高比表面积活性炭制备技术的研究进展_薛勇.pdf

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）摘要：随着科学技术的不断发展和人民生活水平的不断提高，普通活性炭的吸附性能已经无法满足社会发展的实际需求，要通过对高比表面积活性炭制备技术的研究，满足各方面的发展需要。目前在高比表面积活性炭的制备上，大体可以分化学活化和物理活化，前者有着较丰富的理论和实践基础，目前被广泛应用，后者在某些技术方面还处于研究阶段，未广泛使用。为此，本文首先阐述了高比表面积活性炭的特征，然后对两种活化方法的原理、研究结果和影响因素进行分析，以期可以更好地优化化学活化方法，加强物理活化方法的研究，最终促进高比表面积活性炭制备技术的升级和完善。关键词：高比表面积活性炭制备技术研究中图分类号：TQ424.1文献标识码：A文章编号：1004-7050（2022）09-0024-02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 nm2.3 nm、厚度在 0.8 nm1.3 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：K2O+C2K+CO，（1）K2CO3+2C2K+CO，（2）8KOH+2CH2K2CO3+2K2O+5H2，（3）4KOH+2CH2K2CO3+K2O+3H2.（4）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 14，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。收稿日期：2022-04-27作者简介：薛勇，男，1991 年出生，毕业于河南理工大学，本科，从事煤质活性炭生产与加工相关工作。总第 205 期2022 年第 9 期山西化工Shanxi Chemical IndustryTotal 205No.9，2022DOI:10.16525/14-1109/tq.2022.09.009综述与论坛2022 年第 9 期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。参考文献1齐仲辉，刘洪波，东红，等.石油焦基高比表面积活性炭制备技术研究J.炭素技术，2015，34（2）：36-40.2纪艳芬，王成军.石油焦制备高比表面积活性炭技术的研究J.辽宁工业大学学报（自然科学版），2011，31（3）：168-170.3苏伟，周理.高比表面积活性炭制备技术的研究进展J.化学工程，2005（2）：44-47.Research Progress in Preparation Technology of Activated Carbon with High Specific SurfaceAreaXue Yong（Jinneng Holding Coal Industry Jinding Activated Carbon Shanxi Co.,Ltd.,Datong Shanxi 037001）Abstract:With the continuous development of science and technology and the continuous improvement of peoples living standards,theadsorption performance of ordinary activated carbon has been unable to meet the actual needs of social development.It is necessary to meetthe development needs of all aspects through the research on the preparation technology of high specific surface area activated carbon.Atpresent,the preparation of activated carbon with high specific surface area can be roughly divided into chemical activation and physicalactivation.For this reason,this paper first describes the characteristics of high specific surface area activated carbon,and then analyzes theprinciples,research results and influencing factors of the two activation methods,in order to better optimize the chemical activationmethods,strengthen the research on physical activation methods,and finally promote the upgrading and improvement of the preparationtechnology of high specific surface area activated carbon.Key words:high specific surface area;preparation of activated carbon;technical study薛勇：高比表面积活性炭制备技术的研究进展25