制备工艺对活性炭性能的影响

赵乾+王学忠

摘 要：伴随着科技的不断发展，活性炭应用性能的探索引起了社会的广泛关注。各种活性炭的性能与我国行业发展的要求有些距离的现状，给化工行业带来了不小的困扰。因此，认真分析活性炭性能，利用有效的制备工艺，将活性炭性能中的存在的孔径分布、不同配料比及陈化时间进行探索研究，从而制备出高强度的活性炭。

关键词：活性炭；制备工艺；性能

中图分类号： TQ424.1 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）06-170-2

引言

随着活性炭在应用领域的不断扩大，其发达的孔隙结构及吸附力等性能给工业化的创新带来了生机。国际化学科技者将活性炭的孔隙分别分为微孔、中孔和大孔，其孔径尺寸及数量对活性炭的性能都有着直接的关系，因此，如何选用制备机理，对活性炭的微结构进行有效的调控，并且在活性炭的孔径分布进行有规律性的调节整理，是未来制备工艺的核心问题。目前，我国科研人员分别以工业酚醛、煤等原料为碳源进行试验，成功制备了孔隙丰富、孔径集中的多孔活性炭材料，并总结出研究分析成果。分析了煤粉不同颗粒度与配比的差异造成活性炭孔隙尺度的原因，提出了最佳制备工艺。

1 活性炭的作用及结构

活性炭是一个富含碳、有发达的孔结构及吸附功能的有机材料，在化工、环保及军事化工等领域都有着广泛的应用。在古代，就用活性炭的吸湿防腐功能应用于古墓设计中，现代运用吸附净化功能对大气中的污水、废气等进行实用性试验、回收和净化。在日常生活当中，饮用水的净化给人们的生活质量带来便利，对有机溶剂等化工产品进行纯化萃取等运用；而且活性炭具备稳定的物理化学特性，可以再生利用，不造成浪费和环境污染。这些作用主要归结其结构的多样性，晶格结构、孔隙结构和化学结构是活性炭的主要结构，不同的结构对活性炭的催化作用和吸附性能都有着至关重要的作用。

2 活性炭的制备工艺

2.1 制备原料的选择

在我国污水处理和防毒保护等工业方面，活性炭的原料要选择具有丰富孔隙结构的材料，根据孔结构的分布状况、吸附特性等方面进行相应的特理活化法、化学活化法或两者综合法。一般植物类原料是取自农作物、林业等产品的废弃物，如坚果壳（椰子壳、核桃壳等）、木材或竹子的边角料，工艺的处理过程首先要将这些废弃物进行简易的炭化处理，再通过无变形、无反应的物理方法进行活化，有些需要经过化学处理进一步提高原料的利用率，使原料的表面达到标准的孔隙结构、性能优良的活性炭。

在煤炭原料制作煤质活性炭的工艺过程中，选择柱状、颗粒、粉末等外形的无烟煤，也可在煤焦油蒸馏后的余渣进行制作活性炭，这些原料成本低，资源丰富，对大气层保护也起到了积极的作用。

利用石油炼制中的含碳产品剩下的废料制备高纯度、高比表面积的活性炭是当前制作成本较高的项目，运用范围局限在医药、电子等领域。当然，石油原料作为活性炭的制备材料，也是提高石油废料附加值、拓宽活性炭原料渠道的有利途径。

人们生活中常见的塑料材料、含碳废弃物也是制备高性能活性炭的原料之一，如聚乙烯、聚丙烯、废旧轮胎等，此类原料的来源随处可见，不但提供了制备活性炭的原料，而且解决了生活环境污染的问题。

2.2 制备方法的选择

选择好适当的制备原料后，正确运用处理方法，催化原料的各项反应，使原料的孔隙结构、吸附能力及比表面积适应活性炭的标准。其主要处理方法分为物理活化法、化学活化法、催化活化法等。

