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磷酸活化软木制备活性炭的研究本文旨在探讨磷酸活化软木制备活性炭的方法，研究其性能并与传统活性炭进行比较。
我们对软木和活性炭的相关背景进行了介绍，为后续研究打下基础。
接着，我们详细描述了实验方法，包括原料准备、磷酸活化处理、炭化及活化等步骤。
通过实验得到的活性炭，对其物理化学性质及吸附性能进行了测定和数据分析。
我们对结果进行了讨论，并得出结论。
在自然界中，软木具有轻质、保温、隔热等优点，被广泛应用于家居、建筑等领域。
磷酸活化法制备活性炭是一种有效的改性方法，能够提高软木的吸附性能。
我们对软木进行了预处理，包括干燥、破碎和筛分，以获得合适的颗粒大小。
随后，将软木与磷酸溶液混合，进行活化处理。
经过一定时间的浸泡和加热后，将得到的混合物进行过滤、洗涤和干燥，得到活性炭样品。
为了比较磷酸活化软木制备的活性炭与传统活性炭的性能差异，我们选取了市售活性炭作为对照。
通过BET比表面积、孔容、孔径等物理化学性质的测定，发现磷酸活化软木制备的活性炭具有较高的比表面积和孔容，同时孔径较小。
这表明磷酸活化软木制备的活性炭具有较好的吸附性能。
在活性炭吸附性能测试中，我们采用碘吸附值和亚甲蓝吸附值两种方法进行测定。
结果显示，磷酸活化软木制备的活性炭具有较高的吸附性能，尤其是对亚甲蓝的吸附值高于传统活性炭。
这说明磷酸活化软木制备的活性炭在去除水中有机物和染料方面具有更好的应用前景。
通过本次研究，我们发现磷酸活化软木制备活性炭的方法具有以下优点：（1）简单易行，便于大规模生产；（2）得到的活性炭具有较高的比表面积和孔容，以及较小的孔径，有利于提高吸附性能；（3）对亚甲蓝等有机染料的吸附值高于传统活性炭，说明其在污水处理等领域具有较好的应用潜力。
然而，本研究仍存在一定不足之处。
在磷酸活化过程中，磷酸溶液的浓度对活性炭性能的影响尚未进行深入研究。
目前仅对活性炭的物理化学性质和吸附性能进行了初步研究，未来可进一步探究其在真实应用场景中的性能表现。
制备高微孔及高中孔率活性炭的活化新工艺(2020-06-06 06:21:54)分类：活性炭技术类文章标签：杂谈NOVEL ACTIVATION PROCESS FOR PREPARING HIGHLYMICROPOROUS AND MESOPOROUS ACTIVATED CARBONS胡忠华〔音〕〔同济大学化学系〕1、简介关于化学活化法，是将浸渍适当化学药剂的原材料经热分解过程在单一步骤内完成炭化和活化的。
其工艺优点是低能耗及高产率。
氯化锌是活性炭制备过程中使用过的化学活性试剂之一。
Rodriguez-Reinoso及其同事在活性炭制造〔包括氯化锌活性炭〕方面进行了大量工作，如：用橄榄核制造活性炭、通过采纳氯化锌化学活化工序继以二氧化碳补充活化工序两步工艺用桃核制造高表面积活性炭等〔Carbon1991,29:999; Carbon1992,30:1111〕。
其他研究人员也报道过用氯化锌化学活化法将不同含碳材料制备的活性炭，这些含碳材料有：油棕壳〔Carbon1996,34:1447〕、酸析木素〔Ind.Eng.Chem.Res.1997,36:4832〕、煤炭〔Carbon1996,34: 471; 〕、澳洲坚果壳〔Ind.Eng.Chem.Res.1998,37:58; Carbon 1997, 35: 1723〕等。
上述研究者总结指出，与600℃或700℃处理成效相比，经氯化锌化学法制成的活性炭，500℃时得到的活性炭有较大的BET表面积和孔容积，但他们都未发表过在700℃以上温度处理时的情形。
Hu和Vansatnt报道了将废煤于600∽950℃范畴内用氯化锌活化制成了有效吸附剂〔J.Colloid Interf.Sci.1995,176:422〕，指出：随活化温度从600℃升高到750℃，BET表面积呈下降趋势；而在750∽950℃范畴，BET表面积那么随温度的上升而增大。
尽管活化的细节问题尚不清晰，但这种完全相反的变化〔指BET表面积随温度的变化〕可能与氯化锌的沸点温度〔732℃〕有关。
活性炭制备技术及应用研究综述摘要:从活性炭的制备技术和活性炭的应用两方面综述了国内外活性发近20年的研究进展。
