活性炭活化处理技术的研究进展

化过程非 常 关 键 ， 目 前 报 道的 活 化 方 法 主 要 分 两 大类：物 理 出碘吸附值为 １０４８．９６ｍｇ／ｇ、亚甲基兰吸附值为 １２ｍＬ／０．１ｇ 的
活化和化学活化。本文将对近年来活化处理技术的发展进 行评述。
活性炭； 张利波等［１９，２０］以烟杆为原料， 分别采用水蒸气和 ＣＯ２ 对其进行活化处理， 均得到微孔结构的活性炭， 其中以水蒸气
关键词 活性炭 物理活化 化学活化 性能
Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ Ｐｒ ｏｇｒ ｅｓｓ ｉｎ Ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ Ｔｒ ｅａｔｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｃａｒ ｂｏｎ
ＹＩ Ｓｉｙｏｎｇ， ＷＡＮＧ Ｘｉａｎｙｏｕ， ＬＩ Ｎａ， ＷＥＩ Ｊｉａｎｌｉａｎｇ， ＤＡＩ Ｃｈｕｎｌｉｎｇ
Ｅ－ｍａｉｌ： ｗｘｉａｎｙｏｕ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ
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活性炭活化处理技术研究进展 ／ 易四勇等
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等问题， 制得的活性炭免清洗， 可直接使用， 用途广泛。如何 加 快 反 应 速 度 、缩 短 反 应 时 间 、降 低 反 应 能 耗 是 开 发 物 理 法 活化工艺的关键。
Ａ． Ａｌｏｎｓｏ 等［２６］以沥青为原料， 研究了不同 ＫＯＨ 用量 对
所 得 活 性 炭 的 影 响 ， 研 究 表 明 ： 用 较 少 量 ＫＯＨ 活 化 得 到 的
活性炭主要为微孔结构。随着 ＫＯＨ 用量的增加， 所得活性
炭的中孔增加。当 ＫＯＨ 与原料比分别为 ２∶１ 和 ３∶１ 时， 所
１ 物理活化法
物理活化法是将原材料经过炭化后再进行活化， 在碳材
为活化剂得到的活性炭产品孔径分布范围较宽， 中孔率达 ２６．９２％ ， 而以 ＣＯ２ 为活化剂， 其产品中孔率仅为 ３．８５％ 。
物理活化法生产工艺简单， 不存在设备腐蚀和环境污染
＊ 国家自然科学基金资助项目（ ２００６７３０９２）
易 四 勇 ： 男 ， １９８３ 年 生 ， 硕 士 生 ， 研 究 方 向 ： 新 型 化 学 电 源 Ｅ－ｍａｉｌ： ｌｅｏｙｓｙ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ 王 先 友 ： 联 系 人 ， 男 ， １９６２ 年 生 ， 教 授 ， 博 导
２ 化学活化法
化学活化法是指将化学药品加入到原料中， 然后在惰性 气体的保护下加热， 同时进行碳化和活化的方法。相对于物 理活化法， 它具有活化时间短、活化反应易控制、产物比表面 积大等优点， 成为现今高性能活性炭的主要生产方法。化学 活化法因原料不同制造方法各有差异， 但其工艺流程基本一 致（ 见图 １） 。常用的化学活化试剂有 ＺｎＣｌ２、ＫＯＨ、Ｈ３ＰＯ４ 等。
此 外 ， 将 合 成 树 脂 ［９， １０］、煤 焦 油 ［１１］、废 旧 轮 胎 ［１２］、牲 畜 粪 肥 ［１３］、 径［１７］、碳化和活化条件（ 活 化 温 度 、活 化 时 间 、活 化 剂种 类 、活
米 糠 ［１４］ 等 进 行适 当 处 理 也 可 生 产 出 具有 一 定 吸 附 能 力 的 活 化剂流量等） 。马祥元等［１８］以核桃壳为原料， 水蒸气为活化剂，
得到 微 孔 活 性 炭 ， 而 当 ＫＯＨ／ 原 料质 量 比 为 ６ 时 ， 得 到 中 孔
和微孔共存的活性炭。
Ｅ． Ｍｏｒａ 等［２８］ 以 中 间 相 沥 青 为 原 料 ， 考 察 了 活 化 剂 碱 性
氢氧化物对产物的影响。研究表明， ＫＯＨ 与 ＬｉＯＨ 和 ＮａＯＨ
相比具有更好的活化效果。增大 ＫＯＨ／ 沥青的比值， 能有效
（ ２）
上述反应均为吸热反应， 活化温度一般在 ８００～１０００℃
大类： 植物类和矿物类。植物类有： 木材、椰壳、胡桃壳、杏核、 之间， 为防止碳的烧失， 一般在无氧环境下进行。
橄 榄 核 、稻 壳 等 ［１～５］； 矿 物 类 有 ： 无 烟 煤 、沥 青 、石 油 焦 等 ［６～８］。
