制備工藝對(duì)活性炭性能的影響

趙乾+王學(xué)忠

摘 要：伴隨著科技的不斷發(fā)展，活性炭應(yīng)用性能的探索引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。各種活性炭的性能與我國(guó)行業(yè)發(fā)展的要求有些距離的現(xiàn)狀，給化工行業(yè)帶來(lái)了不小的困擾。因此，認(rèn)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(shí)間進(jìn)行探索研究，從而制備出高強(qiáng)度的活性炭。

關(guān)鍵詞：活性炭；制備工藝；性能

中圖分類號(hào)： TQ424.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2017）06-170-2

引言

隨著活性炭在應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，其發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)及吸附力等性能給工業(yè)化的創(chuàng)新帶來(lái)了生機(jī)。國(guó)際化學(xué)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(shù)量對(duì)活性炭的性能都有著直接的關(guān)系，因此，如何選用制備機(jī)理，對(duì)活性炭的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的調(diào)控，并且在活性炭的孔徑分布進(jìn)行有規(guī)律性的調(diào)節(jié)整理，是未來(lái)制備工藝的核心問(wèn)題。目前，我國(guó)科研人員分別以工業(yè)酚醛、煤等原料為碳源進(jìn)行試驗(yàn)，成功制備了孔隙豐富、孔徑集中的多孔活性炭材料，并總結(jié)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(jié)構(gòu)

活性炭是一個(gè)富含碳、有發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)及吸附功能的有機(jī)材料，在化工、環(huán)保及軍事化工等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在古代，就用活性炭的吸濕防腐功能應(yīng)用于古墓設(shè)計(jì)中，現(xiàn)代運(yùn)用吸附凈化功能對(duì)大氣中的污水、廢氣等進(jìn)行實(shí)用性試驗(yàn)、回收和凈化。在日常生活當(dāng)中，飲用水的凈化給人們的生活質(zhì)量帶來(lái)便利，對(duì)有機(jī)溶劑等化工產(chǎn)品進(jìn)行純化萃取等運(yùn)用；而且活性炭具備穩(wěn)定的物理化學(xué)特性，可以再生利用，不造成浪費(fèi)和環(huán)境污染。這些作用主要?dú)w結(jié)其結(jié)構(gòu)的多樣性，晶格結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)是活性炭的主要結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)對(duì)活性炭的催化作用和吸附性能都有著至關(guān)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(guó)污水處理和防毒保護(hù)等工業(yè)方面，活性炭的原料要選擇具有豐富孔隙結(jié)構(gòu)的材料，根據(jù)孔結(jié)構(gòu)的分布狀況、吸附特性等方面進(jìn)行相應(yīng)的特理活化法、化學(xué)活化法或兩者綜合法。一般植物類原料是取自農(nóng)作物、林業(yè)等產(chǎn)品的廢棄物，如堅(jiān)果殼（椰子殼、核桃殼等）、木材或竹子的邊角料，工藝的處理過(guò)程首先要將這些廢棄物進(jìn)行簡(jiǎn)易的炭化處理，再通過(guò)無(wú)變形、無(wú)反應(yīng)的物理方法進(jìn)行活化，有些需要經(jīng)過(guò)化學(xué)處理進(jìn)一步提高原料的利用率，使原料的表面達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的孔隙結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)良的活性炭。

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

利用石油煉制中的含碳產(chǎn)品剩下的廢料制備高純度、高比表面積的活性炭是當(dāng)前制作成本較高的項(xiàng)目，運(yùn)用范圍局限在醫(yī)藥、電子等領(lǐng)域。當(dāng)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(lái)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(huán)境污染的問(wèn)題。