总结了活性炭的化学活化法和物理活化法的发展状况，对制备技术中的最新突破—物理法-化学法活性炭一体化生产工艺进行了介绍，并且简述了活性炭工业生产中无公害化、低消耗、预处理的生产技术，以及吸附达饱和活性炭的再生生产技术，同时总结了活性炭在气相吸附、液相吸附和作为催化剂载体等方面的应用进展。
提出了目前活性炭生产应用技木存在的问题，明确了活性炭产业发展的出路与对策，指明了活性炭未来的研究方向。
关键词:活性炭:制备:应用；发展趋势活性炭是由木质、煤质和石油焦等含碳的原料经热解、活化加工制备而成，具有发达的孔隙结构、较大的比表面积和丰富的表面化学基团，特异性吸附能力较强的炭材料的统称。
活性炭在石油化工、食品、医药乃至航空航天等领域均有广泛应用，已成为国民经济发展和国防建设的重要功能材料。
近年来，随着环保、新能源等行业的快速发展，功能型活性炭的市场需求激增，我国活性炭的生产量和出口量均已达到世界第一。
同时，生物质热解固炭技术也是公认的解决气候变化问题的有效措施之一。
因此，针对活性炭科学研究与产业化开发存在的问题，本论文综述了活性炭制备与应用技术研究现状及发展1.国内外活性炭制备技术进展1.1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目前还不十分清楚，一般认为化學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。
活性炭材料的制备及其吸附性能研究活性炭是一种高效的吸附材料，广泛应用于工业领域和环保中。
其制备过程复杂，其中关键是制备方法和材料特性的控制。
本文将介绍活性炭的制备及其吸附性能的研究进展。
一、活性炭的制备方法活性炭的制备方法多种多样，如物理法、化学法和物化法等。
物理法是利用高温和特殊气氛，将无机原材料直接聚集成炭，其制备过程简单，但性能相对差。
化学法是将有机高分子或碳素化合物在特定条件下进行裂解或氧化后，得到炭材料。
物化法是结合物理和化学原理，在制备过程中控制原料和反应条件，以获得理想的炭材料。
二、活性炭的制备材料活性炭的制备原料多种多样，包括木屑、竹材、果壳等天然原材料，也包括聚丙烯、聚氨酯、纤维素等人工高分子。
材料种类不同，会影响活性炭的孔径大小和吸附性能。
例如，天然原材料产生的活性炭多为微孔，吸附能力较强；而人工高分子制备的活性炭多为介孔或大孔，吸附能力相对较弱。
三、活性炭的吸附性能活性炭的吸附能力主要取决于其孔径分布、表面性质和晶体结构等因素。
不同孔径大小的活性炭对不同物质的吸附效果也不同。
例如，微孔活性炭对小分子有机物质具有较强的吸附作用，而介孔或大孔活性炭对大分子有机物具有更好的吸附性能。
此外，活性炭表面化学性质的不同也会导致其吸附性能的差异。
一般而言，具有氨基、羟基、羧基等官能团的活性炭吸附能力会更强。
四、活性炭的应用由于其吸附能力和环保性质，活性炭广泛应用于水处理、空气净化等领域，同时也被用作电容器、电极材料等电子制品中。
在水处理方面，活性炭可以去除水中的有害物质，如重金属离子、有机物、药物等，提高水的质量和纯度。
在空气净化方面，活性炭可以去除甲醛、苯、二氧化硫等有害气体，改善人们生活环境。
总之，活性炭材料的制备及其吸附性能的研究是一个重要的领域。
通过不断探索材料特性和优化制备工艺，可以获得更具吸附能力和应用价值的活性炭，促进其在各个领域的应用。
活性炭制备工艺及其应用研究随着科技的发展和全球对环境问题的关注日益增加，人们对于净化水，空气等资源的需求也逐渐上升。
而活性炭作为一种可以去除有害物质的吸附材料，已经成为环境净化领域中的重要材料。
但是，想要制备高质量的活性炭并不是一件易事。
本文将围绕活性炭制备工艺及其应用展开研究。
一、活性炭制备工艺1. 碳化碳化作为活性炭制备的第一步，可以使用多种材料进行实现。
其中以木材、桦木、杏木、草本植物和花木等天然植物为碳化原料更为常见。
碳化的目的在于将原料中的无机物和有机物热解成基本单元碳，使活性炭的质量和吸附能力得到提升。
2. 活化活化是活性炭制备的关键步骤。
目前常见的活化方式有物理活化和化学活化两种。
物理活化通常需要高温条件和一定的氧化剂，作用是将碳中的孔隙扩大，增强其比表面积和吸附能力；化学活化则是利用化学药剂溶解碳中的无定形物质，加速孔洞的扩展，并增强表面亲和力和催化活性。
化学活化与物理活化相比，制备时间更短，吸附能力更强，但成本也更高。
3. 热处理热处理是活性炭制备过程中的最后一步，其作用是去除残留的有害物质和充分激活活性炭的性能。
