薛 勇

（晉控煤業(yè)金鼎活性炭山西有限公司，山西 大同 037001）

活性炭從本質(zhì)上講是一種多孔結(jié)構(gòu)的炭材料，因?yàn)楸旧砭哂兄l(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)、較高的比表面積和多樣化的化學(xué)性質(zhì)，在社會(huì)發(fā)展中被廣泛用于氣體的儲(chǔ)存和分離、工業(yè)催化、醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)等方面，以氣體的存儲(chǔ)而言，吸附儲(chǔ)存便主要借助活性炭對(duì)小分子氣體的吸附，加強(qiáng)活性炭的比表面積就可以更好地完成氣體的存儲(chǔ)工作。結(jié)合當(dāng)前存在的物理活化和化學(xué)活化兩種方式看，如何更好地優(yōu)化物理活化和完善化學(xué)活化，成為當(dāng)前高比表面積活性炭制備最需要考慮的問題。本文對(duì)兩種活化方法進(jìn)行一定的討論。

1 活性炭的相關(guān)概述

1.1 活性炭的基本特性

活性炭在結(jié)構(gòu)上是以石墨微晶為基礎(chǔ)的材料，內(nèi)部微晶單位體積很小，一般寬度在1.9 nm～2.3 nm、厚度在0.8 nm～1.3 nm?；钚蕴恐杏兄^多的微孔結(jié)構(gòu)，在形狀上一般有墨水瓶型和毛細(xì)管狀型等，結(jié)合化學(xué)協(xié)會(huì)使用的孔徑分類法看，孔徑小于2 nm 的為微孔、大于2 nm 且小于50 nm 的為中孔、大于50 nm的為大孔。針對(duì)高比表面活性炭而言，主要通過微孔發(fā)揮作用，所以在高比表面積活性炭的制備中要提高微孔數(shù)量，滿足各方面對(duì)高比表面積活性炭的需要[1]。

1.2 活性炭的制備原材料

結(jié)合高比表面積活性炭的制備而言，比表面積既和制作方法有關(guān)，也跟材料的性質(zhì)有關(guān)，結(jié)合目前高比表面積活性炭制備技術(shù)的研究進(jìn)展，一般在原料上分礦物類和植物類。首先，在礦物類中，當(dāng)前涉及到的制備材料有合成樹脂、煤、石油焦等，其中煤炭材料資源最為豐富，不過在煤炭特性和結(jié)構(gòu)上的影響，并不能有效提高高比表面積活性炭的制備質(zhì)量，目前石油焦有著較為廣泛的應(yīng)用。其次，在植物類中，一般有杏核、椰殼和木材等方面，結(jié)合植物類原材料的天然結(jié)構(gòu),可以更好地完成高比表面積活性炭的制備，同時(shí)還有著較高的機(jī)械強(qiáng)度。

2 化學(xué)活化方法

2.1 化學(xué)活化方法的原理

化學(xué)活化是目前常被使用的高比表面積活性炭制備方法，其本質(zhì)是結(jié)合化學(xué)試劑在炭顆粒表面的嵌入，進(jìn)而在內(nèi)部開發(fā)出豐富的微孔。該制備方式有著時(shí)間短、見效快、活化溫度低的優(yōu)點(diǎn)，不過存在一定的化學(xué)污染，最常見的活化劑為KOH，代表產(chǎn)品為AX-21 高比表面積活性炭。統(tǒng)計(jì)我國(guó)針對(duì)化學(xué)活化方法的研究，KOH 的活化機(jī)理有式（1）～式（4）幾方面：

針對(duì)式（1）、式（2）而言，會(huì)有金屬鉀的生成，具體在制備溫度大于金屬鉀的沸點(diǎn)時(shí)，鉀蒸氣會(huì)深入碳層中，從而創(chuàng)建新的孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)鉀蒸汽還會(huì)在微晶的層片中穿梭，會(huì)不斷影響芳香層片的變形，進(jìn)而完成微孔的不斷形成。針對(duì)式（3）、式（4）而言，會(huì)有K2CO3的生成，可以在活化過程中通過消耗K2CO3起到炭空隙發(fā)展的作用[2]。

2.2 化學(xué)活化方法的相關(guān)研究

為了提高化學(xué)活化的制備效果，具體有以下幾方面研究：第一，對(duì)炭化料和KOH 的混合比例進(jìn)行了研究，在實(shí)驗(yàn)下將比例定位1∶4，同時(shí)對(duì)活化溫度對(duì)空隙的影響進(jìn)行了分析；第二，在對(duì)制備效果的影響因素分析上，活化的時(shí)間、炭化料的顆粒度都會(huì)影響活化效果；第三，以ZnC2l 為活化劑進(jìn)行研究，500 ℃下制備出的活性炭，其比表面積可以高達(dá)2 500 m2/g。

