不同碳基前體制備活性炭的性能比較研究

張 建，王 輝，王婭婭，李小敏

(伊犁師范大學 化學與環境科學學院，污染物化學與環境治理重點實驗室，新疆 伊寧 835000)

1 引言

不同活性炭原料經不同工藝最后得到的活性炭的性能也不相同，如添加化學劑方法制備出中孔型或者微孔型活性炭，多數研究選取一種材料設計不同的制備方案，但關于原料選擇的基礎理論研究不足，對于不同原料的性質對制得的活性炭各性能指標的影響較少。選擇利用合適的活性炭前體采用合適的方法制備出符合自己需求或者特定目的的活性炭，是需要注意的關鍵點。

2 活性炭前體

活性炭前體即制備活性炭的原材料，具有種類繁多、來源廣泛、價格低廉和可再生等優點。活性炭制作原料可進一步分為生物質和非生物質，還可以細分為植物原料、動物原料、煤原料、石油原料、塑料原料、瀝青原料和其它含碳原料。生物質廢棄物包括植物廢棄物和動物廢棄物。例如農田焚燒秸稈等農業廢棄物，在加工林業產品過程中產生的木屑，以及食品加工過程中產生的果殼、動物殼、骨骼、毛皮等。

2.1 植物原料

目前我國制備活性炭主要有油果殼等植物類前體，由于這些植物原料本身是碳元素構成，且含有大量空隙，所以可生產比表面積較大、孔結構比較發達的高強度活性炭。

油茶樹是我國一種特有的純天然油料，生長于南方地區，并被用于榨油工業，榨油后剩余的廢殼屬于農業廢棄物，通常當做垃圾被丟棄或燒毀。油茶殼中含有豐富的纖維素、半纖維素和木質素，所以可以用油茶殼制備活性炭。

孫康等[1]利用水蒸氣法制備活性炭的最佳工藝條件是：粉碎水洗滌并在烘箱中干燥后的油茶殼并過篩選擇出2～4 mm的顆粒，在活化爐中以水蒸氣用量60 mL/min的條件下活化120 min，設置終點溫度在820 ℃，所得活性炭用磷酸浸漬，浸漬比3∶1，然后干燥除去水。干燥的樣品在800 ℃的溫度下熱解以改變其多孔結構，通過這個過程制備了高度發達的中孔活性炭。用油茶殼制備的活性炭的比表面積可達到1608 m2/g。

2.2 動物原料

科學家經過實驗驗證，動物殼、骨骼、毛皮等也可以用來制備活性炭吸附劑，如果它們作為垃圾丟棄，不僅污染環境，而且還會造成生物資源的巨大浪費。動物基活性炭對廢水中重金屬(如：Cu、Pb、Hg、Cr、Cd等)的去除有較好的效果，且產品成本低廉。

阿依努爾·達吾提等[2]以羊骨為原料，又以CO2為活化劑時制備羊骨基活性炭，最佳工藝條件為：在炭化最高溫度400 ℃的條件下炭化40 min后，然后在CO2流量80 mL/min和最高活化溫度為550 ℃活化10 min，其比表面積為128.80 m2/g。

2.3 煤原料

以煤炭為前體制備的活性炭具有良好的吸附性，目前主要應用于氣體分離和環境保護方面。由于煤炭產量較高，目前煤基活性炭產量已超過木質基活性炭，成為我國所使用活性炭的主要來源。

劉衛娜等[3]對比了不添加任何添加劑的煤基活性炭的直接制備法和空氣預氧化法制備的煤基活性炭，兩者有所不同。不添加任何添加劑的煤基活性炭是以200 mL/min的速度通入氮氣，再以10 ℃/min的速率升溫至500 ℃并恒溫炭化2 h，然后以速率為10 ℃/min升至900 ℃，停止通入氮氣，此時改為通入H2O活化2 h后通入氮氣降至室溫。這種活性炭的比表面積最大為311.89 m2/g。

陸曉東等[4]以寬溝煤∶哈密煤為6∶9的質量比，對煤添加含鉀化合物的催化劑，生產活性炭的工藝設置參數，設置最高溫度250 ℃的條件下氧化180 min，設置最高溫度為530 ℃的條件下炭化150 min，設置最高溫度為920 ℃的條件下活化4 h，制備出來的活性炭的平均強度為95%，活性炭的碘吸附值可達到1320 mg/g，裝填密度485 g/L，完全達到目的要求。

2.4 石油原料

石油煉制過程中產生的含碳產品和廢棄物也可以制備活性炭吸附劑，具有可生產、高比表面積、高純度等優點。然而，這類石油基活性炭的生產成本很高，所以適用范圍局限于氣體吸附和儲存、電子、醫藥等領域。