热处理温度一般在400-900℃之间，时间也有所不同。
过高的热处理温度不仅会降低活性炭的孔隙度和比表面积，也会影响其物理化学特性和吸附能力。
二、活性炭的应用研究随着科学技术的发展，活性炭的应用范围也逐渐扩大。
从最初的净化水源到如今的化学催化、电化学催化、药物吸附等诸多领域都有广泛的运用。
1. 电化学催化在电化学领域，活性炭作为催化材料在电极表面广泛应用。
因其丰富的孔结构和高度的比表面积，可以提高电化学反应微观反应速率，增加电极表面的有效质量输运，提高催化效率。
同时，活性炭还具有良好的导电性和化学稳定性，使得其在电化学分析、电解水、电池等领域也得到了广泛应用。
2. 催化剂载体活性炭可以成为非常优良的催化剂载体，可以载入各种催化剂，如金属、氧化物等。
在催化反应中，活性炭可以提供丰富的活性中心和与反应物的相互作用，从而增强反应的选择性和反应效率，并且降低催化剂的使用量和成本。
污泥活性炭制备及应用污泥活性炭制备及应用污泥是污水处理过程中产生的含有有机物和无机物的混合废物。
传统的处理方式往往是将污泥直接填埋或者焚烧，但这些方法都存在一定的环境问题和资源浪费。
因此，开发和应用污泥资源化利用技术变得尤为重要。
其中，污泥活性炭制备及应用就是一种相对较新的技术，具有很高的潜力。
污泥活性炭是一种具有丰富孔结构和大比表面积的碳材料。
通过一系列的处理工艺，例如碳化、激活等，可以将污泥转化为具有吸附、脱色、脱臭等功能的活性炭。
污泥活性炭的制备方法主要包括物理法、化学法和物化法。
在物理法中，首先对污泥进行干燥处理，然后进行碳化，得到初步的活性炭。
接着，通过物理激活（如高温蒸汽激活）或物化激活（如化学物质添加）使其孔洞结构进一步发展，从而提高活性炭的吸附能力和性能。
在化学法中，污泥经过碳化预处理后，使用化学氧化剂（如盐酸、磷酸、硫酸等）对其进行化学激活，以增加活性炭的孔隙度和表面积。
物化法是物理法和化学法的综合应用。
首先，利用物理碳化完成污泥的初步转化，然后使用化学氧化剂和物理激活剂进行综合激活，进一步优化活性炭的结构和性能。
污泥活性炭制备技术的成功应用不仅可以解决污泥去除的难题，还可以实现污泥资源化利用，发挥有效的环境修复作用。
目前，污泥活性炭已经在多个领域得到了广泛应用。
首先，污泥活性炭可以用于水处理领域，用于去除水中的有机物、重金属和色素等有害物质。
其次，污泥活性炭还可以用于空气净化，吸附空气中的有机气体和异味，净化室内外空气质量。
另外，污泥活性炭还可以用于土壤修复，吸附土壤中的污染物，改善土壤质量。
此外，污泥活性炭还可以用于储能材料、电池电极等领域。
污泥活性炭的制备及应用存在一些挑战。
首先，制备过程中的污泥性质和处理工艺对活性炭的性能产生很大影响，因此需要进一步研究和优化。
其次，活性炭的价格相对较高，限制了其在一些领域的应用。
另外，炭化和激活工艺对环境的影响也需要进一步评估和控制。
活性炭制备及机理分析一、本文概述活性炭是一种具有高度多孔性和大比表面积的炭质材料，广泛应用于环境保护、化工、食品、医药等领域。
其优良的吸附性能和化学稳定性使活性炭在处理废水、废气、脱色、提纯等方面发挥着重要作用。
本文旨在深入探讨活性炭的制备方法以及背后的机理分析，从而理解其结构与性能之间的关系，为活性炭的进一步优化和应用提供理论支持。
本文将首先概述活性炭的基本性质和应用领域，接着详细介绍活性炭的制备方法，包括物理活化法、化学活化法以及生物活化法等。
随后，文章将深入探讨各种制备方法的机理，分析活性炭孔结构、表面化学性质与其吸附性能之间的关系。
本文还将讨论活性炭制备过程中的影响因素，如原料性质、活化剂种类、活化温度等，并对活性炭的改性方法进行探讨。
本文将对活性炭的未来发展趋势进行展望，以期推动活性炭制备技术的不断创新和应用领域的拓展。
通过本文的研究，我们期望能够为活性炭的制备和应用提供更为全面和深入的理解，为相关领域的研究者和实践者提供有益的参考。
二、活性炭的制备原料与分类活性炭的制备原料多种多样，主要包括含碳丰富的天然资源和人造材料。
在天然资源中，木材、煤炭、椰子壳、果壳、石油焦等是最常用的原料。
这些原料因其高含碳量和独特的物理化学性质，在活性炭的制备过程中显示出良好的应用前景。
随着环保意识的增强和废物利用技术的发展，一些工业废弃物，如废旧轮胎、生物质废弃物等，也逐渐成为活性炭制备的新原料。
活性炭的分类方法多种多样，根据其制备原料的来源和性质，可以分为木质活性炭、煤质活性炭、果壳活性炭等。
