碳罐用活性炭的制备及应用进展

摘 要：活性炭具有较强的吸附性和催化性能，原料充足且安全性高，耐酸碱、耐热、不溶于水和有机溶剂、易再生等优点。是一种环境友好型吸附剂。活性炭广泛用于工业三废治理、溶剂回收、食品饮料提纯、载体、医药、黄金提取、半导体应用、电池和电能贮存等。调整活性炭的孔隙结构，对表面基团进行改性，对提高其特殊性能和特定吸附催化作用具有十分重要的作用。本文主要分析提高活性炭吸附性能的有效途径及其在净水处理、废水处理、气相吸附等方面的应用研究进展，并指出了活性炭应用领域中有待解决的问题和今后的发展方向。

关键词：活性炭;废弃物;制备;方法

1 原料的研究现状

早期制备活性炭的主要原料是木材、锯屑、果壳等林产品，由于资源有限，原料的来源逐步转向储量丰富、价格低廉的煤炭。以煤为原料制备活性炭发展很快，应用范围和数量迅速扩大， 目前煤质活性炭产量已经超过了木质活性炭。近年来，已研究出用农林副产品、劣质煤和煤矸石等许多含碳的工业废料，制造价格低廉或具有特殊性能的活性炭。国内外利用废弃材料制备活性炭，以谋求廉价原料的探索受到了重视，如采用废塑料、废橡胶、纸浆废液、石油副产品等原料制得的活性炭，有的已投入应用，这种有效地变废为宝的方法前途甚广。20世纪80年代，有人研究了以有机树脂（树脂前驱体如苯乙烯 二乙烯苯共聚物，聚偏二氯乙烯，聚丙烯酯等） 为原料合成活性炭，这种活性炭纯度高，机械强度优于普通煤质活性炭，并且具有孔径分布可控的优点，广泛用于生物医学领域。

2 活性炭的制备方法

2.1 化学活化法

该方法采取的一般工艺步骤是，先用化学试剂浸渍含碳原料，然后在一定温度惰性气体保护下活化，直接得到活性炭。以石油焦为原料，用KOH活化得到比表面积为3300m2/g左右的活性炭。有人以煤为原料，先用化学方法经酸处理去除其中的无机矿物质，再用 磷酸等化学试剂 （如ZnC12、KOH、NaOH、K2CO3等）浸渍，然后在氮气保护下活化，制得品质好、灰分少、体积收缩和碳挥发损失倾向小的活性炭。关于化学活化机理，Otowa T等认为，在高温下化学试剂与碳可以实现焦油的脱氢交联、碳的催化气化和熔出硅鋁。目前，KOH碱溶法是最有效提高活性炭比表面积的方法。特别是对较难活化的石油焦、石油 沥青、煤沥青等原料，用KOH作活化剂可制得超高比表面积活性炭—超级活性炭。该方法的优点是： 不同活化剂及其用量可制得孔径分布及表面化学性质不同的活性炭，对活性炭的孔径分布控制更加容易。

2.2 物理活化法

物理活化法是将炭化材料在高温下用水蒸气、二氧化碳或空气等氧化性气体与炭材料发生反应，在炭材料内部形成发达的微孔结构。炭化温度一般为600℃，活化温度一般在800～900之间。 物理活化法制备微孔活性炭的工艺已比较成熟，特别是用于制备价格低廉的煤质活性炭，效果非常显著。但此过程中原料活性低，所需活化时间较长，微孔孔径分布较难控制，制得活性炭的质量不稳定，比表面积较低，且中孔不够发达，限制了活性炭的应用。

2.3 化学物理法

一般认为采用活化前对原料进行化学改性浸渍处理，可使原料活性提高，并在碳材料内部形成传输通道，有利于气体活化剂进入孔隙内进行刻蚀。用HClO4或Mg（ClO4）2浸渍无烟煤，然后用CO2在850℃下活化，制得微孔和中孔均比较发达的活性炭材料。在研究活性碳纤维的制备工艺中发现，炭纤维经铵盐混合溶液浸渍处理后再进行物理活化，可以明显提高活性碳纤维的比表面积及活化得率，提高微孔在活性炭纤维中的比例，且浸渍处理时间对活性炭纤维比表面积和得率有很大影响。化学物理活化法可通过控制浸渍比和浸渍时间制得孔径分布合理的活性炭材料，且所得活性炭既有很高的比表面积又含大量中孔，可显著提高活性炭对液相中大分子物质的吸附能力。此外，利用该方法可在活性炭材料表面添加特殊官能团，从而可利用官能团的化学性质，使活性炭质吸附材料具有化学吸附作用，提高其对特定污染物的吸附能力。

2.4 催化活化法

高比表面积活性炭材料的孔径大多集中在微孔（<2nm） ，对气体或液体中小分子的吸附比较有利，但对一些聚合物、有机电解质和无机大分子的吸附性能较差，因此采用特殊方法制备中孔（2～50nm） 发达、高比表面积活性炭材料成为人们研究的热点。在研究焦炭气化反应时，发现载有添加剂Ni的焦炭部分气化后在焦炭中出现了10nm左右的中孔。以金属有机化合物（二茂铁）为添加剂，加入到中温煤沥青中利用乳化法制成含铁沥青微球，活化后制得比表面、中孔比表面积及中孔容积均比较发达的沥青基球状活性炭。结果表明，加入二茂铁所得活性炭不仅出现了2nm和4nm的中孔，且在3050nm的中孔也比较发达。催化活化法制得的中孔活性炭中不可避免地会残留部分金属元素，这种活性炭用于液相吸附时，金属元素可能以离子形式进入溶液，尽管其含量很低，但在某些情况（如血液净化）下却非常有害。因此，研究开发不含金属离子的中孔活性炭材料，仍然是活性炭吸附材料的研究热点和难点。

2.5 模板法

在无机物模板内很小空间（纳米级）中引入有机聚合物并使其炭化，然后用强酸将模板溶掉后即可制得与无机物模板的空间结构相似的多孔炭材料，该方法可制得孔径分布窄、选择吸附性高的中孔活性炭材料。利用硅凝胶微粒（100～200目，比表面积470m2/g，，孔径4.7nm）作为模板，制成了比表面积1100～2000m2/g，孔径为1～10nm，并集中在2nm的窄孔径分布的活性炭材料。将聚呋喃甲醇加入到用溶胶—凝胶法制成的硅溶胶中组成复合物，在120℃处理2h后再经800℃炭化，用HF去除硅后得到比表面积为1060m2/g，中孔率为60% 以上的中孔活性炭材料。利用模板法制备活性炭的优点是可以通过改变模板的方法控制活性炭的孔分布，但该方法的缺点是制备工艺复杂，需用酸去掉模板，使成本提高。

3 结语

活性炭具有吸、脱附速度快，可再生等优点，在环保领域日益显示出其主导地位，越来越受到人们的重视。如何设计制备出不同种类和不同用途的特效负载活性炭，将是未来活性炭研究的热点，也是拓宽活性炭应用范围的一个重要途径。加强对负载活性炭及其吸附机理的系统研究，使之成为一种选择性好，吸附能力强，应用广泛的新型吸附材料。

参考文献：

[1]李旋坤，司知蠢，刘丽萍，etal.碳罐用活性炭的制备及应用进展[J].科技导报.

[2]魏娜，赵乃勤，贾威.活性炭的制备及应用新进展[J].材料科学与工程学报.

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