活性炭的制备表征及应用

化学物理活化法
化学物理活化法是将物理活化法与化学活化法结合起来，发 挥各自的优势，生产出孔隙结构更合理，性能更优异的活 性炭。化学物理活化法是对物理活化法的进一步改进，经 过化学试剂浸渍能够有效提高反应速度，同时也会对孔隙 结构产生不同的影响。该法一般是先将含碳原料通过化学 试剂浸渍，然后在高温条件下进行物理活化。
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H3PO4活化
H3PO4的活化机理与ZnCl2类似，促进热解反应，降低活 化温度，H3PO4充斥在原料内部，占据一定的位置，在炭 化时H3PO4起骨架作用，能给新生炭提供一个骨架，让炭 沉积在骨架上；同时H3PO4阻碍了高温下物料的收缩，降 低了焦油的产生，经过洗涤去除反应后的得到的磷酸盐， 便得到具有丰富孔隙的活性炭。
活性炭的基本特征
2、表面化学性质 受到原料和制备工艺的影响，活性炭中除了石墨微晶平面层边缘的碳 原子外，在微晶平面层上还存在着许多不成对电子的缺陷位，这些缺 陷位和碳原子共同构成了活性炭表面的活性位，活性位吸附其他元素 (如：O、H、N和S等)生成稳定的表面络合物，形成局部表面化学官 能团结构。
羧基
ZnCl2活化剂
一般认为其活化机理是，在热解过程中ZnCl2起脱水作 用，并抑制焦油产生，促进热解，同时在碳化过程中进行 芳构化反应，从而形成丰富的孔隙结构。但因ZnCl2具有 毒性，在高温下易挥发，对环境以及人们的健康均会造成 严重的危害，并且ZnCl2价格较高，不易回收，该方法在 国外很多国家已经被禁止。
加热方式
加热方式
传统加热方式 从高温物体向 低温物体进行 传递能量
微波加热方式
极性分子随电 场作高频振动 , 分子间摩擦 使物料迅速发 热
加热原理
传统加热
微波加热
微波解热优点
耗时 耗能 收率低
缩短反应时间
微波加热
节能 提高收率
时间、频率
影响活性炭性能的因素
活化温度 B
活化剂
A
活性炭
C
活化时间
KOH活化
KOH活化机理较为复杂，目前还没有一个统一标准，一 般认为KOH活化时，一方面通过KOH与C反应生成K2CO3 从而侵蚀造孔；另一方面K2CO3、K2O和C反应生成金属 钾，当活化温度超过钾沸点（762℃）时，钾蒸气会扩散 进入碳层影响孔结构的发展产生影响；同时K2CO3分解产 生的K2O和CO2也对孔隙的发展提够帮助，在KOH 活化过 程中，主要发生以下反应： 4KOH + C—— K2CO3 + K2O + 3H2 K2O + C ——2K + CO K2CO3 + 2C—— 2K + 3CO
酸酐
内脂型羧基
酚羟基
羰基醚基酰ຫໍສະໝຸດ 基二酰胺基类吡啶基
类吡咯基
酰亚胺基
三、活性炭的制备
活性炭制备基本路线图
活性炭的制备
1、原料
活性炭是将一些含碳物质进行碳化活化处理而制得，一般来 说，制备活性炭的原料主要有石油焦、煤炭、生物质以及 塑料类等。使用的原料不同，活性炭的制备工艺、产品的 吸附性能、催化性能以及价格也不尽相同。
C + CO2 ——2CO
由于物理活化法没有引入化学活化剂，所以该法对环境的污染小，但 是这两个反应均是在高温条件下发生，具有反应时间较长，设备要求 较高，产品得率较低，均匀性不好，吸附性能较差等缺点。
化学活化法
化学活化法是活性炭制备普遍使用的一种方法，分为一 步法和两步法。一步法是将原料与活化剂按照一定的比例 均匀混合，在惰性气体的保护下进行加热，碳化与活化同 时进行的方法；两步法是在一定温度下将原料在惰性气体 中碳化，然后活化剂与炭化料共混，在一定条件下进行活 化处理。目前，采用的活化剂主要有H3PO4、ZnCl2、 KOH、NaOH等。
活性炭的制备
2、活化方法
（1）物理活化方法 （2）化学活化方法 （3）化学物理活化法
物理活化
物理活化法也称气体活化法，一般采用水蒸气、CO2、空气等含氧 气体或者混合气体作为活化剂，在高温条件下与炭化料接触或者两种 活化剂交替进行活化，从而生产出比表面积巨大，孔隙丰富的活性炭 产品。 气体活化的过程是用活化气体与碳发生氧化还原反应，侵蚀炭化物 的表面，与此同时除去焦油类物质以及未炭化的物质，使炭化料的微 细孔隙结构发达的过程。通过气体活化，会使炭化料原来的闭塞孔被 打开，原有的孔隙扩大并形成新的孔隙，一般会发生以下反应： C+H2O——H2+CO
活性炭的制备表征及应用
报告内容
1 2
3 4
活性炭的发展 活性炭的基本特征 活性炭的制备
活性炭的表征 活性炭的应用
活性炭的改性
5
6
活性炭的发展
古代
工业革命
20世纪末
20世纪初
活性炭的基本特征
1、物理特征：活性炭是由已石墨化的微晶和未石墨化的非晶炭质构成的 基本炭质，因此活性炭被认为属于微晶类的碳系，炭微晶与非晶炭质相 互连接构成了活性炭的孔隙结构。由于活性炭微晶的排列是无规则的、 紊乱的，各微晶之间形成大小、形状不同的孔隙，这些孔隙有狭缝型、 楔子型和笼子型等。因此微晶的形状、大小与聚集的程度与活性炭的比 表面积和孔隙结构密切相关。
原料本身
E
D
活化方式
四、活性炭表征
BET
FT-IR
XRD
SEM
五、活性炭的应用
1、吸附 气相吸附、液相吸附 2、载体 电子的缺陷位，这些缺陷位和碳原子共同构成了活性炭表 面的活性位 3、储能装置 活性炭因具有高比表面积、良好的导电性、稳定的化学性 能
六、活性炭改性技术
活性炭表面物理结构改性指的是活性炭在制备过程中通 过物理或者化学的方法来增加活性炭材料的比表面积、调 整活性炭的孔隙结构及分布，使其孔结构发生改变，从而 改变其吸附性能。 活性炭表面物理结构改性指的是活性炭在制备过程中通 过物理或者化学的方法来增加活性炭材料的比表面积、调 整活性炭的孔隙结构及分布，使其孔结构发生改变，从而 改变其吸附性能。 活性炭的改性方法有很多种，主要包括氧化改性、还原改性 、金属负载改性、微波改性和电化学改性等，从而达到更 好的改性效果。在使用过程中，需根据吸附质的性质有目 的性地选择较为合适的改性方法。