活性炭的制備方法

1、炭化法

炭化是除去了原材料中的揮發成分，得到一定初始孔隙和一定機械強度的炭材料。炭化實質是原材料中有機物的熱解過程，包括熱分解反應和縮聚反應。

木材在熱分解過程中較激烈的分解溫度一般分為如下幾個區間：半纖維素200-300℃，纖維素325-375℃，木質素250-500℃。按照Bacon、Brunner和Roberts的觀點以及本實驗用到的椰殼熱解曲線，認為椰殼的熱解主要分如下幾個階段進行：

一階段：低于150℃，主要為脫出結構中以物理方式吸附的水。

二階段：150-240℃，通過羥基縮合反應脫出結構水。前兩個階段在反應中表現為放出大量的水汽，和劇烈的吸熱。

三階段：240-400℃，主要發生大分子鏈的斷裂、解聚反應，以及環結構單元碳氧和碳碳鍵的斷裂過程。因此，反應開始析出大量的揮發分及焦油（霧）；同時體系伴有強烈的放熱現象。

四階段：400-700℃，為各階段產物的芳構化過程，且仍有少量揮發分析出，雖然450℃時反應的失重已很小，但此溫度后，繼續提高炭化溫度有助于改善產物的有效孔結構。

2、活化法

活性炭的制備方法目前主要有物理活化法和化學活化法。

物理活化通常采用氧化性氣體，通過這些氣體使原料中的碳原子部分氣化，在炭化料內部形成新孔，或者擴大原來的孔，從而形成發達孔隙結構。

化學活化是采用不同的化學藥品浸漬炭材料，通過化學反應，與材料中的炭反應，在一定溫度下完成炭化和活化。

① 物理活化

物理活化是指用二氧化碳、水蒸氣、空氣等氣體作為活化劑來制備活性炭。原材料內部碳原子與活化劑發生反應，并以氣態形式逸出，在碳原子位置上就出現了空位，這樣一些孔就形成。隨著更多的碳原子參與反應，在碳材料內部就形成了豐富的孔結構。

為了克服活化劑與原料反應速度過快的不足，Xiang-fen Dai采用低濃度氧氣作為活化劑來制備活性炭，氧氣濃度控制在2%-11%，得到活性炭的比表面積可以超過500m²/g，活性炭產率在24%-30%。

F.Rodriguez-Reinoso研究了二氧化碳和水蒸氣活化橄欖核，認為整個過程是二氧化碳活化先開孔，再擴孔，而在水蒸氣活化初始階段就開始擴孔。在相同燒失率下，水蒸氣活化得到活性炭微孔體積小于用二氧化碳活化，但將用惰性氣體稀釋水蒸氣后，再相應提高活化溫度，便可得到與二氧化碳活化微孔體積相同的活性炭，得出結論：用水蒸氣活化，能獲得較多中孔和大孔。

J.Pastor-Villegas的研究也得到相似結論：在活化溫度為700-850℃時，水蒸氣和二氧化碳活化都可以得到具有豐富孔結構的活性炭，但是二氧化碳活化得到活性炭中，微孔比例明顯高于水蒸氣的，尤其在700℃時這種差異較為明顯。

天津大學王寧等人，以越南椰殼為炭化料，將原料加入立式反應器內，首先向反應器內通入氮氣以驅趕其中空氣，30分鐘后開始加熱，升溫至900℃然后通入水蒸氣活化活化一定時間后，在氮氣保護下降至室溫。活性炭經過活化后，顆粒的孔徑和體積增加，使顆粒孔隙率增加。在900℃時，用水蒸氣活化椰殼炭化料，可以在1-2個小時的活化時間內使活性炭比表面積達到1500m²/g，孔徑集中在2nm以下。

② 化學活化

化學活化是通過化學試劑浸入炭材料內部結構中，通過一系列的交聯或縮聚反應而開創出豐富微孔。與物理活化相比，化學活化生產周期明顯縮短，目前，國內外利用化學活化制備活性炭的工藝已經相當成熟。常用化學活化劑有KOH、ZnCl₂、H₃PO₄等。

應用較為廣泛成熟的是采用ZnCl₂活化，通過ZnCl₂一步碳化就可以獲得較高的產率、較好的空隙。F.Rodriguez-Reinoso等人采用了幾種木質素為前驅體通過與氯化鋅溶液浸漬在85℃下7小時，然后在惰性氣氛下500-800℃下碳化，并在文中提出了氯化鋅活化機理，但此活化并不利用中孔的產生。

M.A.Lillo-Rodenas等人以被軟化的同向石油瀝青為原料，與氫氧化鉀機械混合，然后在氮氣氣氛下加熱至800℃，得到的活性炭的比表面積達到3000m²/g，微孔孔容為1.12cm³/g。

Badie S.Girgis等人，以棉花莖為原料，每克原料加入2.5ml不同濃度的磷酸，放入管式爐和馬弗爐分別加熱到500℃保溫2小時和先加熱到200℃在升溫到500℃，經過實驗驗證了熱解過程與相應的TG分析吻合。

Hsisheng Teng等人采用磷酸活化澳大利亞煙煤，在氮氣條件下，在400-600℃活化1-3個小時，得到活性炭的比表面積和孔容是隨著磷酸和煙煤的浸漬比增加而增加，在活化溫度活化500，活化3小時得到較大的比表面積1600m²/g和孔容1.22ml/g值。國內昆明理工大學張利波等人通過磷酸對煙草桿的活化，得到了中孔率達62.85%，探索出了較佳工藝條件：H₃PO₄質量分數30%，浸漬時間48h，炭化溫度750℃，保溫時間20min；該條件下制備出的活性炭其碘吸附值為889.36mg/g，亞甲基藍吸附值為21.5ml/（0.1g），得率為36.90%。

物理活化與化學活化相比，前者主要是水蒸氣、二氧化碳等氣體作為活化劑，通常是炭化后才通氣活化，這個過程對加熱器件無腐蝕作用，但該過程需要加熱的溫度高，而且反應時間較長，現在一般不單獨使用。化學活化其化學試劑能快速與原料反應，在短時間就可以獲得活性炭，而且需要的溫度不高。所以選擇節約生產時間的化學活法，但是為了進一步增加孔徑達到中孔集中分布，將磷酸活化與水蒸汽活化作用結合，以優化中孔率。