根据活性炭的孔结构和表面性质，可以分为微孔活性炭、中孔活性炭和大孔活性炭。
这些分类方法有助于我们更好地理解和应用活性炭的性质和用途。
活性炭的制备原料和分类不仅影响其制备工艺和性质，也直接关系到其在各个领域的应用效果。
因此，深入研究活性炭的制备原料和分类，对于提高活性炭的性能和应用范围具有重要意义。
三、活性炭的制备方法活性炭的制备方法多种多样，主要包括物理法、化学法和物理-化学法三大类。
第24卷第1期海南大学学报自然科学版Vol.24No.1 2006年3月NATURAL SC I ENCE J O URNAL O F HA I NAN UN I VERS I T Y Mar.2006 文章编号:1004-1729(2006)01-0074-09高性能活性炭制备技术新进展窦智峰,姚伯元(海南大学理工学院,海南省精细化工重点实验室,海南海口570228)摘 要:根据活性炭制备过程的特点,概述了活性炭制备前期、中期、后期过程中的主要制备技术,比较了不同制备阶段不同制备技术的特点,为制备高性能活性炭及其应用提供了参考.关键词:活性炭;炭化;活化;改性;制备技术中图分类号:T Q424.1 文献标识码:A活性炭(Activated Carbon,简称AC)是一种孔隙结构发达、比表面积大的多孔炭素材料,它广泛应用于环保、催化、食品、医药、分离以及国防等领域,尤其是高比表面积活性炭已成为国民经济发展和国防建设以及日常生活中必不可少的重要功能材料.活性炭应用领域不断扩大,应用专一性日益增强,促进了活性炭制备技术的发展,先后出现了物理活化、化学活化、催化活化、表面改性等能显著提高和改善活性炭性能的各种制备工艺和技术.高比表面积活性炭的制备是一个受多因素影响和制约的较复杂的工艺过程,其原料的差异、处理工艺的不同,会对活性炭的孔径分布、比表面积、表面特性等性能指标产生显著影响.目前,虽然高比表面积活性炭的研究与开发呈现出制备原料多样、制备工艺灵活的特点,但总的来看,高比表面积活性炭的研究与开发过程一般可分为前期预制备、中期活化与后期改性3个阶段,每阶段的主要处理目的不同,采用的方法手段也不同.因此,本文主要从前期、中期和后期3个阶段出发,简述了目前在高性能活性炭的研究与开发中以及在生产领域中的主要相关制备技术.1 前期制备技术进展炭化是以木材、果壳以及煤等为原料制备活性炭的必经工艺过程,通过炭化可以得到被称作“炭素前驱体”的物质.研究表明:“炭素前躯体”的结构特点直接影响甚至决定活性炭产品性能的优劣.目前,炭化工艺的研究主要集中在如何制得活性点多、初始孔隙发达的难石墨化炭. 1.1 预氧化炭化技术 预氧化处理技术是活性炭尤其是煤基活性炭制备过程中常用的前期处理技术,一般有干法和湿法2种方法,前者常用空气、氧气等气体作氧化剂,后者常用硝酸、硫酸等作氧化剂.预氧化处理对炭活化机理、炭活化产物的性能以及制备工艺过程等均有显著影响.Leon收稿日期:2005-09-12基金项目:科技部重大基础研究项目(2003CCA03600);海口市重点科技项目(20021225)作者简介:窦智峰(1979-),男,河南新乡人,海南大学理工学院2003级应用化学专业硕士研究生.等[1]在20世纪80年代初,曾利用干法预氧化法(O 2∶N 2=5∶95)对烟煤进行氧化预处理,实验发现,氧化预处理后的产物的初始比表面积和烧失率均显著增加.Parra 等[2]在利用无烟煤制备AC 的研究中发现,产品AC 的孔隙率与预氧化程度正相关,且以微孔数量增加为主.张双全等[3]采用氧化性复合添加剂对原料进行湿法预氧化处理,后经炭化、活化等工艺也制得了微孔较发达的活性炭.预氧化处理具有改变炭活化机理、提高产品性能以及缩短工艺时间等优点,但该方法受到氧化剂性质、原料特点、氧化程度等多种因素的制约;因此,如何根据原料特点和产品性能的要求,选择合适的氧化剂和进行可控氧化处理,就成为此类前期处理技术的关键.1.2 催化炭化技术 催化炭化技术是前期制备中又一常用的处理方法,通常是指在炭化原料中添加某种试剂,以促进炭化过程,从而得到最佳“炭素前驱体”的一种处理方法.目前,催化炭化和后续活化相结合已成为制备高比表面积活性炭的常用制备工艺过程.磷酸、钾化合物等是活性炭前期制备过程中常用的催化剂,在催化热解过程中,会促进热解反应,抑制焦油的生成,有利于通过缩聚反应进行芳构化,从而形成具有丰富初始孔隙的乱层堆积石墨微晶结构.