王學(xué)忠+趙乾

摘 要：隨著科技的進(jìn)步，活性炭在生活和工業(yè)中的應(yīng)用逐漸寬泛和拓展，然而，傳統(tǒng)的活性炭含有不同的孔徑，并且孔徑分布也處于極不均衡的狀態(tài)，這就對活性的拓展應(yīng)用起到了較大的限制作用，不能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)行業(yè)發(fā)展的需求。為此，本文重點探索制備均一活性炭的工藝，通過分析制備過程中的溫度、時間、比例、炭化速率等因素，研究制備工藝對活性炭中孔分布的影響，以更好地實現(xiàn)對活性炭孔徑分布的微調(diào)。

關(guān)鍵詞：制備；工藝；活性炭；孔徑；分布；影響

中圖分類號： TQ424.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2017）05-189-2

0 引言

活性炭又名多孔碳，在科技進(jìn)步的態(tài)勢下，它在各個應(yīng)用領(lǐng)域大顯身手，以其發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和超強(qiáng)的吸附特征，成為了工業(yè)行業(yè)應(yīng)用中的“佼佼者”。然而，傳統(tǒng)的活性炭盡管具有多孔性能，但是，它的孔徑分布極不均勻，難以達(dá)到工業(yè)行業(yè)生產(chǎn)的要求。因而，對活性炭孔徑分布的研究成為業(yè)界關(guān)注的焦點，著眼于對活性炭孔徑的規(guī)整性調(diào)整，需要分析制備工藝對活性炭中孔徑分布的影響，更好地對活性炭的孔徑加以微結(jié)構(gòu)定向調(diào)整，并對孔徑分布實施集中有序的調(diào)控，從而使活性炭的催化性能和選擇性應(yīng)用更具有優(yōu)勢和效果。

1 活性炭概念概述

隨著化工行業(yè)的迅速發(fā)展，我國的活性炭年產(chǎn)量獲得了極大的提升，成為了活性炭生產(chǎn)和出口大國，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域之中?；钚蕴烤哂凶陨硖厥獾慕Y(jié)構(gòu)和性質(zhì)，主要表現(xiàn)為以下幾個方面。①晶格結(jié)構(gòu)。在活性炭的基本炭質(zhì)構(gòu)成之中，沒有石墨化的非晶炭質(zhì)和已經(jīng)石墨化的活性炭微晶是主要成分，它們相互鏈接，組成了特殊的孔隙結(jié)構(gòu)及不同的形態(tài)。它是屬于無定形碳的多相物質(zhì)。②孔隙結(jié)構(gòu)。由于活化的作用，含有的碳有機(jī)物和無序炭得以剔除，生成了活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)。它可以極大地影響活性炭的吸附性能。在制備的過程中，可以通過不同的反應(yīng)條件，重點考慮其孔徑分布和孔容積，從而實現(xiàn)對活性炭的孔結(jié)構(gòu)的規(guī)整化。③化學(xué)性質(zhì)?；钚蕴看蠖嘤商紭?gòu)成，并表現(xiàn)出疏水性吸附的性質(zhì)。同時，還摻雜有氫、氧等化學(xué)結(jié)合元素以及少量的灰分，這主要是由于活性炭容易受到氧化，因而生成多樣性的官能團(tuán)。

