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活性炭的制備原料及制備方法

發(fā)布日期:2022-08-30

活性炭是一種含碳材料制成的外觀呈黑色,內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá),比表面積大、吸附能力強的一類微晶質(zhì)碳素材料,是一種常用的吸附劑、催化劑或催化劑載體。

一、活性炭的制備原料

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活性炭的結(jié)構(gòu)特性依賴于前驅(qū)體的性質(zhì)、原料的炭化、活化和化學(xué)的調(diào)整條件。選擇合適的原料是影響活性炭性質(zhì)的一個重要因素,活性炭可用各種類型的碳質(zhì)材料來制備,原料來源非常廣泛,可分為以下幾大類:

有機高分子聚合物,如薩蘭樹脂、酚醛樹脂、聚糖醇等;

植物類,主要利用植物的堅果殼或核,如核桃殼、杏核、椰殼等;煤及煤的衍生物,如各種不同煤化度的煤及其混合物。

活性炭原料一般以低灰分、高含碳量以及盡可能低的揮發(fā)分為最佳。較好的原料主要是煤(褐煤、長焰煤、煙煤、無煙煤)、木材、果殼。

由于煤來源廣泛、價格低廉、制備工藝相對簡單而應(yīng)用較多。煤的主要成分是碳,表面化學(xué)性質(zhì)活潑,孔隙率高、比表面積大,其多孔結(jié)構(gòu)有利于制成活性吸附材料。在以煤為原料制備活性炭的技術(shù)開發(fā)方面,德國、日本、美國、俄羅斯和中國已做了大量的研究工作,并取得了一定成果。

二、活性炭的制備方法

活性炭的制備方法主要可以分為:碳化法、活化法、碳沉積法、熱收縮等方法。

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一般制備活性炭的基本工藝如上圖,其中預(yù)處理、活化和碳沉積是選用步驟。

1、碳化法

定義:將碳質(zhì)原料置于惰性氣氛中,以適當(dāng)?shù)臒峤鈼l件得到碳化產(chǎn)品的方法。

基本原理:基于加熱過程中各基團、橋鍵、自由基和芳環(huán)等復(fù)雜的分解聚合反應(yīng),表現(xiàn)為碳化產(chǎn)物的孔隙發(fā)展、孔徑的擴大和收縮。在碳化過程中,碳質(zhì)原料中的熱不穩(wěn)定組分以揮發(fā)分形式脫出,從而在半焦上留下孔隙。

適用情況:適用于高揮發(fā)分原料,是所有其他方法的基礎(chǔ)。影響碳化過程的主要因素是升溫速率、碳化溫度與恒溫時間。采用的升溫速率一般在5~15/min,碳化溫度多在500~1100℃,恒溫時間為0.5~2h。

2、活化法

定義:將碳質(zhì)原料置于活性介質(zhì)中加熱平緩處理,以發(fā)展其孔徑的方法。

基本原理:基于碳質(zhì)原料部分碳的燒失,使封閉的孔得以打開,從而使其孔隙結(jié)構(gòu)得到發(fā)展,孔徑大小達(dá)到所需要的范圍。常用的活化劑有空氣、CO2、水蒸氣、H3PO4、KOHNaOH等。工業(yè)實踐中多采用簡便易得的水蒸氣進行活化。

適用情況:適用于氣孔率較小且揮發(fā)分較低,或氣孔率較高但孔徑較小的碳質(zhì)原料。

3、碳沉積

定義:指在高溫下通過烴類或高分子化合物的裂解,在多孔材料的孔道內(nèi)積碳,以達(dá)到堵孔、調(diào)孔的作用。

特點:其工藝復(fù)雜、操作條件嚴(yán)格、實際生產(chǎn)成本較高。碳沉積常分為氣相(CVD)與液相沉積(LVD)。對于氣相沉積過程,氣體在反應(yīng)爐中的濃度較均一,能有效地控制孔徑,但不足之處是需外加沉積氣源發(fā)生裝置,還需調(diào)節(jié)流量,不利于操作;液相沉積對工藝要求較低,操作較容易。

4、熱收縮法

定義:即熱縮聚法,是指碳質(zhì)材料經(jīng)碳化、活化后,在1000~1200℃的高溫條件進一步熱處理的過程,從而達(dá)到縮小孔徑的目的。

5、其他方法

還有一些制備活性炭的新工藝和方法,如等離子體法、鹵化法、模板法、微波加熱法等。實際生產(chǎn)活性炭的工藝過程中,為了獲得性能優(yōu)良的活性炭,通常將以上方法綜合起來應(yīng)用。

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