影响物理活化效果的因素主要包括： 原材料性质、原料粒
展； 另一方面， 当活化温度超 过 金 属 钾 沸 点（ ７６２℃） 时 ， 钾蒸
气会扩散进入不同的碳层， 形成新的多孔结构。气态金属钾
在微晶的层片间穿行， 撑开芳香层片使其发生扭曲或变形，
Hale Waihona Puke Baidu
创 造 出 新 的 微 孔 。影 响 该 方 法 产 品 性 能 的 主 要 因 素 为 活 化 剂
与原料的剂料比。
ＺｎＣｌ２ 活化法制备活性炭过程中， 由于活化温度较低， 减 少了能耗及高温操作带来的一系列难题， 但同时会对环境产 生较大的污染， 必须对废水、废气进行回收处理， 从而使其成
本增加。
２．２ ＫＯＨ 活化法
制 备高比表面积的活性炭大多以 ＫＯＨ 为活化剂， 通过
ＫＯＨ 与原料中的碳反应， 刻蚀掉其中的部分碳， 经过洗涤把生
性炭。最近报道对香蕉皮［１５］、海藻［１６］等进行活化处理， 也可制 研究了水蒸气流量、活化时间和活化温度对活性炭得率和吸
备出不同用途的性能优良的活性炭。
附性能的影响， 得出最佳工艺条件为： 活化温度为 ８５０℃， 活
活性炭制备通常需要经过炭化和活化两个阶段， 其中活 化时 间 为 ９０ｍｉｎ， 水蒸 气 流 量 为 ０．４５Ｌ／ｍｉｎ， 在 此 条 件 下制 备
（ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， Ｘｉａｎｇｔａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｉａｎｇｔａｎ ４１１１０５）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ （ＡＣ） ｈａｓ ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｃａｔａｌｙｓｉｓ， ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｅｗ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ａｒｅａｓ． Ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＡＣ， ｓｕｃｈ ａｓ ｈｉｇｈ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａ， ｇｏｏｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｉｎｅｒｔｎｅｓｓ ｍａｋｅ ｉｔ ｇａｉｎ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎｓ． Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＡＣ， ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒ－ ｍａｎｃｅ ｏｆ ＡＣ ｌｉｅｓ ｉｎ ｉｔｓ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＡＣ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ＡＣ．
原材料
活化剂
粉 碎 、过 筛
混合
碳化 （３０￣５００℃）
干燥
潮湿 活性炭
洗 涤 、过 滤
活化 （５００￣９００℃）
产品
蒸馏水或酸
图 １ 化学活化法工艺流程［２１］ Ｆｉｇ．１ Ｐｒ ｅｐａｒ ａｔｉｏｎ ｐｒ ｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃａｒ ｂｏｎ ｆｏａｍｓ ｂｙ ｆｏａｍｉｎｇ ａｇｅｎｔ
２．１ ＺｎＣｌ２ 活化法
得活性炭用于超级电容器分别具有最高的质量比电容（ 高达
４００Ｆ／ｇ） 和体积比电容（ 超过 ２００ Ｆ／ｃｍ３） 。
Ｒｕ－Ｌｉｎｇ Ｔｓｅｎｇ 等［２７］以植物藤条为原料， ＫＯＨ 为活化剂，
控制 ＫＯＨ／ 原料质量比为 ２～６， 所得活性炭的比表面积 为
９１２～２２９９ｍ２／ｇ。研究发现， ＫＯＨ／ 原料质量比为 ２～５ 时主要