例如,Molina 2Sabi o 等[4]先用一定浓度的H 3P O 4和木质纤维素混合,然后将混合后的样品在450℃温度下催化炭化4h,催化炭化后的试样后经CO 2在825℃下活化,结果得到了比表面积达3700m 2・g -1、总孔容达2mL ・g -1的高比表面积活性炭.张双全等[5]采用氧化复合催化处理方法对无烟煤制备AC 进行了研究,结果表明:该方法可以有效地提高活化速率,在同等收率下,产品性能显著改善.钾化合物及其热分解产物在改变热解历程、增加活性中心、形成初始孔隙和乱层堆积石墨微晶结构等方面有很好的促进作用,但在催化炭化过程中的具体活化机理方面还有待进一步的研究.2 中期制备技术进展活化过程是AC 制备过程中最关键的工艺过程,是在活化剂与炭化料之间进行复杂化学反应的过程.其活化作用主要表现在:1)在初始孔隙的基础上形成大量的新孔隙;2)初始孔隙进一步扩展;3)孔隙间的合并与连通.因而,通过活化阶段,可得到比表面积更大、孔径分布更合理的AC 产品.目前,活化主要有物理活化、化学活化、复合活化、催化活化等过程.2.1 物理活化技术 物理活化法一般是指在一定温度下,将炭化料与水蒸汽、二氧化碳、氧气或与它们的混合气等活化气体进行反应,使炭化料活化的一类活化方法.W ig mans 认为[6],气体活化剂先除去炭化过程中所形成的非组织炭中间物,然后与石墨微晶的活性位炭反应.活性位的形成机制以及在微晶石墨层水平及垂直方向上炭的相对反应速率决定了孔的结构变化.一般认为[7],气体活化剂的活化作用主要是通过活化剂与炭化料之间的氧化反应来实现的:一方面,活化剂与炭化料中的焦油等非组织碳反应,使孔隙敞开;另一方面,活化剂与有活性位点的孔隙表面进行反应,形成新的孔隙结构.在气固相反应中,必须考虑气体扩散速率和反应速率1Pis 等[8]研究认为,当扩散速率大于反应速率时,活化为反应所控制,此时有利于气体发挥造孔作用,反之,不利于孔的形成.H 2O 分子的尺寸较CO 2分子的尺寸小,H 2O 在颗粒间的扩散速率大于CO 2的扩散速率,所以,前者活化温度在800～850℃范围,后者活化温度在900℃以上,两者活化温度一般相差100℃以上.57 第1期 窦智峰等:高性能活性炭制备技术新进展表1 水蒸气和二氧化碳活化性能比较活化剂分子大小扩散速率反应速率活化温度/℃H2O小大大800～850CO2大小小900以上以水蒸气为活化剂时,活化温度在800～850℃,随着活化时间的延长,活性炭的比表面积和微孔数量均会逐渐增加,但当温度大于860℃时,扩孔现象加剧,微孔数量减少.Figueiredo等[9]研究发现,无论采用CO2还是采用H2O活化,高温低分压都有利于微孔形成,而在低温高分压下则有利于中孔形成.传递性质和可混合性是决定反应速率和均匀性的重要参数[10].近年来,超临界技术的发展已经引起了活性炭工作者的注意,超临界流体具有高扩散性、低粘度以及在通常条件下难溶解反应物的充分可混合性;另外,在超临界条件下,超临界流体的界面张力极低(水的静电常数是80左右,在超临界区域,可减小到3～20),因此,非极性有机化反应物易于进入大孔甚至微孔物质中,从而促使均相和快速反应,并有利于活化反应的进行.水蒸气、CO2等超临界流体兼有气体和液体的性质:即既有液体对溶质的较大溶解度的特性,又有气体易扩散和运动的特性.Cai等[11]利用超临界水作活化剂来制备活性炭微球1实验发现,在超临界条件下,温度和水流速变化对比表面积和孔隙率有较大影响,而压力变化的影响较小;但当压力达到或超过36 MPa时,中孔明显增加;因此和水蒸气相比,可制备出中孔更发达,强度更高的AC.2.2 化学活化技术 化学活化法是指利用化学试剂对活化对象进行活化的一类方法,该法始于O strejko应用氯化锌法制备活性炭的1900年,到目前为止,已先后探索了几乎所有常见的无机酸碱盐,其中具有代表性的活化剂是ZnCl2、H3P O4和K OH,其各自特点如表2所示.表2 典型的化学活化法中的活化剂活化剂活化温度/℃可能的活化作用活化特点ZnCl2600～700脱水作用、促进热解收率高,微孔、中孔发达H3P O4400～600脱水作用、催化热解较ZnCl2孔径小、中孔发达K OH800～900浸蚀作用、强反应性比表面积大,微孔发达,反应快化学活化法具有活化时间短、活化反应易控制、产物比表面积大等优点1在化学活化中,活化剂用量、活化温度、活化时间是影响AC性能的主要影响因素,也是化学活化技术研究的重点1然而,化学活化法也有一些缺点:①腐蚀设备;②污染环境;③活化剂消耗量大,成本高;④后处理时经济和环境成本高.