活性炭制備技術(shù)研究進(jìn)展

樊星　侯黨社　張文亮　秦凡凡　李心燭

摘? ?要：隨著工業(yè)科技的進(jìn)步，活性炭的作用愈加多樣和顯著，而且對其綜合性能的要求也有了巨大的提升。在總結(jié)傳統(tǒng)的活性炭制備方法基礎(chǔ)上，闡述了新的活性炭制備技術(shù)，對活性炭行業(yè)新的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：活性炭;制備;進(jìn)展

1? ? 活性炭介紹

活性炭是一種常見的多孔炭質(zhì)吸附材料[1]，因其具有孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積巨大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、表面性質(zhì)可調(diào)和再生后可重復(fù)利用等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于化工、環(huán)保、冶金、材料等領(lǐng)域[2]。隨著科技的進(jìn)步和活性炭應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，人們對活性炭的使用要求也越來越高。但是在現(xiàn)階段，用傳統(tǒng)方法制備出的活性炭存在孔隙結(jié)構(gòu)不規(guī)整、表面性質(zhì)不穩(wěn)定和自身強度有限等缺點，嚴(yán)重影響了使用效果。基于此，開發(fā)新的活性炭制備技術(shù)是使活性炭行業(yè)適應(yīng)工業(yè)進(jìn)步且能可持續(xù)發(fā)展的前提。

本課題從提升活性炭的使用效果出發(fā)，闡述了活性炭的制備方法，旨在為活性炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

2? ? 傳統(tǒng)的活性炭制備方法

活性炭的制備包括炭化和活化兩個過程。炭化是將原料隔絕空氣加熱，使其中的非碳元素以氣體形式逸出。碳元素組合成基本石墨微晶的有序結(jié)晶生成物的過程，實質(zhì)是原料的熱解和縮聚。活化是用不同的活化劑和炭化后的原料進(jìn)行反應(yīng)，通過通孔、開孔和增加新孔等過程，使材料內(nèi)部產(chǎn)生更多孔隙的過程。活化過程是活性炭制備的控制步驟，要想獲得多孔隙、高比表面積的活性炭材料，必須注重對活化過程的控制。

傳統(tǒng)的活性炭活化方法有物理法、化學(xué)法和物理化學(xué)法等。原理和活化效果如表1所示。

3? ? 活性炭制備方法的研究進(jìn)展

為了提升活性炭的使用效果，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)外大量學(xué)者開發(fā)了新的、更高效的活性炭制備方法。

3.1? 微波加熱活化法

微波是一種頻率在300 MHz～300 GHz的電磁波[3]，具有明顯的高頻性和熱效應(yīng)，用微波技術(shù)進(jìn)行加熱，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的直接傳遞，具有快速、均勻、清潔和選擇性加熱、非接觸加熱等特點，進(jìn)一步改善了傳熱效果，提高加熱效率。近年來，越來越多的學(xué)者研究用微波加熱方式取代傳統(tǒng)加熱法應(yīng)用于活性炭的制備過程。

劉丹丹等[4]以新疆無煙煤為原料，以KOH為活化劑，比較了微波加熱和傳統(tǒng)加熱法制備煤基活性炭的性能。結(jié)果表明，微波加熱制備的活性炭有更高的比表面積和更少的酸性官能團(tuán)含量，吸附性能更優(yōu)。張利波等[5]以煙桿為原料，CO2為活化劑，采用微波輻射法制備出了性能超過國家一級品標(biāo)準(zhǔn)的活性炭，而且加熱時間僅為常規(guī)加熱的1/10，大大縮短了制備周期。該研究團(tuán)隊還以木焦油為黏結(jié)劑對廢棄煙桿進(jìn)行成型，采用微波輻射替代傳統(tǒng)加熱，用水蒸氣為活化劑制備出了比表面積為1 109. 22 m2/g，總孔容為0. 613 1 mL/g的優(yōu)質(zhì)活性炭。田宇紅[6]用微波輻射—KOH活化法制備了富含中孔、比表面積為513.62 m2/g的蘭炭基活性炭，微波過程并沒有引入新的基團(tuán)，但給產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)帶來了新的改變。

