制備工藝對活性炭中孔分布的影響

王學忠+趙乾

摘 要：隨著科技的進步，活性炭在生活和工業中的應用逐漸寬泛和拓展，然而，傳統的活性炭含有不同的孔徑，并且孔徑分布也處于極不均衡的狀態，這就對活性的拓展應用起到了較大的限制作用，不能適應現代工業行業發展的需求。為此，本文重點探索制備均一活性炭的工藝，通過分析制備過程中的溫度、時間、比例、炭化速率等因素，研究制備工藝對活性炭中孔分布的影響，以更好地實現對活性炭孔徑分布的微調。

關鍵詞：制備；工藝；活性炭；孔徑；分布；影響

中圖分類號： TQ424.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2017）05-189-2

0 引言

活性炭又名多孔碳，在科技進步的態勢下，它在各個應用領域大顯身手，以其發達的孔隙結構和超強的吸附特征，成為了工業行業應用中的“佼佼者”。然而，傳統的活性炭盡管具有多孔性能，但是，它的孔徑分布極不均勻，難以達到工業行業生產的要求。因而，對活性炭孔徑分布的研究成為業界關注的焦點，著眼于對活性炭孔徑的規整性調整，需要分析制備工藝對活性炭中孔徑分布的影響，更好地對活性炭的孔徑加以微結構定向調整，并對孔徑分布實施集中有序的調控，從而使活性炭的催化性能和選擇性應用更具有優勢和效果。

1 活性炭概念概述

隨著化工行業的迅速發展，我國的活性炭年產量獲得了極大的提升，成為了活性炭生產和出口大國，廣泛應用于各個領域之中。活性炭具有自身特殊的結構和性質，主要表現為以下幾個方面。①晶格結構。在活性炭的基本炭質構成之中，沒有石墨化的非晶炭質和已經石墨化的活性炭微晶是主要成分，它們相互鏈接，組成了特殊的孔隙結構及不同的形態。它是屬于無定形碳的多相物質。②孔隙結構。由于活化的作用，含有的碳有機物和無序炭得以剔除，生成了活性炭的孔隙結構。它可以極大地影響活性炭的吸附性能。在制備的過程中，可以通過不同的反應條件，重點考慮其孔徑分布和孔容積，從而實現對活性炭的孔結構的規整化。③化學性質。活性炭大多由碳構成，并表現出疏水性吸附的性質。同時，還摻雜有氫、氧等化學結合元素以及少量的灰分，這主要是由于活性炭容易受到氧化，因而生成多樣性的官能團。

2 活性炭制備工藝對孔徑分布的影響分析

用于制備活性炭的材料極為寬泛，只需在炭化工藝下生成豐富孔隙結構的碳質材料，都可以成為制備活性炭的來源和渠道。這些用于制備活性炭的原料有不同的種類，主要包括以下幾類。①植物類制備原料。主要是利用農林產品的廢棄物，實施初步的炭化反應，利用制備工藝技術加以制備，在這個制備原料之下，可以獲得發達的孔隙結構的活性炭。如椰子殼、核桃殼、竹子等。②煤炭類制備原料。充分利用我國豐富的煤炭資源，運用制備工藝技術，制成高強度、吸附性能強、孔隙大小可控的活性炭。并且，還可以利用煤炭開采過程中的低品質成分如煤矸石、劣質煤，加以制備，可以降低制備成本，也是治理環境污染的一種有效手段。③石油類制備原料。石油煉制中產生的副產物——石油焦，可以運用制備工藝技術，制備出高純度的活性炭，它極大地提升了石油焦廢料的附加值，成為了活性炭制備的拓展性渠道。然而，這種制備原料的活性炭生產成本較高，局限于特殊的應用領域。④塑料類制備原料。粉末狀的酚醛樹脂可以制備出具有獨特孔隙結構的活性炭，制備成的活性炭可以應用于凈水器、氨氣發生裝置之中。如聚乙烯、樹脂等。⑤含碳廢棄物。這些原料既可以成為活性炭制備的拓展性來源，如廢舊輪胎、污水治理剩余的污泥、鋼鐵生產排放的粉塵等，這些廢棄物不僅可以應用于活性炭的制備應用過程，而且也可以減少對環境的污染性影響。