以上这些不利因素限制了简单化学活化法的应用.2.3 复合活化技术 将物理活化方法和化学活化方法的各自优点结合起来,所形成的复合活化技术越来越受到人们的重视,该技术发展初期,多采用简单物理活化加化学活化的双重活化方式.例如,Caturla等[12]在制备核桃壳活性炭的实验中,先用ZnCl2进行化学活化后,再用CO2进行物理活化.试验结果表明,用该复合法制备的活性炭比表面积可达3000m2・g-1以上;但双重活化仍没有克服化学活化法中的不利因素的影响,而且还增加了劳动强度.目前,多采取化学浸渍加物理活化的复合活化技术,通过控制浸渍比、浸渍时间、活化温度、活化时间等因素,可制得吸附性能优良、孔径分布合理的活性炭材料.Lyubchik等[13]用氧化性试剂浸渍无烟煤后,用CO2在850℃下活化,可制得微孔和中孔均67海南大学学报自然科学版 2006年 比较发达的活性炭材料.张文辉等[14]在制备煤基活性炭研究中用K OH 浸渍试样后,再用水蒸气活化.试验结果表明,产物比表面积大于1500m 2・g -1,同时缩短了活化时间,提高了产品的吸附性能.赵乃勤等[15]将炭粉和铵盐混合溶液[m ((NH 4)2S O 4)∶m ((NH 4)3P O 4)∶m (H 2O )=6.6∶3.4∶90]按一定浸渍比浸渍、烘干,再用水蒸气进行活化,可以显著地提高活性炭的比表面积和活化收率.复合活化技术虽有较多优点,但在活化程度、均匀性、有效性等方面仍有不足;因此,一方面需要加深对复合活化技术中的相关作用机理的认识,另一方面也需要加强与其他相关制备技术的配合.2.4 催化活化技术 催化活化是在简单物理活化和化学活化的基础上,随着对炭化、活化机理认识的深入而逐渐形成的一种活化方法.在70年代初,Marsh 等[16]对加入铁、镍的糠醇树脂进行了炭化、活化的研究,结果发现,活化反应主要在金属粒子的近处发生,抑制了微孔的形成,中孔明显增加.Tom ita 等[17]研究认为,金属催化气化产生的中孔反应主要集中在金属微粒的表面,金属微粒是向炭基体内部打洞前进的.Adler 等[18]较为详细地研究了金属的催化气化反应机理,提出了氧传递机理.刘植昌等[19]进行了铁催化活化制备沥青活性炭机理方面的研究,指出在铁微粒周围发生催化活化反应的同时,还有非催化活化反应进行,这些非催化活化反应主要产生微孔,所产生的微孔和中孔可使原来分散于沥青基炭球内部的铁微粒暴露于水蒸气气氛中,继续对活化反应起到催化作用,产生更多中孔,上述反应过程循环往复,从而产生大量的中孔.有很多化合物,包括碱金属和碱土金属的盐类、氯化物、硫酸盐、醋酸盐以及大多数的酸类和氢氧化物等,在气体活化中具有催化加速作用[20],例如:目前工业上用K OH 和K 2CO 3作催化剂,用量在0.1%～5%之间,可以显著地提高物理活化速率和产品性能.催化活化是一种有效的孔径调控制备技术,特别是对中孔AC 的制备,但由于许多催化剂属于含金属的盐类,因此需考虑产品中的金属残留问题,尤其是在食品、医药、催化等领域中所应用的AC .3 后期制备技术的进展活性炭的吸附特性一方面取决于其孔隙结构,另一方面取决于其表面性质.它的前期、中期制备技术主要侧重于孔隙结构方面,但随着对AC 材料性能的要求越来越高,简单的炭化活化工艺已经很难满足要求,尤其是在一些高、精、尖领域的应用,因此,后期处理技术就越来越受到重视.后期处理技术一方面可进一步调整AC 的孔隙结构,另一方面可对AC 的表面进行修饰和改性,其主要方法有表面氧化处理、浸渍活化溶剂、沉积技术、热处理技术、低温等离子技术、微波技术等.目前,以AC 表面改性和修饰为主的AC 后期制备技术研究已成为AC 研究中十分活跃的研究领域[21].根据后期处理技术所依据的主要原理和特点的不同,后期制备技术大致可分为物理改性技术和化学改性技术.3.1 物理改性技术3.1.1 热处理法 后期的热处理技术主要是指在一定条件下将AC 在高温下进一步处理的过程;该技术的操作相对简便易行,被广泛应用于研究和应用领域[22-25].高温热处理技术对AC 性能的影响主要表现在2个方面:其一,改变原AC 的初始孔径和孔容;其二,改变AC 的表面化学结构,包括元素、官能团种类等.77 第1期 窦智峰等:高性能活性炭制备技术新进展87海南大学学报自然科学版 2006年 目前,热处理技术多采用复合方式(浸渍热处理、活化气氛热处理等)进行,例如Bagreev 等[26]先用三聚氰胺浸渍AC,然后用850℃的高温处理.