3.2? 催化活化法

催化活化法是將特殊的金屬催化劑加入活性炭的前驅(qū)體內(nèi)，通過成型、炭化、活化等步驟制備活性炭材料[7]，其實質(zhì)是利用金屬的催化作用使氣體物理活化發(fā)生不同的催化效應(yīng)，以期獲得所需要的活性炭的一種方法。在這一方法中，不同的催化劑對成品活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)影響巨大，所以此法一般用于活性炭孔隙的調(diào)控。

根據(jù)不同金屬的催化效果的不同，所選擇的催化劑可分為堿金屬催化劑（KNO3，K2CO3，KOH等）、堿土金屬催化劑（Ca2CO3，Ca（OH）2，CaO等）、鐵系金屬催化劑、鎳系金屬催化劑和稀土金屬催化劑等。一般來說，應(yīng)根據(jù)活性炭的用途，從活化過程的反應(yīng)溫度、時間、活化劑流量出發(fā)，選擇合適的催化劑。有時為了綜合兩種或多種催化劑的優(yōu)點，還可以選擇二元或多元復(fù)合催化劑，即一個強催化效應(yīng)的催化劑和一個弱催化效應(yīng)的催化劑，也可以用組合的方法，對多種金屬催化劑進(jìn)行配方實驗和篩選，提升使用效果。除此之外，對催化劑的選擇還需考慮該催化劑對活性炭應(yīng)用有無影響。

3.3? 超臨界水活化法

蔡瓊等[8]比較了用超臨界水和傳統(tǒng)水蒸氣活化酚醛樹脂的效果。結(jié)果表明，雖然二者都能制備出性能優(yōu)良的、以微孔為主的活性炭，但是相對于傳統(tǒng)的水蒸氣活化，臨界水活化更有利于在2～3 nm范圍內(nèi)形成中孔。程樂明等[9]也以褐煤為原料，KOH作添加劑，用超臨界水活化制取了優(yōu)質(zhì)活性炭。當(dāng)壓力在25 MPa時，成品比表面積比常壓水蒸氣活化增加74%，其中，中孔占比增加38%，超臨界水可以攜帶KOH分子進(jìn)入微孔內(nèi)，促進(jìn)通孔、擴(kuò)孔和大量新孔的形成。Salvador等用超臨界狀態(tài)的水作為活化劑，使木炭、煤和各種果殼活化，超臨界水是比水蒸氣更有效的活化劑。

雖然超臨界水活化是一種可行且有效的活性炭制備方法，但是目前針對這一方法的研究仍處于起步階段，對超臨界水的作用、反應(yīng)過程的機理、活化熱力學(xué)和動力學(xué)及反應(yīng)選擇性仍需進(jìn)一步深入研究。

4? ? 結(jié)語

隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，活性炭不再局限于吸附處理和分離提純等傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，生物傳感器、儲能儲氣等領(lǐng)域也越來越多地用到活性炭這一特殊的材料。這就對活性炭的綜合性能有了更高的要求。提升活性炭的綜合質(zhì)量，滿足使用需求，最重要的是開發(fā)新的、高效的活性炭的制備方法，尤其是根據(jù)不同的使用要求對活性炭孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面化學(xué)性質(zhì)的調(diào)控。所以，新的制備技術(shù)的開發(fā)也成為今后活性炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的研究重點。

參考文獻(xiàn)

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Research progress on preparation technology of activated carbon

Fan Xing， Hou Dangshe， Zhang Wenliang， Qin Fanfan， Li Xinzhu

（Department of Energy and Chemical Engineering， Xianyang Vocational Technical College， Xianyang 712000， China）

Abstract：With the development of industrial science and technology， the role of activated carbon has become more diverse and significant， and its comprehensive performance requirements have also been greatly improved. The traditional preparation methods of activated carbon and the new development direction of activated carbon industry is prospected.

Key words：activated carbon; preparation; progresses