活性炭是一種具有發達孔隙結構、巨大比表面積和優良吸附性能的炭材料,在各行各業具有廣泛而重要的用途。隨著國民經濟的發展,許多領域對活性炭的性能提出了更高的要求,從而進一步促進了活性炭在原料、生產工藝及性能等方面的發展。活性炭的制備是一個受多因素影響和制約的復雜工藝過程,其原料及活化處理工藝的不同均會對活性炭的性能產生顯著影響。
制備性能優良的活性炭的原料非常豐富。一般來說,只要是富碳的物質均可作為制備活性炭的原料,主要可分為兩大類:植物類和礦物類。植物類有:木材、椰殼、胡桃殼、杏核、橄欖核、稻殼等;礦物類有:無煙煤、瀝青、石油焦等。此外,將合成樹脂、煤焦油、廢舊輪胎、牲畜糞肥、米糠等進行適當處理也可生產出具有一定吸附能力的活性炭。
活性炭制備通常需要經過炭化和活化兩個階段,其中活化過程非常關鍵,目前報道的活化方法主要分兩大類:物理活化和化學活化。
物理活化法:
物理活化法是將原材料經過炭化后再進行活化,在碳材料表面和內部形成發達的微孔結構。它一般分兩步進行:首先對原料進行炭化處理,以除去其中的可揮發成分,使之生成富碳的固體熱解物,然后用合適的氧化性氣體(如:水蒸氣、CO2、O2或空氣)對熱解物進行活化處理。活化可以使富碳的熱解物開孔、擴孔和創造新孔,從而形成發達的孔隙結構。影響物理活化效果的因素主要包括:原材料性質、原料粒徑、碳化和活化條件(活化溫度、活化時間、活化劑種類、活化劑流量等)。物理活化法生產工藝簡單,不存在設備腐蝕和環境污染等問題,制得的活性炭免清洗,可直接使用,用途廣泛。如何加快反應速度、縮短反應時間、降低反應能耗是開發物理法活化工藝的關鍵。
化學活化法:
化學活化法是指將化學藥品加入到原料中,然后在惰性氣體的保護下加熱,同時進行碳化和活化的方法。相對于物理活化法,它具有活化時間短、活化反應易控制、產物比表面積大等優點,成為現今高性能活性炭的主要生產方法。
物理活化和化學活化都有各自的優勢和不足,物理活化法所得產品的形狀以顆粒狀為主,其孔徑分布以微孔居多,更適合于液相吸附和氣相中分子量和分子直徑較小的物質。且物理活化生產成本相對較低,對環境無污染。但因其依靠氧化碳原子形成孔隙結構,故活性炭的收率不高,且活化溫度較高。化學活化法所得產品的形狀以粉狀為主,其孔徑分布可通過調節化學活化劑的配比來進行控制,比較靈活,既可制造出以微孔為主的產品,也可制造出富含中孔(過渡孔)的產品,比較適合于吸附液相中分子量和分子直徑較大的物質。但化學活化對設備腐蝕性大,污染環境,若清洗不徹底,會造成活化劑的殘留。如何在保證活性炭產品性能的基礎上,開發工藝簡單、環境友好、節能、高效的活化新工藝,是活性炭行業提高產品質量、降低生產成本的重要發展方向。
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