试验结果表明:改性后的AC对HS的2处理能力可提高10倍以上.李开喜等[27]在氧化性活化气氛下,研究了热处理温度、气体种类等因素对活性炭纤维(Activated Carbon Fiber,简称ACF)脱硫性能的影响,并证明该法能有效地提高ACF的脱硫性能.3.1.2 微波法 微波是指波长在1mm～1m之间,频率范围为300MHz～300GHz的电磁波.微波辐照可透射到材料内部,通过离子导电和分子极化以及旋转机制使偶极电子反复极化、相互摩擦,从而使微波能量转化成热能.微波加热具有速度快、高效节能、选择性强、污染少、控制简单等优点,已在许多工业领域中有很好的应用.活性炭能很好地吸收微波,但微波改性方法在AC领域的应用起步较晚,尚处在实验研究阶段.Carr ott等[28]利用微波对ACF进行了后期热处理研究,发现微波不仅能有效地改变孔径和孔容,而且对ACF的表面官能团也有影响.江霞等[29-30]在利用微波改变AC性能方面进行了大量的实验研究,结果发现,经过微波改性后,AC的碘吸附值有所提高,吸附能力增强;同时,还发现AC的表面结构也有较大的改变,且孔结构变化多发生在中孔范围.目前,许多学者认为微波功率是改变活性炭性能的主要因素.微波对AC进行的后期处理,主要是通过快速、高效的热作用来引起炭骨架的收缩,从而导致孔径、孔容等参数的变化.微波技术具有很多优点,正日益受到炭素工作者的重视.人们已经发现,在不同气氛条件下利用微波加热改性会影响AC表面基团的性质[31],如氧化性气氛有利于酸性基团的形成,而还原性气氛则有利于碱性基团的形成.3.1.3 低温等离子体法 等离子体是物质在特定激发条件下(如高温)的一种物质状态,是由大量正负带电粒子和中性粒子组成并表现出集体行为的一种准中性气体,是除固态、液态和气态以外的物质第四态.等离子体按照粒子温度可以分为热平衡等离子体和非热平衡等离子体.当电子温度和离子温度相等时,就称为热平衡等离子体,简称为热等离子体;当电子温度远大于离子温度时,则称为非热平衡等离子体,由于其电子温度高达104K以上,而离子和原子之类的重粒子的温度却只有300～500K,所以又称其为低温等离子体.在低温等离子体中,一方面,由于电子具有足够的能量激发、离解和电离反应物的分子;另一方面,反应物体系又由于能保持低温,甚至接近室温,因此通过断开或激活材料表面的化学键并形成新的化学键,可以实现材料的表面改性1由于低温等离子体中绝大多数粒子的能量均高于AC表面常见化学键的键能,因此可以断开AC表面的某些化学键,从而使AC的表面改性得以实现;因此低温等离子体法在材料表面改性和新材料制备等领域得到了非常广泛的应用[32].García等[33]利用氧等离子体对AC表面进行改性研究发现,在基本不改变其表面组织结构的前提下,可以使其表面化学性质有针对性地发生改变.Boudou等[34]在用氧低温等离子体对AC改性的研究中发现,在基本不改变AC孔隙率的条件下,可在AC表面引入大量以羧基为代表的酸性官能团.另外,Okaji m a等[35]运用氧等离子体对电容电极的ACF进行了改性研究,结果表明,在同等条件下,利用氧等离子体处理过的ACF的电容能力提高了28%,最高可达142F・g-1.3.2 化学改性技术3.2.1 表面氧化法 氧化改性技术是利用一定氧化剂对AC产品进行有目的的改性和修饰的一类方法,它既可用来调节孔径,又可以改变AC 表面的化学结构,是AC 化学改性技术中较为常用的方法之一.目前,表面氧化是增加AC 表面含氧官能团和调整其表面极性的主要方法.活性炭属于非极性吸附材料,根据相似相吸原理,它一般对烃类和有机蒸气的吸附能力较强,如果增加其表面主要含氧官能团的含量,可以调整其表面极性的情况,拓宽其应用范围.Abdel 2Nasser 等[36]进行的研究表明,用HNO 3处理后,AC 表面的各种含氧官能团和吸湿性均明显增加,这有利于改性活性炭在液相吸附中的应用;但在另一方面,HNO 3的腐蚀性会导致大孔增多.厉悦等[37]利用氧化方法对AC 进行改性,发现改性后的活性炭表面的酸性基团含量增加,AC 表面的亲水性显著提高,但pH PZC 值(水溶液中固体表面净电荷为零时的pH 值)却降低,并且对苯酚的吸附性能也降低.