活性炭制备技术研究进展

樊星　侯党社　张文亮　秦凡凡　李心烛

摘   要：随着工业科技的进步，活性炭的作用愈加多样和显著，而且对其综合性能的要求也有了巨大的提升。在总结传统的活性炭制备方法基础上，阐述了新的活性炭制备技术，对活性炭行业新的发展方向进行了展望。

关键词：活性炭;制备;进展

1    活性炭介紹

活性炭是一种常见的多孔炭质吸附材料[1]，因其具有孔隙结构发达、比表面积巨大、化学性质稳定、表面性质可调和再生后可重复利用等优点，被广泛应用于化工、环保、冶金、材料等领域[2]。随着科技的进步和活性炭应用领域的不断拓展，人们对活性炭的使用要求也越来越高。但是在现阶段，用传统方法制备出的活性炭存在孔隙结构不规整、表面性质不稳定和自身强度有限等缺点，严重影响了使用效果。基于此，开发新的活性炭制备技术是使活性炭行业适应工业进步且能可持续发展的前提。

本课题从提升活性炭的使用效果出发，阐述了活性炭的制备方法，旨在为活性炭行业的可持续发展提供依据。

2    传统的活性炭制备方法

活性炭的制备包括炭化和活化两个过程。炭化是将原料隔绝空气加热，使其中的非碳元素以气体形式逸出。碳元素组合成基本石墨微晶的有序结晶生成物的过程，实质是原料的热解和缩聚。活化是用不同的活化剂和炭化后的原料进行反应，通过通孔、开孔和增加新孔等过程，使材料内部产生更多孔隙的过程。活化过程是活性炭制备的控制步骤，要想获得多孔隙、高比表面积的活性炭材料，必须注重对活化过程的控制。

传统的活性炭活化方法有物理法、化学法和物理化学法等。原理和活化效果如表1所示。

3    活性炭制备方法的研究进展

为了提升活性炭的使用效果，拓宽其应用领域，国内外大量学者开发了新的、更高效的活性炭制备方法。

3.1  微波加热活化法

微波是一种频率在300 MHz～300 GHz的电磁波[3]，具有明显的高频性和热效应，用微波技术进行加热，能够实现能量的直接传递，具有快速、均匀、清洁和选择性加热、非接触加热等特点，进一步改善了传热效果，提高加热效率。近年来，越来越多的学者研究用微波加热方式取代传统加热法应用于活性炭的制备过程。

刘丹丹等[4]以新疆无烟煤为原料，以KOH为活化剂，比较了微波加热和传统加热法制备煤基活性炭的性能。结果表明，微波加热制备的活性炭有更高的比表面积和更少的酸性官能团含量，吸附性能更优。张利波等[5]以烟杆为原料，CO2为活化剂，采用微波辐射法制备出了性能超过国家一级品标准的活性炭，而且加热时间仅为常规加热的1/10，大大缩短了制备周期。该研究团队还以木焦油为黏结剂对废弃烟杆进行成型，采用微波辐射替代传统加热，用水蒸气为活化剂制备出了比表面积为1 109. 22 m2/g，总孔容为0. 613 1 mL/g的优质活性炭。田宇红[6]用微波辐射—KOH活化法制备了富含中孔、比表面积为513.62 m2/g的兰炭基活性炭，微波过程并没有引入新的基团，但给产品的结构带来了新的改变。

3.2  催化活化法

催化活化法是将特殊的金属催化剂加入活性炭的前驱体内，通过成型、炭化、活化等步骤制备活性炭材料[7]，其实质是利用金属的催化作用使气体物理活化发生不同的催化效应，以期获得所需要的活性炭的一种方法。在这一方法中，不同的催化剂对成品活性炭的孔隙结构和表面化学性质影响巨大，所以此法一般用于活性炭孔隙的调控。