2 活性炭制備工藝對孔徑分布的影響分析

用于制備活性炭的材料極為寬泛，只需在炭化工藝下生成豐富孔隙結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)材料，都可以成為制備活性炭的來源和渠道。這些用于制備活性炭的原料有不同的種類，主要包括以下幾類。①植物類制備原料。主要是利用農(nóng)林產(chǎn)品的廢棄物，實施初步的炭化反應(yīng)，利用制備工藝技術(shù)加以制備，在這個制備原料之下，可以獲得發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)的活性炭。如椰子殼、核桃殼、竹子等。②煤炭類制備原料。充分利用我國豐富的煤炭資源，運(yùn)用制備工藝技術(shù)，制成高強(qiáng)度、吸附性能強(qiáng)、孔隙大小可控的活性炭。并且，還可以利用煤炭開采過程中的低品質(zhì)成分如煤矸石、劣質(zhì)煤，加以制備，可以降低制備成本，也是治理環(huán)境污染的一種有效手段。③石油類制備原料。石油煉制中產(chǎn)生的副產(chǎn)物——石油焦，可以運(yùn)用制備工藝技術(shù)，制備出高純度的活性炭，它極大地提升了石油焦廢料的附加值，成為了活性炭制備的拓展性渠道。然而，這種制備原料的活性炭生產(chǎn)成本較高，局限于特殊的應(yīng)用領(lǐng)域。④塑料類制備原料。粉末狀的酚醛樹脂可以制備出具有獨(dú)特孔隙結(jié)構(gòu)的活性炭，制備成的活性炭可以應(yīng)用于凈水器、氨氣發(fā)生裝置之中。如聚乙烯、樹脂等。⑤含碳廢棄物。這些原料既可以成為活性炭制備的拓展性來源，如廢舊輪胎、污水治理剩余的污泥、鋼鐵生產(chǎn)排放的粉塵等，這些廢棄物不僅可以應(yīng)用于活性炭的制備應(yīng)用過程，而且也可以減少對環(huán)境的污染性影響。

2.1 物理活化法

在對活性炭的制備工藝中，物理活化法是一種傳統(tǒng)的制備工藝，利用加熱反應(yīng)，在氮?dú)獗Ｗo(hù)環(huán)境下，使水蒸氣、CO2與原料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，制備生成活性炭。這是一種無須化學(xué)試劑的制備工藝，它的原理實質(zhì)是實現(xiàn)碳的氧化反應(yīng)，在對含碳有機(jī)物充分炭化的條件下，加熱到一定溫度，從而使炭化料與碳產(chǎn)生活化反應(yīng)，并在反應(yīng)逐漸加深的過程中，生成孔隙結(jié)構(gòu)。

2.2 化學(xué)活化法

這是一種傳統(tǒng)的活性炭制備工藝，要添加化學(xué)試劑，如氯化鋅、磷酸、氫氧化鉀等，實現(xiàn)對活性炭的制備。具體如下：①氯化鋅活化法。首先要將含碳原料與氯化鋅相混合，并加熱至一定的溫度，產(chǎn)生熱分解反應(yīng)，再歷經(jīng)一系列的工藝流程，實現(xiàn)對活性炭的制備。其適宜的加熱溫度為600～700℃，制備效率較高，生成的碳微晶較小，并且可以循環(huán)回收利用。②磷酸活化法。磷酸作為制備活性炭的原料，可以產(chǎn)生酸催化作用和脫水功能，在磷酸與無機(jī)物作用生成磷酸鹽的過程中，會使活性炭的微晶距離增大，而生成新的孔隙結(jié)構(gòu)。③氫氧化鉀活化法。這是一種制備高比表面積的活性炭制備工藝技術(shù)，通過添加氫氧化鉀等堿性化合物，可以分解成CO2氣體，增強(qiáng)活化作用，從而更好地增強(qiáng)活性炭的吸附性能。

2.3 物理—化學(xué)活化法

這也是一種較為傳統(tǒng)的活性炭制備工藝，是將物理活化法和化學(xué)活化法相結(jié)合使用的制備方法，它是將原料與藥品成一定比例浸漬，再經(jīng)過加熱烘干處理，之后與活化氣進(jìn)行活化反應(yīng)，生成活性炭。

2.4 催化活化法

這是一種新興的活性炭制備方法。它是將具有催化活性的金屬化合物添加入炭原料中，增加微孔徑表面的活性點數(shù)量，并在活化反應(yīng)中產(chǎn)生選擇性的氣化作用，最終達(dá)到增大微孔徑尺寸的目的。然而，這種制備工藝難免會遺留一些金屬元素，當(dāng)它被液相吸附時，就會以離子的形式與溶液反應(yīng)，因而，還需要進(jìn)一步探究其他制備技術(shù)。

