制備工藝對活性炭性能的影響

趙乾+王學忠

摘 要：伴隨著科技的不斷發展，活性炭應用性能的探索引起了社會的廣泛關注。各種活性炭的性能與我國行業發展的要求有些距離的現狀，給化工行業帶來了不小的困擾。因此，認真分析活性炭性能，利用有效的制備工藝，將活性炭性能中的存在的孔徑分布、不同配料比及陳化時間進行探索研究，從而制備出高強度的活性炭。

關鍵詞：活性炭；制備工藝；性能

中圖分類號： TQ424.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2017）06-170-2

引言

隨著活性炭在應用領域的不斷擴大，其發達的孔隙結構及吸附力等性能給工業化的創新帶來了生機。國際化學科技者將活性炭的孔隙分別分為微孔、中孔和大孔，其孔徑尺寸及數量對活性炭的性能都有著直接的關系，因此，如何選用制備機理，對活性炭的微結構進行有效的調控，并且在活性炭的孔徑分布進行有規律性的調節整理，是未來制備工藝的核心問題。目前，我國科研人員分別以工業酚醛、煤等原料為碳源進行試驗，成功制備了孔隙豐富、孔徑集中的多孔活性炭材料，并總結出研究分析成果。分析了煤粉不同顆粒度與配比的差異造成活性炭孔隙尺度的原因，提出了最佳制備工藝。

1 活性炭的作用及結構

活性炭是一個富含碳、有發達的孔結構及吸附功能的有機材料，在化工、環保及軍事化工等領域都有著廣泛的應用。在古代，就用活性炭的吸濕防腐功能應用于古墓設計中，現代運用吸附凈化功能對大氣中的污水、廢氣等進行實用性試驗、回收和凈化。在日常生活當中，飲用水的凈化給人們的生活質量帶來便利，對有機溶劑等化工產品進行純化萃取等運用；而且活性炭具備穩定的物理化學特性，可以再生利用，不造成浪費和環境污染。這些作用主要歸結其結構的多樣性，晶格結構、孔隙結構和化學結構是活性炭的主要結構，不同的結構對活性炭的催化作用和吸附性能都有著至關重要的作用。

2 活性炭的制備工藝

2.1 制備原料的選擇

在我國污水處理和防毒保護等工業方面，活性炭的原料要選擇具有豐富孔隙結構的材料，根據孔結構的分布狀況、吸附特性等方面進行相應的特理活化法、化學活化法或兩者綜合法。一般植物類原料是取自農作物、林業等產品的廢棄物，如堅果殼（椰子殼、核桃殼等）、木材或竹子的邊角料，工藝的處理過程首先要將這些廢棄物進行簡易的炭化處理，再通過無變形、無反應的物理方法進行活化，有些需要經過化學處理進一步提高原料的利用率，使原料的表面達到標準的孔隙結構、性能優良的活性炭。

在煤炭原料制作煤質活性炭的工藝過程中，選擇柱狀、顆粒、粉末等外形的無煙煤，也可在煤焦油蒸餾后的余渣進行制作活性炭，這些原料成本低，資源豐富，對大氣層保護也起到了積極的作用。

利用石油煉制中的含碳產品剩下的廢料制備高純度、高比表面積的活性炭是當前制作成本較高的項目，運用范圍局限在醫藥、電子等領域。當然，石油原料作為活性炭的制備材料，也是提高石油廢料附加值、拓寬活性炭原料渠道的有利途徑。

人們生活中常見的塑料材料、含碳廢棄物也是制備高性能活性炭的原料之一，如聚乙烯、聚丙烯、廢舊輪胎等，此類原料的來源隨處可見，不但提供了制備活性炭的原料，而且解決了生活環境污染的問題。

2.2 制備方法的選擇

選擇好適當的制備原料后，正確運用處理方法，催化原料的各項反應，使原料的孔隙結構、吸附能力及比表面積適應活性炭的標準。其主要處理方法分為物理活化法、化學活化法、催化活化法等。