ＺｎＣｌ２ 活化法是目前生产活性炭的 主 要 活 化 法 之 一 ， 已 工业化多年。一般认为ＺｎＣｌ２ 是一种脱氢剂， 在活化过程中， ＺｎＣｌ２ 的存在使纤维素原料发生脱氢并进一步芳构化， 从而 形成孔， 经充分洗涤后， 多余的ＺｎＣｌ２ 等杂质被洗去 ， 它 们原 来占据的位置就出现了孔， 因此形成发达的孔隙结构。影响 ＺｎＣｌ２ 活化 所 得 活 性 炭 性 能 的 因素 很 多 ， 张 会 平 等 ［２２］ 研 究 了 ＺｎＣｌ２ 活化法制备木质活性炭工艺过程中各种操作参数如浸 渍比、活化时间和活化温度对活性炭得率及吸附性能的影 响， 结果表明， 活性炭的得率随着浸渍比的提高而逐步提高， 但是随着活化时间和活化温度的升高而逐步降低， 吸附性能 的指标随着浸渍比、活化时间和活化温度的升高而逐步上 升 ， 上升 到 一 个 最 大 值 后 均 随之 逐 步 降 低 ； 蒋 卉 等 ［２３］ 以 甘 蔗 渣为原料， ＺｎＣｌ２ 为活化剂， 微波为加热源制备 活 性 炭 ， 研究 了 ＺｎＣｌ２ 浸 泡 浓 度 、浸 泡 时 间、微 波 功 率 和 作 用 时 间 等 实 验 因素对活性炭性能的影响， 指出活化剂 ＺｎＣｌ２ 的浸泡浓度在 实验中起决定性作用， 在最佳工艺条件下， 得到产率为 ３４％ 、亚甲基蓝吸附 值 为 １１．０３ｍＬ／０．１ｇ 的 活 性 炭 ， 其 亚 甲基 蓝吸附值达到国家一级活性炭标准的 １．２３ 倍； Ｚｈｏｎｇｈｕａ Ｈｕ 等［２４］以椰壳和棕榈种子为原料， ＺｎＣｌ２ 为活化剂， 制备了中孔 和微孔均比较发达的活性炭， 比表面积超过 ２４００ｍ２／ｇ。通过 控 制 活 化 条 件 得 到 大 孔 容 、窄 孔 径 分 布 的 高 品 质 活 性 炭 。 大 分子和小分子均显示出较好的吸附性能。其中以棕榈种子 为原料， 所得活性炭的中孔率高达 ９４％ ， 而以椰壳为原料制 得的活性炭中孔率为 ７１％ 。
成的盐及多余的 ＫＯＨ 洗去， 在被刻蚀的位置出现了孔［２５］。这
一过程主要发生以下反应：
－ＣＨ２＋４ＫＯＨ → Ｋ２ＣＯ３＋Ｋ２Ｏ＋３Ｈ２
（ ３）
－ＣＨ＋８ＫＯＨ → ２Ｋ２ＣＯ３＋２Ｋ２Ｏ＋５Ｈ２
（ ４）
Ｋ２Ｏ＋Ｃ → ２Ｋ＋ＣＯ
（ ５）
Ｋ２ＣＯ３＋２Ｃ → ２Ｋ＋３ＣＯ
（ ６）
活化过程中， 一方面通过生成碳酸钾消耗碳使孔隙发
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７２
材料导报
２００８ 年 ３ 月第 ２２ 卷第 ３ 期
活性炭活化处理技术的研究进展＊
易四勇， 王先友， 李 娜， 魏建良， 戴春岭
（ 湘潭大学化学学院， 湘潭 ４１１１０５）
摘要 活性炭在催化、吸附、新能源等领域具有广阔的应用前景。它具有比表面积大、导电和导热性佳、化学稳定 性好、价格便宜等特点， 受到了人们的广泛关注。在活性炭的制备过程中， 活化处理技术是影响其性能的关键。综述了各 种活化方法制备活性炭的研究进展， 并分析了各种活化方法对活性炭性能的影响。
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ， ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ， ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ， ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
活性炭是一种具有发达孔隙结构、巨大比表面积和优良 料表面和内部形成发达的微孔结构。它一般分两步进行： 首
吸附性能的炭材料， 在各行各业具有广泛而重要的用途。随 先对原料进行炭化处理， 以除去其中的可挥发成分， 使之生
发展炭材料的孔隙结构。采用以石油中间相沥青为原料，
着国民经济的发展，许多领域对活性炭的性能提出了更高的 成 富 碳 的 固 体 热 解 物 ， 然 后 用 合 适 的 氧 化 性 气 体（ 如 ： 水 蒸
要 求，从而 进 一 步 促 进 了 活 性 炭在 原 料 、生 产 工 艺 及 性 能 等 方面的发展。活性炭的制备是一个受多因素影响和制约的
气、ＣＯ２、Ｏ２ 或空气） 对热解物进行活化处理 。活化 可 以 使 富 碳的热解物开孔、扩孔和创造新孔， 从而形成发 达 的 孔 隙 结
复杂工艺过程， 其原料及活化处理工艺的不同均会对活性炭 的性能产生显著影响。
制备性能优良的活性炭的原料非常丰富。一般来说， 只 要是富碳的物质均可作为制备活性炭的原料， 主要可分为两
构。目前常用的活化剂为水蒸气和 ＣＯ２。活化机理为：
Ｃ＋Ｈ２Ｏ＝Ｈ２＋ＣＯ（ Ｈ２Ｏ 为活化剂）
（ １）
Ｃ＋ＣＯ２＝２ＣＯ（ ＣＯ２ 为活化剂）