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活性炭的制备技术

化学活化法

化学活化法就是通过将各种含碳原料与化学药品均匀地混合后,一定温度下,经历炭化、活化、回收化学药品、漂洗、烘干等过程制备活性炭。磷酸、氯化锌、氢氧化钾、氢氧化钠、硫酸、碳酸钾、多聚磷酸和磷酸酯等都可作为活化试剂,尽管发生的化学反应不同,有些对原料有侵蚀、水解或脱水作用,有些起氧化作用,但这些化学药品都可对原料的活化有一定的促进作用,其中最常用的活化剂为磷酸、氯化锌和氢氧化钾。化学活化法的活化原理还不十分清楚,一般认为化学活化剂具有侵蚀溶解纤维素的作用,并且能够使原料中的碳氢化合物所含有的氢和氧分解脱离,以 H2O、CH4等小分子形式逸出,从而产生大量孔隙。此外,化学活化剂能够抑制副产物的形成,避免焦油堵塞热解过程中生成的细孔,从而可以提高活性炭的收率。则源自中孔、大孔的增加,形成的大孔、中孔和微孔的相互连接贯通。由于物理法工艺流程相对简单,产生的废气以CO2和水蒸气为主,对环境污染较小,而且最终得到的活性炭产品比表面积高、孔隙结构发达、应用范围广,因此世界范围内的活性炭生产厂家中70%以上都采用物理法生产活性炭。炭活化过程中产生大量的余热,可满足原料烘干、余热锅炉制高温蒸汽、产品的洗涤烘干等所需热能。

物理-化学活化法

(1)物理-化学一体化制备技术
物理-化学活化法顾名思义就是结合应用物理活化和化学活化的方法,即炭先经化学法处理,随后再进一步用物理法(水蒸气或 CO2)活化。国外研究人员通过H3PO4和CO2联合活化法制得了比表面积高达3700m2/g 的超级活性炭,具体步骤是在85℃下先用H3PO4浸泡木质原料,经450℃炭化4h后再用CO2活化。将物理法和化学法联合,利用物理法的炭化尾气为化学法生产供热,实现生产过程无燃煤消耗,同时得到物理法活性炭和化学法活性炭。
(2)微波辅助化学活化
由于在活性炭制备过程中,传统的炉膛加热存在耗工、耗时且物料受热不均的缺点,因此微波的引入可以实现物料内部均匀加热,同时可方便地快速启动和停止,耗时比传统工艺短得多。因此,微波辅助化学活化可以显著缩短生产时间,从而极大地提高生产效率,亦可降低环境污染。通常的磷酸法、氯化锌法和氢氧化钾活化法均可采用微波加热,而且研究表明微波加热法亦可得到高性能的活性炭,尤其适用于KOH活化法制备超级电容活性炭。然而微波加热制备活性炭仍处于实验阶段,主要原因是设备投资大,能耗高。
(3)催化活化
金属类催化剂在含碳原料表面可形成活性点,降低炭与水或CO2的反应活化能,从而降低活化温度,提高反应速率,形成发达的孔隙,同时,金属颗粒移动时也会产生孔道。催化剂在制备超级活性炭时可以降低活化温度,大幅提高反应的速率,还可使制得的活性炭孔径分布均匀。虽然催化活化法制备活性炭具有上述诸多优势,但反应速度过快可能会烧穿微孔壁面,从而破坏微孔结构。


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