活性炭材料的制备与应用

《中空结构微纳米材料的制备与应用研究》(作者酒红芳)简要论述了中空结构微纳米材料的一些概念，对中空结构微纳米材料进行了分类，详细介绍了一些中空结构微纳米材料的制备和性能与应用研究，以及中空结构微纳米材料的发展趋势和研究动向，并提出了制备和应用申的关键问题，对中空结构微纳米材料的制备方法和形成机理进行了针对性的深入分析。

《中空结构微纳米材料的制备与应用研究》可供化学工艺、工业催化、应用化学、材料学、高分子物理与化学、晶体学、生物学、制药工程等方面工作的科技人员以及高等院校有关专业的师生参考。

煤或其他含碳物质经过炭化和活化得到的具有多孔结构的炭质材料，是具有一定形状、不溶于水和有机溶剂的黑色固体，有很强的吸附性能。

种类按制造活性炭的原料可分为植物性原料活性炭，如木质炭、果壳炭等;矿产性原料活性炭，如煤质炭、石油质炭等;动物性原料活性炭，如骨炭、血炭等;有机合成原料活性炭，如合成树脂炭、有机废料炭等。市场上常见的活性炭主要是煤质炭、木质炭和果壳炭。按制造方法不同可分为气体活化炭和化学活化炭。按用途可分为脱色炭、糖用炭、药用炭、净化炭、黄金炭、空气净化炭、溶剂回收炭、脱硫炭、催化剂载体炭等。按外观形态可分为颗粒炭(定型炭和破碎炭)和粉状炭。按活性炭处理的对象是液相还是气相，又可分别概括为液相用活性炭和气相用活性炭。

生产工艺主要有气体活化法和化学活化法2种。化学活化法是将含碳材料用化学药品浸渍后在适当的温度下，经过炭化、活化制取活性炭的一种方法，它适用于泥炭、木屑等植物性原料制成粉状炭。常用的化学药品是氯化锌、磷酸、硫酸钾和硫化钾，其中氯化锌应用最广。化学活化法具有产品收率高、活化温度低、能制得具有独特性能(过渡孔发达)的活性炭的特点，但对环境污染和对设备的腐蚀比气体活化法严重。

气体活化法是将煤等含碳材料炭化后用水蒸气、二氧化碳气等气体或它们的混合物进行高温活化制取活性炭的一种方法。它主要适宜用煤、果壳等硬质含碳材料制取颗粒炭。气体活化法生产工艺的基本内容包括原料的制备、炭化、活化和产品的后序处理。一般工艺流程如图1所示。

原料制备包括原料的破碎、筛选和变性处理，对于无烟煤或弱粘结性的烟煤，只须破碎、筛选出合适粒度的颗粒，经炭化、活化即可。若生产定型颗粒活性炭，破碎之后还要将煤磨至180目以下，再加粘结剂混捏成型;若用粘结性烟煤制定型颗粒活性炭，就须对原料进行变性处理，目的是降低煤的粘结性，避免炭化时原料膨胀变形，影响产品质量。通常可采用：①低温空气氧化;②加破粘剂破粘;③低温干馏成半焦进行变性处理。

混捏成型将制备好的煤粉加入适当比例的粘结剂和水混捏成稠度均匀的膏料，用成型设备加工成所需要的形状和尺寸。中国、日本和原苏联国家多采用液压和螺压式成型机，生产直径在1.5～5.0mm的圆柱状活性炭; 美国采用无粘结剂高压成型技术，将1～150μm的粉煤在1400kg/cm压力下挤压成直径20cm的压块，然后将压块破碎成尺寸合适的不定型颗粒，再炭化、活化生产破碎炭。

炭化生料在隔绝空气的低温条件下的干馏过程。目的是赶出生料中的部分挥发物，以形成具有初步孔隙度、致密度和足够强度的炭化料(半成品)。炭化速度和炭化最终温度须根据原料煤的性质选择，一般无烟煤可采用较快的炭化速度和较低的炭化终温(550～600℃)，高挥发分烟煤宜慢速炭化，炭化终温在600～700℃。炭化设备可选用回转炉、流动炉或多段炭化炉等。

活化活化的目的是使炭化料的孔隙进一步发展、扩大，以获得具有发达孔隙结构和一定强度要求的活性炭产品。活化的实质是水蒸气和二氧化碳气同碳的氧化反应。

后处理是对活化后的产品进行再加工过程。包括活性炭的脱灰、浸渍及再破碎、筛分。脱灰通常采用酸洗或碱洗方法，一般可脱除原灰分的30%～50%。浸渍是将活性炭表面均匀地浸渍上一定重量的金属盐类，以改变活性炭的表面化学性质，提高去除或分离某种物质的能力。

结构与性质活性炭属微晶质碳，根据X射线的研究，赖利 (Riley)提出两种活性炭结构类型。第一种结构类型是由类似石墨的基本微晶构成，这些基本微晶多数是由六角形排列的碳原子的平行层片组成，各层片的排列是不规则的、紊乱的，有人把这种排列称为“乱层结构”。第二种结构类型为不规则的交联碳六角形空间格子，这是由类石墨层片扭曲造成的。