高表面活性炭制備工藝的優化

靳生龍

（華陽集團（山西）產業技術研究總院有限責任公司超純碳分公司，山西 陽泉 045000）

0 引言

高表面活性炭在結構和性能兩方面均具有較高的水平，屬于新型碳材料；與一般的碳材料相比，高表面活性炭材料具有發達的孔隙結構和巨大的比表面積，直接決定了新型碳材料具有較好的吸附能力，其廣泛應用于超級電容器、天然氣吸附存儲運輸以及變壓吸附等領域[1-2]。目前，針對高表面活性炭的制備工藝主要以化學活化法為主，該種工藝在實際生產中存在產品質量不高、生成成本高，最終影響高表面活性炭產量的問題。針對此問題，本文重點對高表面活性炭的制備工藝進行優化。

1 高表面活性炭制備工藝概述

基于化學活化法制備高表面活性炭其工藝步驟及流程包括有對原料篩選、對原料進行預處理，炭化、活化以及最終的產品精制。具體闡述如下：

1）原料篩選。制備活性炭的原料主要以含碳物質為主，可用原料包括有植物類原料、礦物原料以及塑料類三種。我國作為煤炭儲量大國。活性炭制備的原料主要以礦物原料中的煤炭為主。此外，石油將在未來一段時間內成為原料的首選。

2）原料預處理。對原料預處理的主要目的是增強炭化和活化的效果，最終提升產品的質量。原料預處理的方式包括有機械加工處理、預炭化處理以及化學改性處理。

3）炭化過程。炭化步驟的主要作用是將原料中的有機物和揮發物去除，其本質為熱解反應，包括有熱分解反應和縮聚反應[3]。

4）活化過程。活化為制備活性炭的關鍵工藝，可采用的活化方式包括有物理活化法、化學活化法以及化學-物理聯合活化法。本文將對化學活化法的制備工藝進行優化。

5）產品精制。產品精制的主要目的是將耐磨損度和耐壓強度較差的粉狀活性炭轉化為成型活性炭，最終保證產品的存儲、運輸等便捷性，而且保證產品的強度和可加工性。

2 現狀分析

本章節對基于化學活化法制備高表面活性炭實際生產運行效果進行綜合評估，為后續活性炭制備工藝的優化提供基礎。

本文所研究的工廠活性炭的制備能力為10 t/a；目前，該公司的產品主要應用在超級電容器的電極材料，后續對制備工藝進行優化后所生產的高表面活性炭主要應用方向在天然氣的吸附儲運和變壓吸附項目中。該工廠現場設備的布置如圖1 所示。

圖1 活性炭制備設備現場布置圖

現場所配套活化設備一覽表見表1。

表1 化學活化法工藝制備活性炭活化設備一覽表

本次試驗分別采用比表面積及孔徑分布測量儀、馬爾文納米粒度分析儀、電化學工作站、氣-固吸附相平衡及動力學測量裝置等裝備對當前工藝條件下的比表面積、粒徑、電容性以及體積吸附量等指標進行檢測，在檢測過程中以比表面積達到2 300～2 500 m2/g、粒度達到2 000 目以上為目標對工藝進行調試，最終調試所得的工藝參數如下所示：

1）當反應溫度為780 ℃，反應時間為1 h 50 min時最終所制備活性炭的比表面積達到了2 453 m2/g，滿足比表面積達到2 300～2 500 m2/g 要求；此時，產品的孔徑為2.162 mm。

2）最終成型產品的活性炭粒度達到2 000 目以上，達到了2 000 目以上的要求，對應的電容值為169.5 F/g。

3）最終成型的超表面活性炭在5 MPa 的壓力下，其體積吸附量可以達到145 cm3/g。

雖然當前所采用的高表面活性炭制備工藝所得成型產品的各項指標可以滿足應用需求；但是，當前工藝在實際應用中存在成本高、能耗大的問題，具體表現如下：

1）成本高：本工藝所采用的活化劑為KOH，活化比為1∶4；該工廠每年生產10 t 的高表面活性炭對應的石油焦用量為20 t，活化劑用量為80 t，總成本費用約73 萬元。導致成本高的主要原因：一方面活化比指標較高；另一方面所采用活化劑為KOH，其價格較貴。

2）能耗大：本工藝活化反應包括有預活化和活化，此兩項流程中，生產單位質量的超表面活性炭需要耗電量總計4 200 kW·h。

3 高表面活性炭制備工藝的優化

本章將針對當前化學活化反應成本高、能耗大的問題對其制備工藝進行優化。綜合上述導致高成本、大能耗的原因，主要通過降低活化比達到降低生產成本的效果。在實際生產中可通過以下措施降低活化比：

1）采用粉碎篩選或溶液浸泡的方式對原料進行處理。

2）改善制備工藝的反應狀態使其充分混合；在實際制備過程中嚴格對反應溫度進行控制，避免過度活化現象的發生；與此同時，降低活化比還能夠減少對設備的腐蝕性[4-5]。

3.1 試驗方法

本次試驗對活化比為1∶3 的情況進行研究，所采用的活化劑為KOH。本次試驗分為兩組，具體如下：

第一組：原料與KOH 首先以1∶2 的活化比進行加熱，在加熱的不同階段加入另外一份KOH，保證整體的活化比為1∶3；該組共有四個樣本，主要區別為第二次加料的時間點不同，分別為：物料的黏度很大時；物料的黏度還沒有很大時；物料的黏度開始變大時；物料呈水狀態時。

第二組：原料與KOH 首先以1∶5 的活化比進行加熱，在加熱的不同階段加入另外一份KOH，保證整體的活化比為1∶3；該組共有三個樣本，主要區別為第二次加料的時間點不同，分別為：物料呈現為較稠糊狀時；物料從小黏度到糊狀時；物料呈小黏度的狀態時。

3.2 試驗結果分析

以初始比例為1∶2 的情況，對四種樣品對應產品的性能測試結果見表2。

表2 不同產品的性能測試結果

如表2 所示，當活化比為1∶3 時對應所得產品的比表面積均達到了2 200 m2/g，滿足要求。同時，得出，當在物料反應過程中黏度較小時添加第二次活化劑時對應產品的比表面積越大，孔徑指標相差不大。

4 結語

高表面活性碳材料具有發達的孔隙結構和巨大的比表面積，對應具有較強的吸附能力。因此，高表面活性碳材料未來在超級電容器、天然氣吸附存儲運輸以及變壓吸附等領域為其主要應用方向。本文對基于化學活化法制備高表面活性炭的工藝進行研究，在提出其最佳工藝條件的基礎上，提出了分布加熱法已達到降低生產成本和能耗的目的?？偨Y如下：

1）最佳生產工藝條件：反應溫度為780 ℃，反應時間為1 h 50 min 時，最終所制備活性炭的比表面積達到了2 453 m2/g，產品的孔徑為2.162 mm。

2）通過優化研究可知：當活化比為1∶3 且采用分布加熱法可達到降低能耗和生產成本的目的，對應的分布加熱的時間點為物料黏度較小時。實踐表明，采用此工藝生產每噸活性炭可降低成本3.2 萬元。