根据不同金属的催化效果的不同，所选择的催化剂可分为碱金属催化剂（KNO3，K2CO3，KOH等）、碱土金属催化剂（Ca2CO3，Ca（OH）2，CaO等）、铁系金属催化剂、镍系金属催化剂和稀土金属催化剂等。一般来说，应根据活性炭的用途，从活化过程的反应温度、时间、活化剂流量出发，选择合适的催化剂。有时为了综合两种或多种催化剂的优点，还可以选择二元或多元复合催化剂，即一个强催化效应的催化剂和一个弱催化效应的催化剂，也可以用组合的方法，对多种金属催化剂进行配方实验和筛选，提升使用效果。除此之外，对催化剂的选择还需考虑该催化剂对活性炭应用有无影响。

3.3  超临界水活化法

蔡琼等[8]比较了用超临界水和传统水蒸气活化酚醛树脂的效果。结果表明，虽然二者都能制备出性能优良的、以微孔为主的活性炭，但是相对于传统的水蒸气活化，临界水活化更有利于在2～3 nm范围内形成中孔。程乐明等[9]也以褐煤为原料，KOH作添加剂，用超临界水活化制取了优质活性炭。当压力在25 MPa时，成品比表面积比常压水蒸气活化增加74%，其中，中孔占比增加38%，超临界水可以携带KOH分子进入微孔内，促进通孔、扩孔和大量新孔的形成。Salvador等用超临界状态的水作为活化剂，使木炭、煤和各种果壳活化，超临界水是比水蒸气更有效的活化剂。

虽然超临界水活化是一种可行且有效的活性炭制备方法，但是目前针对这一方法的研究仍处于起步阶段，对超临界水的作用、反应过程的机理、活化热力学和动力学及反应选择性仍需进一步深入研究。

4    结语

随着科技的进步和经济的不断发展，活性炭不再局限于吸附处理和分离提纯等传统的应用领域，生物传感器、储能储气等领域也越来越多地用到活性炭这一特殊的材料。这就对活性炭的综合性能有了更高的要求。提升活性炭的综合质量，满足使用需求，最重要的是开发新的、高效的活性炭的制备方法，尤其是根据不同的使用要求对活性炭孔隙结构进行表面化学性质的调控。所以，新的制备技术的开发也成为今后活性炭产业发展的研究重点。

参考文献

[1]宋永辉，汤洁莉.煤化工工艺学[M].北京：化学工业出版社，2017.

[2]王   娟，李海紅，薛 慧.K2CO3活化法制备棉纤基活性炭及孔结构分析[J].化学工程，2018，46（7）：17-22.

[3]罗万江，兰新哲，宋永辉.微波加热技术及其热解油页岩的研究进展[J].材料导报，2014，28（11）：109-114.

[4]刘丹丹，武占省，童延斌，等.微波与传统加热法制备新疆煤基活性炭的比较研究[J].石河子大学学报：自然科学版，2016，34（2）：217-221.

[5]张利波，彭金辉，杨坤彬，等.微波辐射烟杆CO2活化制取活性炭及孔结构表征[J].化学工程，2007，35（5）：217-221.

[6]田宇红，兰新哲，周   军，等.微波辐射-KOH活化兰炭粉制备活性炭[J].化学工程，2010，38（10）：225-228.

[7]刘   洋，张香兰，王启宝，等.煤半焦催化活化制备多孔活性炭[J].煤炭加工与综合利用，2005（6）：32-35.

[8]蔡   琼，黄正宏，康飞宇，等.超临界水和水蒸气活化制备酚醛树脂基活性炭的对比研究[J].新型炭材料，2005，20（2）：122-128.

[9]程乐明，姜   炜，张   荣，等.超临界水活化褐煤制取活性炭[J].新型炭材料，2007，22（3）：265-270.

Research progress on preparation technology of activated carbon

Fan Xing， Hou Dangshe， Zhang Wenliang， Qin Fanfan， Li Xinzhu

（Department of Energy and Chemical Engineering， Xianyang Vocational Technical College， Xianyang 712000， China）

Abstract：With the development of industrial science and technology， the role of activated carbon has become more diverse and significant， and its comprehensive performance requirements have also been greatly improved. The traditional preparation methods of activated carbon and the new development direction of activated carbon industry is prospected.

Key words：activated carbon; preparation; progresses