①物理活化法。物理活化法是在高温下利用水蒸气、二氧化碳和空气为活化剂进行生产活化炭的方法。其主要是利用材料颗粒与颗粒之间的碰撞及联接配成最佳的孔隙分布，生成大量的气孔。其制备原理如下。第一，碳化。所谓对制备原料进行炭化，就是将材料充分混合陈化，压入标准成型的模具内成型，然后用刀片进行有机的切碎筛分，放入烘箱内进行烘干工艺，烘干时间通常在1.5个小时，从而将原料中的含碳成分进行有机的分解，非碳分子会随着温度的不断升高而挥发。一般的炭化温度在600摄氏度左右，直到制备原料的非碳元素挥发完毕，成为炭化料。第二，活化反应。将前期处理的炭化料放置在处理场地进行加热，一般活化温度在800-1000摄氏度左右，并将选择的活化气体（诸如水、气等）输入，使之与炭化物中的碳发生反应，促使炭化物表面因氧化而形成孔隙结构并不断地扩大，直至炭化物成为活性炭材料。在活化过程中，最佳的温度、最佳的通水量和最佳的氮气通量，极大地影响到活化炭微孔含量。在我国，最常用的活化反应是水蒸气活化反应和二氧化碳活化反应。物理活化法的优点在于不对环境产生再次污染，制备设备的运用完全率高、腐蚀性小；缺点在于活化时间长，温度高，制备出来的活性炭产品性能较低。②化学活化法。化学活化法是采用化学试剂（诸如氯化锌、氢氧化钾等）作为催化剂来活化炭化物而生产活化炭产品的方法。其制备原理是：对原料的性能进行科学的检测，再将化学试剂进入原料的内部进行化学反应生成对应的化合物，清除原材料中不适用的元素，促进原材料的孔型增大，微晶的距离发生变化，同时，酸类化学试剂对已形成的碳体进行缓慢氧化形成新的孔结构，加速炭化物中的碳转化到活化炭。此类方法优点在于活化率较高，原料的利用率也较高，可以有效调节所制备的活性炭的孔隙结构，提高活性炭的比表面积，保证有较高质量和吸附能力较好的活性炭。缺点在于对环境可能会造成二次污染。③物理—化学活化法。这类方法是将物理与化学并用的活化方法。其工作原理是将选择的原料与一定比例的化学试剂放入器皿浸泡，经过一段时间后，再捞出进行烘干成型，然后放在高温下与输入的活化气体进行反应，完成表面积的造孔过程，最后得到活性炭产品。④催化活化法。催化活化法就是利用金属化合物对活性炭材料进行催化活性，使活性点增加。其工艺原理为：将具有催化活性作用的金属化合物注入到微孔结构的炭材料中，促使炭材料的微孔表面充满了活性点，一旦在活化金属原子时，金属粒子周边的碳原子会得到优先的氧化性能，气化碳原子的作用就愈强，碳原料的微孔尺寸会随之增加，孔径也会随着扩大。其方法的优点是操作简便。但其缺点在于：注入活性炭材料中的金属元素可能会因吸附力的原因得不到完全消除，渗透到活性炭材料的深层，会影响到后续的制备工艺。⑤模板法。模板法是将选择的原料导入到特殊孔隙结构制成的模板内，使材料在规定的模板内发生反应，形成固定模板控制的材料模型，制备材料的尺寸和形状都符合设计标准的方法。此方法是目前最有效控制活性炭材料的中孔率和孔结构、尺寸的方法。可以分为软模板法和硬模板法。软模板可以在纳米尺度来设计，可变性较大，在制备工艺实施过程中容易控制，操作步骤简单易行，造价成本相对也较低，而硬模板结构强硬，不易控制，但因在物种组装时容易达到主客体的匹配程度要求，所以运用种类广泛。

当然，还有制备工艺中的活性炭材料粘结剂量、成型颗粒度以及不同颗粒之间的配比都会对活性炭性能造成影响。

3 结束语

由上所述，制备工艺中的制备条件、方法、活化温度及时间等因素都是制备不同质量活性炭的关键，多孔、孔径各异的活性炭，都会因活化剂种类得到不同的孔径参数，影响活化炭的吸附量的大小，所以，对原料的活化方法要根据不同领域的要求制定相应的制备工艺，采用不同的方法进行补充，加快活化气的扩散速率、温度和时间，使活性炭材料的比表面积、孔径分布和孔容等要素达到要求。

参 考 文 献

[1] 刘卫娜，李志娟，周岐雄，牛犇.新疆煤基中孔活性炭的制备及其吸附性能研究[J].煤化工，2013（04）.

[2] 李茂，杨玲，李建军.煤基活性炭的制备研究进展[J].四川化工，2013（01）.

[3] 郭红娜.活性炭吸附低浓度甲烷的研究[D].大连理工大学，2013. [4] 柳珉敏.高表面活性炭制备工艺优化及扩大化生产方案研究[D].华南理工大学，2012.

[5] 朱光真.化學法木质颗粒活性炭的制备工艺与机理及其孔结构研究[D].中国林业科学研究院，2011.

[6] 刘娟.活性炭孔径分布分形表征与其吸附性能之间关系的研究[D].华南理工大学，2011.

[7] 查庆芳，高南星，李兆丰，卓海波，张玉贞.石油焦系活性炭的吸附脱硫[J].燃料化学学报，2007（02）.

[8] 甘琦，周昕，赵斌元，胡克鳌.成型活性炭的制备研究进展[J].材料导报，2006（01）.