活性炭的制備原料及制備方法

活性炭是一種含碳材料制成的外觀呈黑色，內部孔隙結構發達，比表面積大、吸附能力強的一類微晶質碳素材料，是一種常用的吸附劑、催化劑或催化劑載體。

一、活性炭的制備原料

活性炭的結構特性依賴于前驅體的性質、原料的炭化、活化和化學的調整條件。選擇合適的原料是影響活性炭性質的一個重要因素，活性炭可用各種類型的碳質材料來制備，原料來源非常廣泛，可分為以下幾大類：

有機高分子聚合物，如薩蘭樹脂、酚醛樹脂、聚糖醇等；

植物類，主要利用植物的堅果殼或核，如核桃殼、杏核、椰殼等；煤及煤的衍生物，如各種不同煤化度的煤及其混合物。

活性炭原料一般以低灰分、高含碳量以及盡可能低的揮發分為最佳。較好的原料主要是煤（褐煤、長焰煤、煙煤、無煙煤）、木材、果殼。

由于煤來源廣泛、價格低廉、制備工藝相對簡單而應用較多。煤的主要成分是碳，表面化學性質活潑，孔隙率高、比表面積大，其多孔結構有利于制成活性吸附材料。在以煤為原料制備活性炭的技術開發方面，德國、日本、美國、俄羅斯和中國已做了大量的研究工作，并取得了一定成果。

二、活性炭的制備方法

活性炭的制備方法主要可以分為：碳化法、活化法、碳沉積法、熱收縮等方法。

一般制備活性炭的基本工藝如上圖，其中預處理、活化和碳沉積是選用步驟。

1、碳化法

定義：將碳質原料置于惰性氣氛中，以適當的熱解條件得到碳化產品的方法。

基本原理：基于加熱過程中各基團、橋鍵、自由基和芳環等復雜的分解聚合反應，表現為碳化產物的孔隙發展、孔徑的擴大和收縮。在碳化過程中，碳質原料中的熱不穩定組分以揮發分形式脫出，從而在半焦上留下孔隙。

適用情況：適用于高揮發分原料，是所有其他方法的基礎。影響碳化過程的主要因素是升溫速率、碳化溫度與恒溫時間。采用的升溫速率一般在5~15℃/min，碳化溫度多在500~1100℃，恒溫時間為0.5~2h。

2、活化法

定義：將碳質原料置于活性介質中加熱平緩處理，以發展其孔徑的方法。

基本原理：基于碳質原料部分碳的燒失，使封閉的孔得以打開，從而使其孔隙結構得到發展，孔徑大小達到所需要的范圍。常用的活化劑有空氣、CO2、水蒸氣、H3PO4、KOH、NaOH等。工業實踐中多采用簡便易得的水蒸氣進行活化。

適用情況：適用于氣孔率較小且揮發分較低，或氣孔率較高但孔徑較小的碳質原料。

3、碳沉積

定義：指在高溫下通過烴類或高分子化合物的裂解，在多孔材料的孔道內積碳，以達到堵孔、調孔的作用。

特點：其工藝復雜、操作條件嚴格、實際生產成本較高。碳沉積常分為氣相(CVD)與液相沉積(LVD)。對于氣相沉積過程，氣體在反應爐中的濃度較均一，能有效地控制孔徑，但不足之處是需外加沉積氣源發生裝置，還需調節流量，不利于操作；液相沉積對工藝要求較低，操作較容易。

4、熱收縮法

定義：即熱縮聚法，是指碳質材料經碳化、活化后，在1000~1200℃的高溫條件進一步熱處理的過程，從而達到縮小孔徑的目的。

5、其他方法

還有一些制備活性炭的新工藝和方法，如等離子體法、鹵化法、模板法、微波加熱法等。實際生產活性炭的工藝過程中，為了獲得性能優良的活性炭，通常將以上方法綜合起來應用。

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