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【过滤全解析】化学过滤—你不知道的活性炭使用方法!  

2017-02-27 17:28:04|  分类: 基本功·技术流 |  标签: |举报 |字号 订阅

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【过滤全解析】化学过滤—你不知道的活性炭使用方法! - 虚骨龙 - 锦粼·極鱼-水族贸易制造

化学过滤主要的作用,在消除水体中的无形污物,通常为有机溶解物、有机胶质或某些溶解性气体等,这类污染物因无法被物理滤材除去,故必须依赖化学过滤才能达到滤除的目的。不过,如果有经常定期实施换水措施的话,这类污染物即可被稀释掉,所以化学过滤不一定非实施不可,有时也可以不必运用。
化学过滤的操作,主要表现在其滤材特性上,它所用之滤材主要有两种,其一为活性碳,其二为特殊净水石材,以活性碳的效果较明显,因此其应用比净水石材要来的广泛。

活性碳
活性碳是一种黑色粉末状或颗粒状的无定形碳。所谓无定形碳是形容其内部的碳原子结构没有固定的排列顺序而言。实际上它的内部结构并不是真正的无定形体,而是具有和石墨一样结构的晶体,石墨是制作铅笔笔芯的材料。活性碳与石墨最大的不同,在于它的碳原子六角形环状平面形成的层状结构凌乱而不规则,晶体形成有缺陷,而且晶粒微小,含有少量杂质。主成分除了碳以外还有氧、氢、氮等元素。
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由于活性碳的碳原子,在结构上排列相当纷乱,如果我们将它的架构碎裂,用显微镜观察,可以发现它的内部到处充满纵横交错的细孔,这些细孔的尺寸,可以小到分子级大小,因此它是一种多孔碳,具有堆积密度低,比表面积大的特性。
活性炭的多空隙结构,让它具有极大的比表面积,此种表面积更赋予它具有最强烈的吸附能力,而能广泛吸附许多化合物。在人类所制造的物质中,以活性碳的结构最具多孔性,或最具有物理吸附作用能力。活性碳的比表面积可以超过1000m2/g,如果依此计算,那么小的5g重所拥有之表面积,将相当于一个足球场那么大。
活性碳的物理吸附作用
活性碳主要是利用其物理吸附作用来净化水质的。此种作用是由吸附质和吸附剂分子间作用力所引起,一般的活性碳都能发生这种作用。吸附与吸收不同,吸收是指让物质进入固体的内部的原子结构中,但活性炭并不具备这样的能力,它的吸附作用只是一个表面现象,所以只发生于它的表面。
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物理吸附作用的形成,主要来自于伦敦分散力,这也是另一种凡得瓦力的表现形式。此种力普遍存在于不具有永久性偶极矩的分子之间,它是一种自然的吸附力。只要分子足够靠近,都会很自然产生这种作用力。凡是能利用此种力把物质吸住的作用,我们称为物理吸附。此种作用力与温度无关,因此不受温度之影响。
伦敦分散力必须在碳表面与被吸附分子之间达到作用的距离之后才会发生,该力的大小涉及被吸附分子中所有相关原子与活性碳表面碳原子密切接触的程度。如果接触的程度越高,则该力越大,同时活性碳对该分子的吸附能力也越强。
活性碳的化学吸附作用
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除了物理吸附作用之外,活性碳也能产生化学吸附作用,是指物质以类似于化学键之结合力,被吸附于活性碳表面的现象。此种吸附力之形成,可能是被吸附物质分子内的键裂开,或其双键裂解,并与活性碳表层之碳原子产生新键之故。因此,具有选择性,且吸附作用仅限于表层。不过,关于它的反应机构现在还有许多不清楚的地方。
并非所有的活性碳都具有化学吸附能力,如果要使它具有此种吸附能力,必须进一步作活化处理,藉以清除活性碳中的杂质,这样才能防止杂质干扰活性碳表面的碳原子与被吸附分子之间化学键的形成。这也是衡量活性碳吸附特性的重要指标之一。凡具有化学吸附性质的活性碳称为化学活性碳。一般水族馆所贩卖者,通常不属于这一种。
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脱附
无论是物理吸附或化学吸附都具有脱附的性质,如果被吸附物质的脱附力大于其间的伦敦分散力或化学键力,即能重新被释放出来,这种逆向操作就是脱附。不过化学吸附不同于物理脱附者,被吸附的物质脱附之后,已经产生了化学变化,不再是原来的物质了。
有哪些物质能被活性碳吸附
有哪些物质能被活性碳吸附呢?从活性碳的吸附原理可知,凡是大分子化合物,特别是一些有机物在水中是很容易被吸附的。活性碳能吸附有机物的种类,通常必须同时具备以下特征:(1)需溶解性者、(2)需分子量大小适中者、(3)需具有C≡C或C=C的化学结构者、(4)需化合物本身无恒久极性但易形成瞬间极性者。这四点可作为判断究竟有哪些有机物能被吸附活性碳的参考。另外,某些大分子量的无机化合物,像碘化物及汞化物,也能被活性碳吸附。
离子型物质因具有恒久性偶极矩,无法形在活性碳表面之间形成伦敦分散力,所以难以被吸附。水草的无机养分几乎都是离子性物质,所以在水草缸使用活性碳,无机养分应该不受活性碳吸附作用之影响。

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再生

活性碳的脱附过程,我们称为再生。当活性碳的脱附作用达到饱和或其吸附性减弱后,可以让它“再生”后而能再继续使用。由于物理吸附与化学吸附的平均焓皆为负值,关于放热反应,因此再生通常不会在自然的情况下自动发生,必须将活性碳单独取出另外做适当的处理。
活性碳再生时,一般使用水蒸气脱附再生。若仅针对物理吸附之再生,大约使用200~300℃之高压水蒸气在再生炉中加热处理即可。由于化学吸附所产生的作用力,比物理吸附强,所以它所需脱附再生的温度要高许多,例如,在操作时,它所需的高压水蒸气约至少高达400℃才能达到目的。在进行化学脱附的同时,也一并会进行物理脱附。
活性碳再生是一种技术性的操作,同时必须在专门的设备中才能进行,所以我们似乎只需了解其原理即可,没有必要真的尝试去做。如果活性碳的吸附性已经丧失,建议透过相关环保单位回收作集中处理,若还有需要使用,最好还是重新选购较为适当。
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吸附饱和
活性碳能吸附约占自身重量60%的物质才会饱和,不过我们无法用肉眼去判断活性碳的吸附是否已经达到饱和状态,通常只能经由测试才能知道。
测试方法举例如下:取A、B二杯100毫升的纯水,各滴入一滴甲烯蓝溶液,使之呈现淡蓝色,若显色不明显,可再滴入一滴或更多。把A杯当对照组,B杯当实验组。在实验组中加入若干待测活性碳,用玻璃棒持续搅拌几分钟,静置至隔夜,然后进行A、B的比色观察,如果B的色度比较浅,表示活性碳尚未饱和,仍然可以继续使用;假使二杯的色度一样,表示活性碳已达饱和,必须要更换。
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素材来源:《水族缸的管理》
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