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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焦油副产物的形成,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。
我国木质磷酸法粉状活性炭已经实现了规模化、自动化和清洁化生产,整体技术达到国际领先水平。
(1)磷酸活化法
磷酸法制备活性炭的过程中,磷酸与木质纤维原料的作用机理可分为以下几个方面:润胀作用、加速活化作用、脱水作用、氧化作用和芳香缩合作用。
磷酸活化法的基本工艺包括木屑筛选、干燥、磷酸溶液配制、混合(或浸渍) 、炭化、活化、回收、漂洗(包括酸处理和水洗)、离心脱水、干燥与磨粉等工序,如生产颗粒活性炭还需增加捏合工艺。另外,附设专门的废气净化系统,回收烟气中的磷酸和炭粉,减少对环境的污染。磷酸活化法的生产工艺中,要注意在炭化段控制度,让磷酸充分渗透入木屑,再与活化段协同控制,可以明显提高活性炭吸附能力,产品质量稳定,同时适当降低活化温度对降低产品灰分有利。炭活化尾气采用多段液相回收可以增加磷酸和细炭粉的回收,采用高压静电方式也有利于尾气中焦油的去除。
(2)氯化锌活化法
ZnCl2在活化过程中使木质纤维原料发生脱氢反应并进一步芳构化,从而形成初步孔结构,水洗脱除氯化锌后即形成孔隙结构。此外还有学者认为氯化锌在炭化时形成新生炭沉积的骨架,当其被洗去之后,炭的表面便暴露出来,构成了具有吸附力的活性炭内表面。
氯化锌活化工艺流程与磷酸活化法工艺基本相似。氯化锌法活性炭由于其孔径分布相对集中、吸附力强等特点,一直受到国内外市场的青睐,需求量逐年增加。
(3)氢氧化钾活化法
KOH活化法是20世纪70年代兴起的一种制备高比表面积活性炭的活化工艺,其活化过程是将原料炭与数倍炭质量的KOH或NaOH混合,在不超过500℃下脱水后于800 ℃左右煅烧若干时间,冷却后将产品洗涤至中性即可得到活性炭。反应机理是活化过程中被消耗的炭主要生成了碳酸钾,同时在800℃左右,被炭还原的金属钾(沸点762℃)析出,金属钾的蒸气不断进入碳原子所构成的层与层之间进行活化,这两个反应使产物具有很大的比表面积。
KOH法活性炭主要应用在超级电容器领域。以椰壳为主要原料所制得的活性炭比表面积可接近3000m2/g,比电容可超过200F/g,同时还可表现出非常优良的储氢和储甲烷能力,在77K 和100kPa的情况下,储氢量可达到2.94%,压力提高至1MPa,储氢量可达4.82%。

物理活化法

物理法通常又称气体活化法,是将已炭化处理的原料在800 ~1000℃的高温下与水蒸气,烟道气(水蒸气、CO2、N2等的混合气)、CO或空气等活化气体接触,从而进行活化反应的过程。物理活化法的基本工艺过程主要包括炭化、活化、除杂、破碎(球磨)、精制等工艺,制备过程清洁,液相污染少。
在制备过程中,具有氧化性的高温活化气体无序碳原子及杂原子首先发生反应,使原来封闭的孔打开,进而基本微晶表面暴露,然后活化气体与基本微晶表面上的碳原子继续发生氧化反应,使孔隙不断扩大。一些不稳定的炭因气化生成CO、CO2、H2和其他碳化合物气体,从而产生新的孔隙,同时焦油和未炭化物等也被除去,最终得到活性炭产品。活性炭发达的比表面积则源自中孔、大孔孔容的增加,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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