2.2 制備方法的選擇

選擇好適當(dāng)?shù)闹苽湓虾?，正確運(yùn)用處理方法，催化原料的各項(xiàng)反應(yīng)，使原料的孔隙結(jié)構(gòu)、吸附能力及比表面積適應(yīng)活性炭的標(biāo)準(zhǔn)。其主要處理方法分為物理活化法、化學(xué)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(jìn)行生產(chǎn)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(lián)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(duì)制備原料進(jìn)行炭化，就是將材料充分混合陳化，壓入標(biāo)準(zhǔn)成型的模具內(nèi)成型，然后用刀片進(jìn)行有機(jī)的切碎篩分，放入烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干工藝，烘干時(shí)間通常在1.5個(gè)小時(shí)，從而將原料中的含碳成分進(jìn)行有機(jī)的分解，非碳分子會(huì)隨著溫度的不斷升高而揮發(fā)。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?fù)]發(fā)完畢，成為炭化料。第二，活化反應(yīng)。將前期處理的炭化料放置在處理場(chǎng)地進(jìn)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(fā)生反應(yīng)，促使炭化物表面因氧化而形成孔隙結(jié)構(gòu)并不斷地?cái)U(kuò)大，直至炭化物成為活性炭材料。在活化過(guò)程中，最佳的溫度、最佳的通水量和最佳的氮?dú)馔?，極大地影響到活化炭微孔含量。在我國(guó)，最常用的活化反應(yīng)是水蒸氣活化反應(yīng)和二氧化碳活化反應(yīng)。物理活化法的優(yōu)點(diǎn)在于不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生再次污染，制備設(shè)備的運(yùn)用完全率高、腐蝕性小；缺點(diǎn)在于活化時(shí)間長(zhǎng)，溫度高，制備出來(lái)的活性炭產(chǎn)品性能較低。②化學(xué)活化法?；瘜W(xué)活化法是采用化學(xué)試劑（諸如氯化鋅、氫氧化鉀等）作為催化劑來(lái)活化炭化物而生產(chǎn)活化炭產(chǎn)品的方法。其制備原理是：對(duì)原料的性能進(jìn)行科學(xué)的檢測(cè)，再將化學(xué)試劑進(jìn)入原料的內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成對(duì)應(yīng)的化合物，清除原材料中不適用的元素，促進(jìn)原材料的孔型增大，微晶的距離發(fā)生變化，同時(shí)，酸類化學(xué)試劑對(duì)已形成的碳體進(jìn)行緩慢氧化形成新的孔結(jié)構(gòu)，加速炭化物中的碳轉(zhuǎn)化到活化炭。此類方法優(yōu)點(diǎn)在于活化率較高，原料的利用率也較高，可以有效調(diào)節(jié)所制備的活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)，提高活性炭的比表面積，保證有較高質(zhì)量和吸附能力較好的活性炭。缺點(diǎn)在于對(duì)環(huán)境可能會(huì)造成二次污染。③物理—化學(xué)活化法。這類方法是將物理與化學(xué)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(xué)試劑放入器皿浸泡，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，再撈出進(jìn)行烘干成型，然后放在高溫下與輸入的活化氣體進(jìn)行反應(yīng)，完成表面積的造孔過(guò)程，最后得到活性炭產(chǎn)品。④催化活化法。催化活化法就是利用金屬化合物對(duì)活性炭材料進(jìn)行催化活性，使活性點(diǎn)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(jié)構(gòu)的炭材料中，促使炭材料的微孔表面充滿了活性點(diǎn)，一旦在活化金屬原子時(shí)，金屬粒子周邊的碳原子會(huì)得到優(yōu)先的氧化性能，氣化碳原子的作用就愈強(qiáng)，碳原料的微孔尺寸會(huì)隨之增加，孔徑也會(huì)隨著擴(kuò)大。其方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便。但其缺點(diǎn)在于：注入活性炭材料中的金屬元素可能會(huì)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(huì)影響到后續(xù)的制備工藝。⑤模板法。模板法是將選擇的原料導(dǎo)入到特殊孔隙結(jié)構(gòu)制成的模板內(nèi)，使材料在規(guī)定的模板內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)、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(lái)設(shè)計(jì)，可變性較大，在制備工藝實(shí)施過(guò)程中容易控制，操作步驟簡(jiǎn)單易行，造價(jià)成本相對(duì)也較低，而硬模板結(jié)構(gòu)強(qiáng)硬，不易控制，但因在物種組裝時(shí)容易達(dá)到主客體的匹配程度要求，所以運(yùn)用種類廣泛。

當(dāng)然，還有制備工藝中的活性炭材料粘結(jié)劑量、成型顆粒度以及不同顆粒之間的配比都會(huì)對(duì)活性炭性能造成影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

由上所述，制備工藝中的制備條件、方法、活化溫度及時(shí)間等因素都是制備不同質(zhì)量活性炭的關(guān)鍵，多孔、孔徑各異的活性炭，都會(huì)因活化劑種類得到不同的孔徑參數(shù)，影響活化炭的吸附量的大小，所以，對(duì)原料的活化方法要根據(jù)不同領(lǐng)域的要求制定相應(yīng)的制備工藝，采用不同的方法進(jìn)行補(bǔ)充，加快活化氣的擴(kuò)散速率、溫度和時(shí)間，使活性炭材料的比表面積、孔徑分布和孔容等要素達(dá)到要求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 劉衛(wèi)娜，李志娟，周岐雄，牛犇.新疆煤基中孔活性炭的制備及其吸附性能研究[J].煤化工，2013（04）.

[2] 李茂，楊玲，李建軍.煤基活性炭的制備研究進(jìn)展[J].四川化工，2013（01）.

[3] 郭紅娜.活性炭吸附低濃度甲烷的研究[D].大連理工大學(xué)，2013. [4] 柳珉敏.高表面活性炭制備工藝優(yōu)化及擴(kuò)大化生產(chǎn)方案研究[D].華南理工大學(xué)，2012.

[5] 朱光真.化學(xué)法木質(zhì)顆粒活性炭的制備工藝與機(jī)理及其孔結(jié)構(gòu)研究[D].中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，2011.

[6] 劉娟.活性炭孔徑分布分形表征與其吸附性能之間關(guān)系的研究[D].華南理工大學(xué)，2011.

[7] 查慶芳，高南星，李兆豐，卓海波，張玉貞.石油焦系活性炭的吸附脫硫[J].燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，2007（02）.

[8] 甘琦，周昕，趙斌元，胡克鰲.成型活性炭的制備研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2006（01）.