层面的操作。

1、检测法确定更换周期

目前活性炭吸附主要用于废水处理和废气处理，在设施安装之前我们都会给这套装置设置一个预期的效果，所以用检测法来确定更换周期是一种最为简洁的方式。这种方式用在废水处理方面比较多一些，因为废水的监测相对简单一点，每天都可以监测，有的设置有在线装置，只要监测到处理效果快不行了，就可以更换了，一般的废水处理都是好几个活性炭吸附罐（塔），可以串联、可以并联，根据实际情况进行更换，既不影响实际的运行，还可以及时更换。

但对于没有在线废气监测的处理设施或者不以处理效果为要求的吸附装置比较麻烦一点，比如在VOC治理的要求中处理效率在80%以上，这是因为那些本来浓度就低，只是为了减少排放量，所以不存在排放标准的问题，所以这个时候通过监测就不好办了，只能通过计算来确定一个更换周期了。

2、计算法确定更换周期

这个问题其实比较复杂，有很多的影响因素，这这里我们只能通过简单的例子来陈述一下了：

活性炭对不同的有机气体其吸附能力（用S表示）是不一样的，按一个排污企业150mg/m3，风量在50000m3/h，一天工作时长15小时算，活性炭的平衡保持量取30%，1t活性炭达到饱合的时间为：

T(d)=m*S/C*10-6（kg/mg）*F*t(15h/d)

m：活性炭的质量，kg；

S：平衡保持量，%；

C:VOCs总浓度，mg/m3；

F:风量，m3/h。

则T=1000*0.3/150*10-6*50000*15=2.67d

也就是1t的活性炭在上述条件下，2.67天就达到饱合了。

案例1 （使用颗粒活性炭）

活性炭吸附量以及使用时间 活性炭对不同的有机气体其吸附能力（用S表示）是不一样的，按一个排污企业150mg/m，风量在50000m/h，按每天工作时长15小时计算，活性炭的平衡保持量取30％，4t活性炭达到饱和的时间为：

T（d）=m * S / c /10-6 / F / t

（ *10-6 将mg/mg转换成kg/mg； t =15（每天工作时间h/d）。）

m：活性炭的质量，单位kg；

S：平衡保持量，％；

C： VOCs总浓度，单位mg/m；

F：风量，单位m/h；

则T=4000 * 0.3 / 150 /10-6 / 50000 /15 = 10.668 d

也就是4t的活性炭在上述条件下，10.668天就达到饱和了。

案例（2）

窝炭1g能吸附600mg的有机废气

一块蜂窝活性炭质量：0.1×0.1×0.1×450kg/m3=0.45kg

单套设备蜂窝炭重量

0.8×1.31×1.33÷0.001=1400块×0.45=630kg

设备蜂窝炭的吸附能力为：

630kg=630000g

630000g×600mg=378000000mg

总过滤量为25000m3/h×119.5mg/m3=2987500mg/h

吸附满周期T2

378000000mg÷2987500mg/h=126.52h

每天工作8小时算

T2=126.52h÷8=15.81天

因为T2>T1所以本项目活性炭更换周期为8—15天、建议10天一换。

注意：这个计算仅仅是理论上的，在实际中还要受到多种因素的影响！

影响更换的周期的因素

影响活性炭的因素有很多，我们按照已经建设好的环保设施简单说点儿吧：

1、活性炭的选择

活性炭的品种和参数差异非常大，不同类型、不同参数、甚至不同厂家和批次的活性炭差异都比较大，很有很多的活性炭是再生后的，差别也是很大的，因此当设置建设完成后，活性炭最好不要随意更换，否则就会影响处理效果和更换周期。

2、工作条件的变化

这里面包括进口的浓度、风量、含水量、其他杂质种类和数量等等，每一个参数的变化都会吸附效果个更换周期造成影响，因此保持活性炭吸附装置的稳定运行尤为重要！

3、温度对吸附效果的影响

对于大多数物理吸附,低温下吸附量可达很大量,但吸附速率较慢。在大多数情况下,需要更快地进行吸附,而且通常使用较高的温度。当温度低于临界吸附温度时,柱状碳的吸附效果较差,除液体冷藏和加热不方便外,一般用于吸附半小时后加热煮沸,冷至临界吸附温度滤池脱碳,脱碳最好在短时间内完成,以不降低温度或在吸附过程中失活,使制备过程中杂质增加。

4、其他影响因素的注意事项

运输与装卸：活性炭在运输过程中，不得用铁钩拖拽，应防止与坚硬物质混装，不可强烈振动、磨擦、踩、砸，严禁抛掷，应轻装轻卸，以减少炭粒破碎，影响使用。

储存：应储存于阴凉干燥处，防止内外包装袋破裂，防止受潮和吸附空气中其它物质，影响使用效果。严禁与有毒有害气体或易挥发物质混放，存放要远离污染源。

严禁水浸：活性炭属于多孔性吸附类物质，所以在运输、储存和使用过程中，都要绝对防止水浸，因水浸后，水填充了活性孔隙，减少了活性炭比表面与气体的直接接触，严重影响使用效果。

防止焦油类物质：在使用过程中，应禁止焦油类粘稠物质进入活性炭床，以免堵塞活性炭孔隙或遮盖了活性炭展开表面，使气体不能与活性炭展开表面接触，失去应用效果，如气体中含有此类物质，应在气体进入活性炭床前进行清除（最好有除焦设备）以达到好的应用效果。

防火： 活性炭在储存或运输时，防止与火源直接接触，以防着火。活性炭再生时避免进氧并再生彻底，再生后必须用蒸气冷却降至800℃以下，否则温度高，遇氧，活性 炭自燃。

使用：装填时应先筛去因搬运产生的碎粒与粉尘。然后层层均匀铺开，不得从进料孔处直接倒入，以免使大小颗粒装填不均，最终造成气体偏流，影响使用效果。装填结束，开车前应先吹空，吹出活性炭表面粘附粉尘，避免开车后粉尘带入后工段而影响正常生产。

安全需知：湿的活性炭需要从空气中除去氧，在安全密闭的容器内氧的消耗会造成有毒的环境，假如工人进到含有活性炭的容器内适当取样或低含氧空间作业，应遵守国家相关标准及作业规范。