①物理活化法。物理活化法是在高溫下利用水蒸氣、二氧化碳和空氣為活化劑進行生產活化炭的方法。其主要是利用材料顆粒與顆粒之間的碰撞及聯接配成最佳的孔隙分布，生成大量的氣孔。其制備原理如下。第一，碳化。所謂對制備原料進行炭化，就是將材料充分混合陳化，壓入標準成型的模具內成型，然后用刀片進行有機的切碎篩分，放入烘箱內進行烘干工藝，烘干時間通常在1.5個小時，從而將原料中的含碳成分進行有機的分解，非碳分子會隨著溫度的不斷升高而揮發。一般的炭化溫度在600攝氏度左右，直到制備原料的非碳元素揮發完畢，成為炭化料。第二，活化反應。將前期處理的炭化料放置在處理場地進行加熱，一般活化溫度在800-1000攝氏度左右，并將選擇的活化氣體（諸如水、氣等）輸入，使之與炭化物中的碳發生反應，促使炭化物表面因氧化而形成孔隙結構并不斷地擴大，直至炭化物成為活性炭材料。在活化過程中，最佳的溫度、最佳的通水量和最佳的氮氣通量，極大地影響到活化炭微孔含量。在我國，最常用的活化反應是水蒸氣活化反應和二氧化碳活化反應。物理活化法的優點在于不對環境產生再次污染，制備設備的運用完全率高、腐蝕性小；缺點在于活化時間長，溫度高，制備出來的活性炭產品性能較低。②化學活化法。化學活化法是采用化學試劑（諸如氯化鋅、氫氧化鉀等）作為催化劑來活化炭化物而生產活化炭產品的方法。其制備原理是：對原料的性能進行科學的檢測，再將化學試劑進入原料的內部進行化學反應生成對應的化合物，清除原材料中不適用的元素，促進原材料的孔型增大，微晶的距離發生變化，同時，酸類化學試劑對已形成的碳體進行緩慢氧化形成新的孔結構，加速炭化物中的碳轉化到活化炭。此類方法優點在于活化率較高，原料的利用率也較高，可以有效調節所制備的活性炭的孔隙結構，提高活性炭的比表面積，保證有較高質量和吸附能力較好的活性炭。缺點在于對環境可能會造成二次污染。③物理—化學活化法。這類方法是將物理與化學并用的活化方法。其工作原理是將選擇的原料與一定比例的化學試劑放入器皿浸泡，經過一段時間后，再撈出進行烘干成型，然后放在高溫下與輸入的活化氣體進行反應，完成表面積的造孔過程，最后得到活性炭產品。④催化活化法。催化活化法就是利用金屬化合物對活性炭材料進行催化活性，使活性點增加。其工藝原理為：將具有催化活性作用的金屬化合物注入到微孔結構的炭材料中，促使炭材料的微孔表面充滿了活性點，一旦在活化金屬原子時，金屬粒子周邊的碳原子會得到優先的氧化性能，氣化碳原子的作用就愈強，碳原料的微孔尺寸會隨之增加，孔徑也會隨著擴大。其方法的優點是操作簡便。但其缺點在于：注入活性炭材料中的金屬元素可能會因吸附力的原因得不到完全消除，滲透到活性炭材料的深層，會影響到后續的制備工藝。⑤模板法。模板法是將選擇的原料導入到特殊孔隙結構制成的模板內，使材料在規定的模板內發生反應，形成固定模板控制的材料模型，制備材料的尺寸和形狀都符合設計標準的方法。此方法是目前最有效控制活性炭材料的中孔率和孔結構、尺寸的方法。可以分為軟模板法和硬模板法。軟模板可以在納米尺度來設計，可變性較大，在制備工藝實施過程中容易控制，操作步驟簡單易行，造價成本相對也較低，而硬模板結構強硬，不易控制，但因在物種組裝時容易達到主客體的匹配程度要求，所以運用種類廣泛。

當然，還有制備工藝中的活性炭材料粘結劑量、成型顆粒度以及不同顆粒之間的配比都會對活性炭性能造成影響。

3 結束語

由上所述，制備工藝中的制備條件、方法、活化溫度及時間等因素都是制備不同質量活性炭的關鍵，多孔、孔徑各異的活性炭，都會因活化劑種類得到不同的孔徑參數，影響活化炭的吸附量的大小，所以，對原料的活化方法要根據不同領域的要求制定相應的制備工藝，采用不同的方法進行補充，加快活化氣的擴散速率、溫度和時間，使活性炭材料的比表面積、孔徑分布和孔容等要素達到要求。

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