活性炭孔的形成機(jī)理及分類

    活化法成孔機(jī)理

    活化反應(yīng)屬于氣固相系統(tǒng)的多相反映，活化過程括物理和化學(xué)兩個(gè)過程，整個(gè)過程包括氣相中的活化劑向炭化材料外表面擴(kuò)散、活化劑向炭化料內(nèi)表面的擴(kuò)散、活化劑被炭化料內(nèi)表面吸收、炭化料表面發(fā)生反應(yīng)生成中間產(chǎn)物（表面絡(luò)合物）、中間產(chǎn)物分解成反應(yīng)產(chǎn)物、反應(yīng)產(chǎn)物脫附、脫附下來的反應(yīng)產(chǎn)物由炭化料內(nèi)表面向外表面擴(kuò)散等過程。

    氣體活化法

    物料在炭化過程中以形成了類似石墨的基本微晶結(jié)構(gòu)，在微晶之間形成了初級(jí)空隙結(jié)構(gòu)，不過由于這些初級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)被炭化過程中生成的一些無序的無定形碳或焦油餾出物所堵塞或封閉，因此炭化料的比表面積很小。氣體活化的過程就是用活化氣體與C發(fā)生氧化還原反應(yīng)，侵蝕炭化物的表面，同時(shí)去除焦油類物質(zhì)及未炭化物，使炭化料的微細(xì)孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的過程。活化反應(yīng)通過以下三個(gè)階段最終達(dá)到活化造孔的目的。

    第一階段：開放原有的閉塞孔。即高溫下，活化氣體首先與無序碳原子及雜原子發(fā)生反應(yīng)，將炭化時(shí)已形成但卻被無序碳原子及雜原子所堵塞的孔隙打開，暴露出基本微晶表面。

    第二階段：擴(kuò)大原有孔隙。在此階段，暴露出來的基本微晶表面上的C原子與活化氣體發(fā)生氧化反應(yīng)被燒失，使得打開的孔隙不斷擴(kuò)大、貫通及向縱深發(fā)展。

    第三階段：形成新的孔隙。微晶表面C原子的燒失是不均勻的，同炭層平行方向的燒失速率高于垂直方向，微晶邊角和缺陷位置的C原子即活化位更易與活化氣體反應(yīng)。同時(shí)，隨著活化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，新的活性位暴露于微晶表面，新的活化點(diǎn)又能同活化氣進(jìn)行反應(yīng)。微晶表面這種不均勻的燃燒不斷地導(dǎo)致新孔隙形成。

    隨著活化反應(yīng)的進(jìn)行，孔隙不斷擴(kuò)大，相鄰孔隙之間的孔壁被完全燒失而形成較大的孔隙，導(dǎo)致中孔和大孔孔容增加，從而形成了活性炭大孔、中孔和微孔相連接的孔隙結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有發(fā)達(dá)的比表面積。

    圖1 活性法成孔圖

    氣體活化法其主要化學(xué)反應(yīng)式如下：

    從上述三個(gè)化學(xué)反應(yīng)式可以看出，三個(gè)反應(yīng)均是吸熱反應(yīng)，即隨著活化反應(yīng)的進(jìn)行，活化爐的活化反應(yīng)區(qū)域溫度將逐步下降，如果活化區(qū)域的溫度低于800℃上述活化反應(yīng)就不能正常進(jìn)行，所以在活化爐的活化反應(yīng)區(qū)域需要同時(shí)通入部分空氣與活化產(chǎn)生的煤氣燃燒補(bǔ)充熱量，或通過補(bǔ)償外加熱源，以保證活化爐活化反應(yīng)區(qū)域的活化溫度。

    化學(xué)藥品活化法

    化學(xué)藥品活化法通常要求含碳原料中的氧含量及氫含量要達(dá)到一定數(shù)值，因此化學(xué)活化法最適宜的原料主要為果殼、泥漿、木屑、木片等。

    化學(xué)藥品活化法的成孔過程與氣體活化法截然不同，一般形成的孔結(jié)構(gòu)與氣體活化法產(chǎn)生的活性炭的孔結(jié)構(gòu)有較大不同，產(chǎn)品主要以中孔為主，因此化學(xué)藥品活化法生產(chǎn)的活性炭主一般用于液相脫色精制，諸如醫(yī)藥行業(yè)、食品行業(yè)等的脫色精制。

    模板炭成孔機(jī)理

    在微孔碳中，最高表面積和孔體積可以分別達(dá)到4 000 m2/g 和1.8mL/g，它們均是在納米沸石[15-26]通道中炭化碳前驅(qū)體而制作的活性炭，該種制作活性炭過程稱為模板炭化技術(shù)。由于沸石的渠道的大小和形狀被其晶體結(jié)構(gòu)嚴(yán)格界定，并且在復(fù)合而成的活性炭中形成的孔是繼承沸石的渠道而來，因此在復(fù)合而成的活性炭中形成的微孔孔徑和孔形態(tài)是均一的。真空低溫狀態(tài)下向沸石通道中注入糠醇，接著利用三甲基苯清除粘在沸石顆粒表面多余的糠醇。獲得糠醇/沸石復(fù)合顆粒后在150℃下加熱8小時(shí)使其聚合為糠醇/沸石聚合體。

    聚合體在700℃下炭化，然后用46%-48%的氫氟酸沖洗溶解沸石模板。沸石籠與活性炭中生成的孔隙的關(guān)系如原理圖2 所示。

    圖2 沸石模板活性炭形成示意圖

    共混聚合物成孔機(jī)理

    共混聚合物法被提出用來制作多種類型的活性炭，混合兩種不同的聚合物，一種具有高的碳產(chǎn)率，如糠醇聚合物等，一種有具有低的碳產(chǎn)率，如乙烯聚合物。兩種聚合物混合方法的不同可以制成碳?xì)馇颍碱w粒和多孔碳等，其成孔機(jī)理見圖3。

    混合兩種熱穩(wěn)定性不同聚合物，形成穩(wěn)定混合物。然后用高溫處理，成碳聚合物炭化為碳，熱解聚合物熱解為氣體排出，成為共混聚合物活性炭的孔隙，這樣就形成了共混活性炭。

    圖3 共混聚合物成孔原理圖

    氣凝膠活性炭成孔機(jī)理

    氣凝膠活性炭成孔主要是應(yīng)用氣凝膠原有孔隙性，經(jīng)過高溫炭化，把原有可變孔隙定型，成為有固定孔隙結(jié)構(gòu)的活性炭。