制备工艺对活性炭中孔分布的影响

王学忠+赵乾

摘 要：随着科技的进步，活性炭在生活和工业中的应用逐渐宽泛和拓展，然而，传统的活性炭含有不同的孔径，并且孔径分布也处于极不均衡的状态，这就对活性的拓展应用起到了较大的限制作用，不能适应现代工业行业发展的需求。为此，本文重点探索制备均一活性炭的工艺，通过分析制备过程中的温度、时间、比例、炭化速率等因素，研究制备工艺对活性炭中孔分布的影响，以更好地实现对活性炭孔径分布的微调。

关键词：制备；工艺；活性炭；孔径；分布；影响

中图分类号： TQ424.1 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）05-189-2

0 引言

活性炭又名多孔碳，在科技进步的态势下，它在各个应用领域大显身手，以其发达的孔隙结构和超强的吸附特征，成为了工业行业应用中的“佼佼者”。然而，传统的活性炭尽管具有多孔性能，但是，它的孔径分布极不均匀，难以达到工业行业生产的要求。因而，对活性炭孔径分布的研究成为业界关注的焦点，着眼于对活性炭孔径的规整性调整，需要分析制备工艺对活性炭中孔径分布的影响，更好地对活性炭的孔径加以微结构定向调整，并对孔径分布实施集中有序的调控，从而使活性炭的催化性能和选择性应用更具有优势和效果。

1 活性炭概念概述

随着化工行业的迅速发展，我国的活性炭年产量获得了极大的提升，成为了活性炭生产和出口大国，广泛应用于各个领域之中。活性炭具有自身特殊的结构和性质，主要表现为以下几个方面。①晶格结构。在活性炭的基本炭质构成之中，没有石墨化的非晶炭质和已经石墨化的活性炭微晶是主要成分，它们相互链接，组成了特殊的孔隙结构及不同的形态。它是属于无定形碳的多相物质。②孔隙结构。由于活化的作用，含有的碳有机物和无序炭得以剔除，生成了活性炭的孔隙结构。它可以极大地影响活性炭的吸附性能。在制备的过程中，可以通过不同的反应条件，重点考虑其孔径分布和孔容积，从而实现对活性炭的孔结构的规整化。③化学性质。活性炭大多由碳构成，并表现出疏水性吸附的性质。同时，还掺杂有氢、氧等化学结合元素以及少量的灰分，这主要是由于活性炭容易受到氧化，因而生成多样性的官能团。

2 活性炭制备工艺对孔径分布的影响分析

用于制备活性炭的材料极为宽泛，只需在炭化工艺下生成丰富孔隙结构的碳质材料，都可以成为制备活性炭的来源和渠道。这些用于制备活性炭的原料有不同的种类，主要包括以下几类。①植物类制备原料。主要是利用农林产品的废弃物，实施初步的炭化反应，利用制备工艺技术加以制备，在这个制备原料之下，可以获得发达的孔隙结构的活性炭。如椰子壳、核桃壳、竹子等。②煤炭类制备原料。充分利用我国丰富的煤炭资源，运用制备工艺技术，制成高强度、吸附性能强、孔隙大小可控的活性炭。并且，还可以利用煤炭开采过程中的低品质成分如煤矸石、劣质煤，加以制备，可以降低制备成本，也是治理环境污染的一种有效手段。③石油类制备原料。石油炼制中产生的副产物——石油焦，可以运用制备工艺技术，制备出高纯度的活性炭，它极大地提升了石油焦废料的附加值，成为了活性炭制备的拓展性渠道。然而，这种制备原料的活性炭生产成本较高，局限于特殊的应用领域。④塑料类制备原料。粉末状的酚醛树脂可以制备出具有独特孔隙结构的活性炭，制备成的活性炭可以应用于净水器、氨气发生装置之中。如聚乙烯、树脂等。⑤含碳废弃物。这些原料既可以成为活性炭制备的拓展性来源，如废旧轮胎、污水治理剩余的污泥、钢铁生产排放的粉尘等，这些废弃物不仅可以应用于活性炭的制备应用过程，而且也可以减少对环境的污染性影响。

