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活化法調(diào)控木質(zhì)粉狀活性炭孔結(jié)構(gòu)的原理。
活化法調(diào)控木質(zhì)粉狀活性炭孔結(jié)構(gòu)通常有氣體活化法和化學活化法兩種。氣體活化法一般使用水蒸氣、CO2、空氣(通常與其他氣體混合)等氧化氣體;化學活化法常使用磷酸、Zncl2:和KOH作為活化劑。在活化過程中,微孔形成是最關鍵的一步。但是,在絕大部分炭材料中,大孔、中孔與微孔同時存在,即活化過程中得到大量微孔的同時也形成了很多大孔和中孔。在吸附和脫附過程中,大孔作為通道,經(jīng)中孔過渡,最后進入微孔,因此微孔的吸附作用是在大孔的通道作用和中孔的過渡作用基礎上進行。以椰殼、木屑等生物質(zhì)為原料制備的活性炭,大孔(有機生物質(zhì)細胞結(jié)構(gòu)的一部分)在炭化過程中已經(jīng)形成,活化劑容易滲透入炭化料內(nèi)部,因此活化時較容易得到豐富的微孔。
研究者對空氣氧化法構(gòu)造炭材料納米孔進行了深入研究,使用溫和的溫度進行活化,原料為市場上購得的酚醛樹脂球狀炭(直徑約15um, B.E.T比表面積很小),干空氣作為活化劑,采用不同活化溫度(355~430℃)、不同停留時間(1h-10h)進行活化。不同溫度條件下的氧化結(jié)果表明,同一溫度下的氧化結(jié)果與停留時間呈對數(shù)關系,400℃下氧化效果較佳。位移因子與溫度呈線性關系,溫度越高位移因子越小。在最初的1h(400℃)氧化過程中,首先形成極微孔;至6h時,超極孔逐漸減少,超微孔逐漸增加;當氧化時間超過l0h時,極微孔和超微孔數(shù)量都急劇下降,中孔數(shù)量開始緩慢上升,最終導致比表面積降低。在氧化的最初1h內(nèi)(400℃) B.E.T比表面積上升至400㎡/g形成的孔隙大部分為微孔。這是由于酚醛樹脂前驅(qū)體炭化過程中封閉孔轉(zhuǎn)變?yōu)殚_口孔的緣故。實驗證明,氧化反應首先發(fā)生在球體表面,依次通過大孔、中孔、微最后進入球體內(nèi)部。
活化過程存在以下幾個缺點:1、中孔通常是微孔擴大后得到的,即中孔消耗了部分微孔;2、活化過程中部分碳原子氣化轉(zhuǎn)變成CO和(或)CO2,導致活性炭最終得率降低;3、通?;罨^程需要消耗大量的高溫水蒸氣或化學藥劑作為活化劑。上述缺點導致活性炭生產(chǎn)成本居高不下,但同時也為開發(fā)多孔炭材料制備新工藝提供了突破口。
氣體氧化兩步活化法諸多文獻中都有報導,第一步是較短停留時間下高溫處理,第二步是低溫下長時間停留。以球狀炭活化為例,首先在500℃下停留3h,第二步在415℃下停留較長時間。實驗結(jié)果表明,制備相同比表面積的產(chǎn)品時,兩步活化法的產(chǎn)品得率比一步法高將近10%。
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