2.5 有機(jī)凝膠炭化法

這也是一種新興的活性炭制備工藝技術(shù)。它替代了金屬離子作為添加劑，而采用控制凝膠化前的碳源前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)方式，實現(xiàn)對活性炭孔徑大小的控制，它在一定程度上減少了金屬離子的殘留反應(yīng)，可以較好地避免催化活化法的應(yīng)用缺陷。然而，它也有其自身的局限性，主要表現(xiàn)在對凝膠制備的過程中，需要使用堿性催化劑，而對這種堿性催化劑的濃度控制較為困難。

2.6 模板法

這也是一種新型的活性炭制備工藝。它以特殊孔隙結(jié)構(gòu)的材料為模板，如表面活性劑膠束、微乳液等，這些具有特殊孔隙結(jié)構(gòu)的材料具有結(jié)構(gòu)可變性大的特點，對于導(dǎo)入目標(biāo)材料的反應(yīng)過程可以加以有效地控制，它也是控制活性炭中孔率和孔結(jié)構(gòu)尺寸的最具有潛能的工藝。

3 活性炭的廣泛應(yīng)用分析

①活性炭應(yīng)用于氣相吸附?；钚蕴靠梢詰?yīng)用于氣相吸附，實現(xiàn)氣體的凈化和分離、溶劑回收再利用等領(lǐng)域，另外，還可以作為高效氣體擴(kuò)散泵中的微量氣體吸附劑。②活性炭應(yīng)用于液相吸附?；钚蕴繎?yīng)用于水處理領(lǐng)域尤其寬泛，其表面的疏水性可以使其從水溶液中吸附物質(zhì)，使水溶液得以凈化。如食品行業(yè)的液相脫色精制；制藥行業(yè)中的液相精制；石油化學(xué)行業(yè)中有機(jī)硫化物的脫色處理；冶金工業(yè)中對貴金屬的提取處理等。③活性炭應(yīng)用于催化劑?；钚蕴靠梢詥为?dú)成為一種催化劑，如氯氣與CO在活性炭的催化作用下，產(chǎn)生光氣；活性炭還可以應(yīng)用于催化劑載體，如活性炭負(fù)載醋酸鋅作為催化劑；活性炭負(fù)載納米ZnO作為強(qiáng)氧化劑等。④活性炭應(yīng)用于儲能領(lǐng)域。活性炭可以應(yīng)用于電池之中，為蓄電池行業(yè)帶來深遠(yuǎn)的影響。如活性炭吸附電解質(zhì)電極電容器等。

4 結(jié)束語

綜上所述，活性炭以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)而備受關(guān)注，由于傳統(tǒng)活性炭的孔徑分布極不均衡，顯現(xiàn)出與現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)需求極不適應(yīng)的問題，因而，對活性炭中孔徑分布以及對活性炭的規(guī)整化，成為了當(dāng)前研究的熱點和前沿課題。我們需要面對活性炭應(yīng)用逐漸寬泛的形勢，分析各種不同的制備活性炭的工藝和技術(shù)，以更好地制備均一孔徑的活性炭，并將其應(yīng)用于各個行業(yè)之中。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 解立平.城市固體有機(jī)廢棄物制備活性炭的研究[D].中國科學(xué)院研究生院（過程工程研究所），2003.

[2] 楊繼亮.活性炭在卷煙濾嘴及煙草加工廢水中的應(yīng)用[D].南京林業(yè)大學(xué)，2013.

[3] 王靜.濕生植物基活性炭的制備、表征及其對重金屬鎳離子吸附性能的研究[D].山東大學(xué)，2014.

[4] 王海鴻.煙氣SO2在活性炭上的吸附特性研究及應(yīng)用[D].北京科技大學(xué)，2015.