2.1 物理活化法

在对活性炭的制备工艺中，物理活化法是一种传统的制备工艺，利用加热反应，在氮气保护环境下，使水蒸气、CO2与原料产生化学反应，制备生成活性炭。这是一种无须化学试剂的制备工艺，它的原理实质是实现碳的氧化反应，在对含碳有机物充分炭化的条件下，加热到一定温度，从而使炭化料与碳产生活化反应，并在反应逐渐加深的过程中，生成孔隙结构。

2.2 化学活化法

这是一种传统的活性炭制备工艺，要添加化学试剂，如氯化锌、磷酸、氢氧化钾等，实现对活性炭的制备。具体如下：①氯化锌活化法。首先要将含碳原料与氯化锌相混合，并加热至一定的温度，产生热分解反应，再历经一系列的工艺流程，实现对活性炭的制备。其适宜的加热温度为600～700℃，制备效率较高，生成的碳微晶较小，并且可以循环回收利用。②磷酸活化法。磷酸作为制备活性炭的原料，可以产生酸催化作用和脱水功能，在磷酸与无机物作用生成磷酸盐的过程中，会使活性炭的微晶距离增大，而生成新的孔隙结构。③氢氧化钾活化法。这是一种制备高比表面积的活性炭制备工艺技术，通过添加氢氧化钾等碱性化合物，可以分解成CO2气体，增强活化作用，从而更好地增强活性炭的吸附性能。

2.3 物理—化学活化法

这也是一种较为传统的活性炭制备工艺，是将物理活化法和化学活化法相结合使用的制备方法，它是将原料与药品成一定比例浸渍，再经过加热烘干处理，之后与活化气进行活化反应，生成活性炭。

2.4 催化活化法

这是一种新兴的活性炭制备方法。它是将具有催化活性的金属化合物添加入炭原料中，增加微孔径表面的活性点数量，并在活化反应中产生选择性的气化作用，最终达到增大微孔径尺寸的目的。然而，这种制备工艺难免会遗留一些金属元素，当它被液相吸附时，就会以离子的形式与溶液反应，因而，还需要进一步探究其他制备技术。

2.5 有机凝胶炭化法

这也是一种新兴的活性炭制备工艺技术。它替代了金属离子作为添加剂，而采用控制凝膠化前的碳源前驱体的结构方式，实现对活性炭孔径大小的控制，它在一定程度上减少了金属离子的残留反应，可以较好地避免催化活化法的应用缺陷。然而，它也有其自身的局限性，主要表现在对凝胶制备的过程中，需要使用碱性催化剂，而对这种碱性催化剂的浓度控制较为困难。

2.6 模板法

这也是一种新型的活性炭制备工艺。它以特殊孔隙结构的材料为模板，如表面活性剂胶束、微乳液等，这些具有特殊孔隙结构的材料具有结构可变性大的特点，对于导入目标材料的反应过程可以加以有效地控制，它也是控制活性炭中孔率和孔结构尺寸的最具有潜能的工艺。

3 活性炭的广泛应用分析

①活性炭应用于气相吸附。活性炭可以应用于气相吸附，实现气体的净化和分离、溶剂回收再利用等领域，另外，还可以作为高效气体扩散泵中的微量气体吸附剂。②活性炭应用于液相吸附。活性炭应用于水处理领域尤其宽泛，其表面的疏水性可以使其从水溶液中吸附物质，使水溶液得以净化。如食品行业的液相脱色精制；制药行业中的液相精制；石油化学行业中有机硫化物的脱色处理；冶金工业中对贵金属的提取处理等。③活性炭应用于催化剂。活性炭可以单独成为一种催化剂，如氯气与CO在活性炭的催化作用下，产生光气；活性炭还可以应用于催化剂载体，如活性炭负载醋酸锌作为催化剂；活性炭负载纳米ZnO作为强氧化剂等。④活性炭应用于储能领域。活性炭可以应用于电池之中，为蓄电池行业带来深远的影响。如活性炭吸附电解质电极电容器等。

4 结束语

综上所述，活性炭以其独特的结构和性质而备受关注，由于传统活性炭的孔径分布极不均衡，显现出与现代化工业生产需求极不适应的问题，因而，对活性炭中孔径分布以及对活性炭的规整化，成为了当前研究的热点和前沿课题。我们需要面对活性炭应用逐渐宽泛的形势，分析各种不同的制备活性炭的工艺和技术，以更好地制备均一孔径的活性炭，并将其应用于各个行业之中。

参 考 文 献

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