杨明平等[38]在改性活性炭(硝酸氧化)处理含铬废水的研究中发现,改性后的AC 能显著提高处理铬离子的能力,但其处理能力受溶液酸度的影响较大.在运用氧化改性技术时,有许多相关因素必须考虑,如活性炭的孔结构、应用对象的性质、应用领域的情况、应用环境的条件等等,所以,运用该技术的关键是要考虑氧化剂种类、氧化程度、氧化时间等因素对改性活性炭性能的影响.3.2.2 化学气相沉积法 气相沉积技术是指利用气态或蒸气态物质在气相或气固相界面上反应,使其生成固态沉积物的技术.根据沉积过程主要所依据的物理、化学过程的不同,气相沉积可分为物理气相沉积(Physicial Vapor Depositi on,简称P VD )和化学气相沉积(Che m ical Vapor Depositi on,简称CVD )两大类.物理和化学手段的日益结合,使化学气相沉积技术成为一种即传统又现代的制备技术.CVD 技术主要具有以下特点:①保形性好;②适用面广;③主副产物易分离;④应用方式灵活;⑤操作容易控制.目前,国内还较少运用CVD 技术来改变活性炭的性能[39],但在国外,活性炭后期研究中应用CVD 技术却较广泛[40-42],主要应用于制备碳质分子筛、催化剂和改善活性炭及ACF 性能等方面.3.2.3 浸渍法 浸渍技术是制备专一性活性炭产品最常用的处理技术,在AC 改性技术中占有重要的地位,对此,国内外相关文献报道较多.浸渍方法是AC 改性技术中最基本的方法之一,该方法主要通过改变AC 表面的化学性质,包括改变其表面官能团、表面杂原子和表面化合物等方式来影响AC 的性能,尤其是对AC 化学吸附性能的影响,该方法不仅常用于液相领域,而且在气相领域也有独特的应用,如Zhu 等[43]分别用w =4.0%的Na 2CO 3和w =2.5%的K OH 浸渍处理AC,然后,对烟道气进行净化吸附,结果发现,浸渍改性后的AC 对NO 和S O 2的去除能力可达5.8%,其性能明显优于未改性的活性炭.AC 的性能是由其孔隙结构和表面化学性质两方面决定的,应用目的不同,对两方面的要求也不同,例如,气相分离侧重AC 的孔形态(表面积和孔径分布);而对用于液相吸附或作催化剂载体的AC,由于其表面的化学特性对吸附性能和催化性能会有显著的影响,因而,对此类AC 的表面化学特性要求较高.浸渍技术是改变AC 表面化学性质和化学环境的有效途径,因此,它在提高吸附选择性、吸附效率和制备碳基催化剂、碳基复合试剂等方面均有广阔的应用空间.4 结 语近些年,在高密度储气、超高电容器开发、高效吸附等相关需求的推动下,高性能活性炭的研究与开发日益受到国内外的广泛关注,并成为炭材料研究的热点领域之一.97 第1期 窦智峰等:高性能活性炭制备技术新进展08海南大学学报自然科学版 2006年 高性能活性炭要求具有高比表面积、合理的孔径分布以及良好的表面特性.近些年,虽然高性能活性炭的制备技术已取得了很大的进展,如以石油焦为原料,用K OH作活化剂已制备出微孔发达、比表面积达3000m2・g-1的超级活性炭等等,但高性能活性炭的制备技术及其应用还有很多有待解决的问题,例如用K OH活化法能制备出高性能的活性炭,但由于碱用量较大,设备腐蚀严重,制备成本较高以及环境污染严重等问题,从而使该法难以得到广泛应用,因此,降低用碱量已成为改进的方向.物理活化、催化活化等方法具有更大的开发和应用潜力,但需要在缩短活化时间、提高产品性能等方面继续开展研究1另外,制备技术还有待相关活化、成孔机理的进一步研究,在此基础上,才能掌握孔径可调、经济可行的高性能活性炭的制备技术,这也是所有高性能活性炭开发者所共同追求的目标.参考文献:[1]LE ON Salvador,K LOTZKI N Myrna,G ARD Gary,et al.Enlarge ment of the m icr opores of a caking bitu m inouscoal by contr olled oxidati on[J].Fuel,1981,60(8):673-676.[2]P ARRA J B,P I S J J,DE S OUS A J C,et al.Effect of coal p reoxidati on on the devel opment of m icr opor osity inactivated 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