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活性炭的制备原料及制备方法

发布日期:2022-08-30

活性炭是一种含碳材料制成的外观呈黑色,内部孔隙结构发达,比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料,是一种常用的吸附剂、催化剂或催化剂载体。

一、活性炭的制备原料

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活性炭的结构特性依赖于前驱体的性质、原料的炭化、活化和化学的调整条件。选择合适的原料是影响活性炭性质的一个重要因素,活性炭可用各种类型的碳质材料来制备,原料来源非常广泛,可分为以下几大类:

有机高分子聚合物,如萨兰树脂、酚醛树脂、聚糖醇等;

植物类,主要利用植物的坚果壳或核,如核桃壳、杏核、椰壳等;煤及煤的衍生物,如各种不同煤化度的煤及其混合物。

活性炭原料一般以低灰分、高含碳量以及尽可能低的挥发分为最佳。较好的原料主要是煤(褐煤、长焰煤、烟煤、无烟煤)、木材、果壳。

由于煤来源广泛、价格低廉、制备工艺相对简单而应用较多。煤的主要成分是碳,表面化学性质活泼,孔隙率高、比表面积大,其多孔结构有利于制成活性吸附材料。在以煤为原料制备活性炭的技术开发方面,德国、日本、美国、俄罗斯和中国已做了大量的研究工作,并取得了一定成果。

二、活性炭的制备方法

活性炭的制备方法主要可以分为:碳化法、活化法、碳沉积法、热收缩等方法。

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一般制备活性炭的基本工艺如上图,其中预处理、活化和碳沉积是选用步骤。

1、碳化法

定义:将碳质原料置于惰性气氛中,以适当的热解条件得到碳化产品的方法。

基本原理:基于加热过程中各基团、桥键、自由基和芳环等复杂的分解聚合反应,表现为碳化产物的孔隙发展、孔径的扩大和收缩。在碳化过程中,碳质原料中的热不稳定组分以挥发分形式脱出,从而在半焦上留下孔隙。

适用情况:适用于高挥发分原料,是所有其他方法的基础。影响碳化过程的主要因素是升温速率、碳化温度与恒温时间。采用的升温速率一般在5~15/min,碳化温度多在500~1100℃,恒温时间为0.5~2h

2、活化法

定义:将碳质原料置于活性介质中加热平缓处理,以发展其孔径的方法。

基本原理:基于碳质原料部分碳的烧失,使封闭的孔得以打开,从而使其孔隙结构得到发展,孔径大小达到所需要的范围。常用的活化剂有空气、CO2、水蒸气、H3PO4KOHNaOH等。工业实践中多采用简便易得的水蒸气进行活化。

适用情况:适用于气孔率较小且挥发分较低,或气孔率较高但孔径较小的碳质原料。

3、碳沉积

定义:指在高温下通过烃类或高分子化合物的裂解,在多孔材料的孔道内积碳,以达到堵孔、调孔的作用。

特点:其工艺复杂、操作条件严格、实际生产成本较高。碳沉积常分为气相(CVD)与液相沉积(LVD)。对于气相沉积过程,气体在反应炉中的浓度较均一,能有效地控制孔径,但不足之处是需外加沉积气源发生装置,还需调节流量,不利于操作;液相沉积对工艺要求较低,操作较容易。

4、热收缩法

定义:即热缩聚法,是指碳质材料经碳化、活化后,在1000~1200℃的高温条件进一步热处理的过程,从而达到缩小孔径的目的。

5、其他方法

还有一些制备活性炭的新工艺和方法,如等离子体法、卤化法、模板法、微波加热法等。实际生产活性炭的工艺过程中,为了获得性能优良的活性炭,通常将以上方法综合起来应用。

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