2.3 化學(xué)活化方法的影響因素

以KOH 化學(xué)活化方法為例進(jìn)行分析，雖然有著制備速度快的優(yōu)勢(shì)，不過也受到很多方面的影響，具體有以下幾方面：第一，該方法對(duì)KOH 的消耗量較大，所以在成本方面會(huì)影響化學(xué)活化方法的應(yīng)用；第二，KOH 會(huì)在一定程度對(duì)機(jī)械設(shè)備造成腐蝕，而且活性炭在制備后還需要進(jìn)行水洗工作，在廢水處理過程中容易造成環(huán)境污染；第三，在化學(xué)活化中會(huì)出現(xiàn)鉀，容易和空氣出現(xiàn)反應(yīng)，有著一定的安全隱患。

3 物理活化方法

3.1 物理活化方法的原理

對(duì)于活性炭的物理活化方法而言，其原理是借助水蒸氣、二氧化碳等氧化性氣體和碳材料中的碳原子反應(yīng)，在經(jīng)過開孔過程、擴(kuò)孔過程和創(chuàng)新孔的過程下，會(huì)生成眾多的微孔。與上述化學(xué)活化的方法比較，有著制備簡(jiǎn)單、污染小的特點(diǎn)，而且活性炭無需進(jìn)行清洗工作，有著較高的制備和使用效率。目前物理活化方法中，一般使用水蒸氣和二氧化碳作為活化劑，結(jié)合二氧化碳分子和水分子的差異性，在二氧化碳分子大不易在炭顆粒孔道中擴(kuò)散時(shí)，通過一定的活化溫度設(shè)定，水蒸氣的活化效果明顯高于二氧化碳活化劑[3]。

3.2 物理活化方法的相關(guān)研究

當(dāng)前在微孔的生成方面，部分學(xué)者的觀點(diǎn)還存在分歧，具體有以下幾方面：部分學(xué)者在研究中表示，相同的燒失率下，水蒸氣活化所得到的活性炭具有更高的吸附能力，同時(shí)孔的分布較寬、微孔的孔徑較大；另一部分學(xué)者認(rèn)為，二氧化碳在擴(kuò)孔方面的能力更勝一籌，且中孔和微孔的比例更高，有著更強(qiáng)的吸附效果；一些研究中發(fā)現(xiàn)水蒸氣制備下的活性炭有著更高的BET 比表面積；一些研究中發(fā)現(xiàn)，二氧化碳制備下的活性炭有著較大的微孔體積和較小的微孔直徑。

3.3 物理活化方法的影響因素

針對(duì)物理活化方法而言，會(huì)受到活化時(shí)間、溫度和活化劑等方面的影響，不僅會(huì)制約高比表面積活性炭的制備質(zhì)量，也在時(shí)間需求長(zhǎng)和成本高的特點(diǎn)下制約物理活化方法的應(yīng)用。結(jié)合高活化溫度下的水蒸氣反應(yīng)速度快的特點(diǎn)，在實(shí)際實(shí)踐中卻無法對(duì)反應(yīng)過程進(jìn)行控制，所以一般使用二氧化碳作為活化劑，不過在活化時(shí)間上較長(zhǎng)，無法滿足制備的需要。

4 結(jié)語

綜上所述，結(jié)合目前高比表面積活性炭的實(shí)際應(yīng)用情況看，可以高效運(yùn)用在變壓吸附分離氣體和氣體燃料的吸附儲(chǔ)存上，同時(shí)在軍事、醫(yī)療、和工業(yè)催化等方面也有著重要價(jià)值。在高比表面積活性炭有著重要應(yīng)用價(jià)值下，需要對(duì)其制備技術(shù)進(jìn)行有效的選擇和優(yōu)化：首先，在制備方法的選擇上。需要結(jié)合物理、化學(xué)活化方法的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)參考實(shí)際對(duì)高比表面積活性炭的需求，對(duì)活化方法進(jìn)行合理選擇；其次，在制備方法的優(yōu)化中。需要注重化學(xué)活化方面的環(huán)境污染優(yōu)化和物理活化方面的時(shí)間縮短優(yōu)化、成本優(yōu)化。只有積極做好制備技術(shù)的優(yōu)化和選擇，才可以更好地促進(jìn)高比表面積活性炭制備技術(shù)的發(fā)展。