2.1 物理活化法

在對活性炭的制備工藝中，物理活化法是一種傳統的制備工藝，利用加熱反應，在氮氣保護環境下，使水蒸氣、CO2與原料產生化學反應，制備生成活性炭。這是一種無須化學試劑的制備工藝，它的原理實質是實現碳的氧化反應，在對含碳有機物充分炭化的條件下，加熱到一定溫度，從而使炭化料與碳產生活化反應，并在反應逐漸加深的過程中，生成孔隙結構。

2.2 化學活化法

這是一種傳統的活性炭制備工藝，要添加化學試劑，如氯化鋅、磷酸、氫氧化鉀等，實現對活性炭的制備。具體如下：①氯化鋅活化法。首先要將含碳原料與氯化鋅相混合，并加熱至一定的溫度，產生熱分解反應，再歷經一系列的工藝流程，實現對活性炭的制備。其適宜的加熱溫度為600～700℃，制備效率較高，生成的碳微晶較小，并且可以循環回收利用。②磷酸活化法。磷酸作為制備活性炭的原料，可以產生酸催化作用和脫水功能，在磷酸與無機物作用生成磷酸鹽的過程中，會使活性炭的微晶距離增大，而生成新的孔隙結構。③氫氧化鉀活化法。這是一種制備高比表面積的活性炭制備工藝技術，通過添加氫氧化鉀等堿性化合物，可以分解成CO2氣體，增強活化作用，從而更好地增強活性炭的吸附性能。

2.3 物理—化學活化法

這也是一種較為傳統的活性炭制備工藝，是將物理活化法和化學活化法相結合使用的制備方法，它是將原料與藥品成一定比例浸漬，再經過加熱烘干處理，之后與活化氣進行活化反應，生成活性炭。

2.4 催化活化法

這是一種新興的活性炭制備方法。它是將具有催化活性的金屬化合物添加入炭原料中，增加微孔徑表面的活性點數量，并在活化反應中產生選擇性的氣化作用，最終達到增大微孔徑尺寸的目的。然而，這種制備工藝難免會遺留一些金屬元素，當它被液相吸附時，就會以離子的形式與溶液反應，因而，還需要進一步探究其他制備技術。

2.5 有機凝膠炭化法

這也是一種新興的活性炭制備工藝技術。它替代了金屬離子作為添加劑，而采用控制凝膠化前的碳源前驅體的結構方式，實現對活性炭孔徑大小的控制，它在一定程度上減少了金屬離子的殘留反應，可以較好地避免催化活化法的應用缺陷。然而，它也有其自身的局限性，主要表現在對凝膠制備的過程中，需要使用堿性催化劑，而對這種堿性催化劑的濃度控制較為困難。

2.6 模板法

這也是一種新型的活性炭制備工藝。它以特殊孔隙結構的材料為模板，如表面活性劑膠束、微乳液等，這些具有特殊孔隙結構的材料具有結構可變性大的特點，對于導入目標材料的反應過程可以加以有效地控制，它也是控制活性炭中孔率和孔結構尺寸的最具有潛能的工藝。

3 活性炭的廣泛應用分析

①活性炭應用于氣相吸附。活性炭可以應用于氣相吸附，實現氣體的凈化和分離、溶劑回收再利用等領域，另外，還可以作為高效氣體擴散泵中的微量氣體吸附劑。②活性炭應用于液相吸附。活性炭應用于水處理領域尤其寬泛，其表面的疏水性可以使其從水溶液中吸附物質，使水溶液得以凈化。如食品行業的液相脫色精制；制藥行業中的液相精制；石油化學行業中有機硫化物的脫色處理；冶金工業中對貴金屬的提取處理等。③活性炭應用于催化劑。活性炭可以單獨成為一種催化劑，如氯氣與CO在活性炭的催化作用下，產生光氣；活性炭還可以應用于催化劑載體，如活性炭負載醋酸鋅作為催化劑；活性炭負載納米ZnO作為強氧化劑等。④活性炭應用于儲能領域。活性炭可以應用于電池之中，為蓄電池行業帶來深遠的影響。如活性炭吸附電解質電極電容器等。

4 結束語

綜上所述，活性炭以其獨特的結構和性質而備受關注，由于傳統活性炭的孔徑分布極不均衡，顯現出與現代化工業生產需求極不適應的問題，因而，對活性炭中孔徑分布以及對活性炭的規整化，成為了當前研究的熱點和前沿課題。我們需要面對活性炭應用逐漸寬泛的形勢，分析各種不同的制備活性炭的工藝和技術，以更好地制備均一孔徑的活性炭，并將其應用于各個行業之中。

參 考 文 獻

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