高比表面积活性炭制备技术的研究进展

薛 勇

（晋控煤业金鼎活性炭山西有限公司，山西 大同 037001）

活性炭从本质上讲是一种多孔结构的炭材料，因为本身具有着发达的孔结构、较高的比表面积和多样化的化学性质，在社会发展中被广泛用于气体的储存和分离、工业催化、医药和农业等方面，以气体的存储而言，吸附储存便主要借助活性炭对小分子气体的吸附，加强活性炭的比表面积就可以更好地完成气体的存储工作。结合当前存在的物理活化和化学活化两种方式看，如何更好地优化物理活化和完善化学活化，成为当前高比表面积活性炭制备最需要考虑的问题。本文对两种活化方法进行一定的讨论。

1 活性炭的相关概述

1.1 活性炭的基本特性

活性炭在结构上是以石墨微晶为基础的材料，内部微晶单位体积很小，一般宽度在1.9 nm～2.3 nm、厚度在0.8 nm～1.3 nm。活性炭中有着较多的微孔结构，在形状上一般有墨水瓶型和毛细管状型等，结合化学协会使用的孔径分类法看，孔径小于2 nm 的为微孔、大于2 nm 且小于50 nm 的为中孔、大于50 nm的为大孔。针对高比表面活性炭而言，主要通过微孔发挥作用，所以在高比表面积活性炭的制备中要提高微孔数量，满足各方面对高比表面积活性炭的需要[1]。

1.2 活性炭的制备原材料

结合高比表面积活性炭的制备而言，比表面积既和制作方法有关，也跟材料的性质有关，结合目前高比表面积活性炭制备技术的研究进展，一般在原料上分矿物类和植物类。首先，在矿物类中，当前涉及到的制备材料有合成树脂、煤、石油焦等，其中煤炭材料资源最为丰富，不过在煤炭特性和结构上的影响，并不能有效提高高比表面积活性炭的制备质量，目前石油焦有着较为广泛的应用。其次，在植物类中，一般有杏核、椰壳和木材等方面，结合植物类原材料的天然结构,可以更好地完成高比表面积活性炭的制备，同时还有着较高的机械强度。

2 化学活化方法

2.1 化学活化方法的原理

化学活化是目前常被使用的高比表面积活性炭制备方法，其本质是结合化学试剂在炭颗粒表面的嵌入，进而在内部开发出丰富的微孔。该制备方式有着时间短、见效快、活化温度低的优点，不过存在一定的化学污染，最常见的活化剂为KOH，代表产品为AX-21 高比表面积活性炭。统计我国针对化学活化方法的研究，KOH 的活化机理有式（1）～式（4）几方面：

针对式（1）、式（2）而言，会有金属钾的生成，具体在制备温度大于金属钾的沸点时，钾蒸气会深入碳层中，从而创建新的孔结构，同时钾蒸汽还会在微晶的层片中穿梭，会不断影响芳香层片的变形，进而完成微孔的不断形成。针对式（3）、式（4）而言，会有K2CO3的生成，可以在活化过程中通过消耗K2CO3起到炭空隙发展的作用[2]。

2.2 化学活化方法的相关研究

为了提高化学活化的制备效果，具体有以下几方面研究：第一，对炭化料和KOH 的混合比例进行了研究，在实验下将比例定位1∶4，同时对活化温度对空隙的影响进行了分析；第二，在对制备效果的影响因素分析上，活化的时间、炭化料的颗粒度都会影响活化效果；第三，以ZnC2l 为活化剂进行研究，500 ℃下制备出的活性炭，其比表面积可以高达2 500 m2/g。

2.3 化学活化方法的影响因素

以KOH 化学活化方法为例进行分析，虽然有着制备速度快的优势，不过也受到很多方面的影响，具体有以下几方面：第一，该方法对KOH 的消耗量较大，所以在成本方面会影响化学活化方法的应用；第二，KOH 会在一定程度对机械设备造成腐蚀，而且活性炭在制备后还需要进行水洗工作，在废水处理过程中容易造成环境污染；第三，在化学活化中会出现钾，容易和空气出现反应，有着一定的安全隐患。

3 物理活化方法

3.1 物理活化方法的原理

对于活性炭的物理活化方法而言，其原理是借助水蒸气、二氧化碳等氧化性气体和碳材料中的碳原子反应，在经过开孔过程、扩孔过程和创新孔的过程下，会生成众多的微孔。与上述化学活化的方法比较，有着制备简单、污染小的特点，而且活性炭无需进行清洗工作，有着较高的制备和使用效率。目前物理活化方法中，一般使用水蒸气和二氧化碳作为活化剂，结合二氧化碳分子和水分子的差异性，在二氧化碳分子大不易在炭颗粒孔道中扩散时，通过一定的活化温度设定，水蒸气的活化效果明显高于二氧化碳活化剂[3]。

3.2 物理活化方法的相关研究

当前在微孔的生成方面，部分学者的观点还存在分歧，具体有以下几方面：部分学者在研究中表示，相同的烧失率下，水蒸气活化所得到的活性炭具有更高的吸附能力，同时孔的分布较宽、微孔的孔径较大；另一部分学者认为，二氧化碳在扩孔方面的能力更胜一筹，且中孔和微孔的比例更高，有着更强的吸附效果；一些研究中发现水蒸气制备下的活性炭有着更高的BET 比表面积；一些研究中发现，二氧化碳制备下的活性炭有着较大的微孔体积和较小的微孔直径。

3.3 物理活化方法的影响因素

针对物理活化方法而言，会受到活化时间、温度和活化剂等方面的影响，不仅会制约高比表面积活性炭的制备质量，也在时间需求长和成本高的特点下制约物理活化方法的应用。结合高活化温度下的水蒸气反应速度快的特点，在实际实践中却无法对反应过程进行控制，所以一般使用二氧化碳作为活化剂，不过在活化时间上较长，无法满足制备的需要。

4 结语

综上所述，结合目前高比表面积活性炭的实际应用情况看，可以高效运用在变压吸附分离气体和气体燃料的吸附储存上，同时在军事、医疗、和工业催化等方面也有着重要价值。在高比表面积活性炭有着重要应用价值下，需要对其制备技术进行有效的选择和优化：首先，在制备方法的选择上。需要结合物理、化学活化方法的优缺点，同时参考实际对高比表面积活性炭的需求，对活化方法进行合理选择；其次，在制备方法的优化中。需要注重化学活化方面的环境污染优化和物理活化方面的时间缩短优化、成本优化。只有积极做好制备技术的优化和选择，才可以更好地促进高比表面积活性炭制备技术的发展。