李樹花等[5]以石油為前體，利用K2CO3作為活化劑，制備了石油基活性炭，當用質量分數為20%的H2O2預氧化時，得到的活性炭的比表面積高達1886 m2/g，總孔容為1.477 cm3/g，在K2CO3∶石油焦為2∶1和以升溫速率5 ℃/min至最高溫度800 ℃活化時2 h，制備的活性炭電化學性能最好為在0.5 Ag下，比電容為227 F/g，當電流密度達到50 Ag時，電容量為168 F/g，保持率可達74.0%。

2.5 塑料原料

聚乙烯、聚丙烯、聚合物樹脂等這類高分子聚合物的塑料原料生產的活性炭具有特殊的微孔結構。經過特定的化學改性處理，就可以用于制氨裝置、炭分子篩、制作電極材料等。

宋玲君等[6]利用廢棄聚苯乙烯制備活性炭，其最佳工藝條件是以濃硫酸和聚苯乙烯的物料比為2∶1，并浸漬時間為2.5 h，在最高炭化溫度為350 ℃的條件下炭化120 min。實驗得到此時的聚苯乙烯的碳化物產率高達82%。之后以KOH為活化劑，活化劑KOH與聚苯乙烯炭化料的物料比為2∶1，在活化溫度為700 ℃的條件下活化1.5 h即可獲得所需活性炭。測得產品活性炭的孔徑分布在0.5～2.5 nm之間，總孔容為1.38 m3/g，比表面積為1981.5 m2/g，碘吸附值為1400.0 mg/g。

李良波等[7]利用聚氯乙烯制備活性炭的最佳工藝為，聚氯乙烯以10 ℃/min的速率升溫至550 ℃并恒溫保持30 min，然后用水蒸氣法活化，在水蒸氣流量為6.6 mL/min的條件下，以10 ℃/min的速率升溫至800 ℃并恒溫保持120 min后就可以得到聚氯乙烯活性炭，測得活性炭比表面積為400 m2/g，平均孔徑為3.86 nm。此外，聚氯乙烯活性炭的發熱量為固體廢棄物燃料發熱量的2倍，未來可應用于燃燒發電。

付正芳等[8]利用聚丙烯腈制備活性炭吸附劑并應用于儲存氫氣，最佳條件是先預氧化處理，聚丙烯腈以10 ℃/min的速率升溫至250 ℃并恒溫保持2 h時，然后炭化條件是以30 ℃/min的速率升溫至900 ℃并恒溫保持1 h，采用KOH活化，以50%的KOH浸漬12 h，在氮氣的保護下升溫至850 ℃并活化1 h。其的比表面積為2000 m2/g。另外，在273 K下測得最大儲氫的質量分數為1.33%，在77 K下，聚丙烯腈活性炭的儲氫量大于納米碳管的儲氫量。

2.6 瀝青原料

目前利用瀝青制備活性炭也是一種不錯的選擇。鐘隆春等[9]利用瀝青采用KOH活化法制備活性炭的最優條件的是：第一步碳化，以12 ℃/min的速度升溫到400 ℃，并恒溫保持60 min，第二步活化，以KOH∶碳化后的原料為3∶1，在活化最高溫度為850 ℃的條件下活化為120 min，測得比表面積為2834.30 m2/g，總孔容積為1.84 cm3/g，微孔容積為1.22 cm3/g，汞吸附量為11200 ng/g。

2.7 其它含碳原料

許多研究結果表明，廢舊輪胎、鋼鐵企業排放的粉塵、城市污水處理剩余的大量污泥也可以作為生產活性炭的原料，這種做法不僅擴大了制備活性炭的原料來源，而且還解決了一部分環境污染治理的問題。

張亞迪等[10]以生活污水處理廠的廢棄污泥為前體，干花生殼粉∶污泥的質量比為1∶3，采用六水氯化鐵為活化活性炭。最佳條件是六水氯化鐵∶多孔炭質量比為1∶1，在熱解溫度700 ℃下恒溫保持時間1.5 h。測得比表面積達到781.5 m2/g，總孔體積為0.859 m3/g，微孔體積為0.293 m3/g，均高于未經過鐵鹽活化制備的活性炭的3項性能。該條件下的活性炭吸附碘值最高為623.6 mg/g，苯酚溶液pH=8的條件下，在絕對溫度298 K下吸附，其投加量為1 g/L，對苯酚的最大吸附可以達到109.58 mg/L，遠大于其它文獻中的苯酚最大吸附量。

3 不同碳基前體制備活性炭的性能比較

由以上數據和表1可得此結論。

表1 不同碳基前體制備活性炭的性能歸納比較

(1)制備活性炭前體材料豐富。除了以煤炭、石油、塑料、瀝青等非生物質為前體外，生物質廢棄物和廢水處理廠剩余的污泥等含碳物質也可以用來制備活性炭。

(2)利用不同前體制備的活性炭的性能也不同。

(3)以石油和瀝青為前體制備的活性炭，其比表面積一般較高。而以動物為前體制備的活性炭的各個方面性能較差。