【研究报告】碳储能材料制备方法之「活性炭」

烯碳资讯 2021-11-21 10:19:00



小烯导读

活性炭是通过把木材、煤、泥炭等许多来自植物的、成为碳前驱体的原材料,在几百摄氏度的温度下炭化以后,在进行活化而制成的。其中活化是很重要的一步。


活性炭的制备技术和发展现状分析


一、活性炭的制备原理


活性炭是通过把木材、煤、泥炭等许多来自植物的、成为碳前驱体的原材料,在几百摄氏度的温度下炭化以后,在进行活化而制成的。炭化在惰性氛围气中进行,原材料经过热分解放出挥发分而变成炭化产物,此刻的炭化产物的比表面积只有每克几十平方米左右。而具有发达的孔隙及其相应比表面积的活性炭是需将该炭化产物用水蒸汽、二氧化碳或化学药品(如氯化锌)在高温条件下进一步活化而成。活化后的活性炭再根据需要制成不同形状和大小的产品。其中活化是很重要的一步。


二、活性炭的制备方法


气体活化法

所谓的气体活化工艺,就是让炭化后的碳材料与活化气体进行反应以形成孔隙的工艺,这是一种物理活化法。最常见的活化气体是水蒸气、二氧化碳以及它们的混合气体。


孔隙的生成与炭的氧化程度有密切的关系,而炭的氧化必然要消耗炭,因此常用烧失率,即活化期间炭减少的质量分数来度量炭的活化程度。杜比宁(Dubinin)认为,烧失率小于50%,得到微孔活性炭;烧失率大于75%,得到大孔活性炭;烧失率介于两者之间时,得到的是混合结构。


水蒸气活化法的基本反应,也表示水煤气的反应。因为氧在活化温度下会侵蚀炭,使炭表面积烧失,从而降低活性炭的产率,所以它是在隔绝氧气和750~950℃的条件下完成的。研究表明,碳与水蒸气的反应受炭材所含灰分中的金属及金属氧化物的催化作用影响,使气化反应显著提高,因此,反应时常加入金属催化剂。


二氧化碳活化法实际上是使用烟道气作为活化剂,其中还混杂着大量的水蒸气,很少单独使用二氧化碳气进行活化。一般用碱金属的碳酸盐做催化剂,温度控制在850~1100℃之间。


混合气体活化法经常采用空气与水蒸气、烟道气与水蒸气、烟道气与氧气等混合气体进行活化或两种活化介质交替进行活化的方法。这种方法对气体进行适度比例混合,对不同的原料炭的不同活性点运用不同的混合气体,从而使活化温度稳定,活化均匀,活化产量提高。


化学活化法

化学活化法是将各种含碳原料与化学药品均匀地混合或浸渍后,在适合的温度下,经过炭化、活化与回收化学药品等过程制取活性炭的一种方法。所用的化学药品一般是氯化锌、磷酸和碱。


氯化锌法活性炭生产是用木屑原料经过氯化锌溶液浸渍、炭化、活化、回收氯化锌、烘干、粉磨等过程而成。比起气体活化法其原料消耗少,产品得率高,灰分低,控制锌屑比可以生产出不同孔径的活性炭,所以氯化锌法生产的活性炭产品受到用户欢迎。但从环保角度看,氯化锌法生产污染比较严重,并非不可治理。影响氯化锌法活化过程的主要因素除了锌屑比,还有原料,活化温度和活化时间的影响。


磷酸法生产活性炭和氯化锌法相比,污染较小且产量大。磷酸法炉温在400~500℃,相比于氯化锌法的500~600℃,工艺温度降低了不少。


磷酸法最大的缺点是灰分高,而磷酸法有产品得率高,活化温度低,消耗燃料省,成本比较低,污染少,这些都是磷酸法的优点,因此这些年来有不少原生产氯化锌法的活性炭厂家转向磷酸化生产。


碱法生产活性炭和前两个化学法相比,它不直接采用木屑为原料,而是先将木屑炭化后而加以利用。在制备工艺上,原则上要求碱炭比2~3:1,活化温度600~800℃,时间2~3小时。如氢氧化钾活化法制备活性炭时,活化后的洗涤是关键。未洗时,产品的孔很少,先后经过酸水洗,热水洗,蒸馏水洗,把产品中的非本体物质洗去,它们原来占据的空间就形成了孔。因此,虽然洗涤较复杂,但一定要反复洗涤,直到洗干净为止。


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