碳素化学与工艺-多孔碳材料

物理活化法工艺
活化阶段通常在大约900℃下，把炭暴露于氧化 性气体介质中进行处理而构成。活化的目的是清 除炭化过程中积蓄在孔隙结构中的焦油物质及裂 解产物，以提高孔容积或比表面积。活化过程分 为两个阶段，第一阶段除去被吸附质并使被堵塞 的细孔开放；进一步活化使原来的细孔和通路扩 大；随后，由于碳质结构反应性能高的部分的选 择性氧化而形成了微孔组织。
多孔炭材料之一
活性炭
主要内容
活性炭简介 活性炭结构 活性炭的制备 活性炭的应用
活性炭的基本性质 活性炭的国内外生产现状 高比表面积活性炭的研究进展
微晶结构、孔隙结构、表面化学官能团 活性炭表面形貌
原料来源 活化方法与工艺 活化机理
吸附材料 催化剂载体 储氢储电
简介
AC是黑色多孔物质，由微晶炭和无定型炭构成，含有灰 分。
物理活化机理
水蒸汽活化机理：
C H 2 O H 2 C O 1k 3J 0
C 2 H 2 O 2 H 2 C 2 O 9 k7 J
CO2活化机理：
C C2O 2 C O 16 kJ 3
活化过程中，气体与碳发生反应的同时，使被吸附的碳 氢化合物部分地发生分解而除去。活化第一阶段，除去被吸 附质并使被堵塞的细孔放开；进一步活化，使原来的细孔和 通路扩大；随后，由于碳质结构反应性能高的部分的选择性 氧化而形成了微孔组织。
AC的突出优点是内部孔隙结构发达、比表面积大，具有 优良的吸附性能和良好的化学稳定性、物理稳定性以及使 用失效后容易再生等性能。
它能脱色、脱臭、脱硫、脱苯，还能选择性地脱除液相或 气相中某些化学杂质。
它也能吸附某些物质作为催化剂，使化学反应速度大大加 快，是良好的催化剂裁体。
AC广泛用于国防、化工、石油、电子、纺织、食品、医 药、交通能源、农业、原子能工业、城建、环保等方面。
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活性炭的结构
微晶结构 孔隙结构
乱层结构 无序结构 大孔 中孔 微孔
化学结构
表面氧化物 杂原子
活性炭表面形貌
原料来源
类别 植物类 煤类
品种
木材，木炭，椰子壳，果核，稻壳，纤维素， 纸浆废液等
泥煤，褐煤，无烟煤，煤沥青
石油原料 石油焦，石油沥青，石油渣，油砂地沥青
塑料
聚氯乙烯，聚丙烯，各种树脂等
物理活化法工艺
反应主要工序为炭化和活化两个阶段。 炭化就是将原料加热，预先除去其中的挥发成分，
制成适合于下一步活化用的炭化料。炭化的实质 是有机物的热解过程，包括热分解反应和热缩聚 反应，在高温条件下，有机化合物中所含的氢、 氧等元素的组成被分解，炭原子不断环化，芳构 化，结果使氢、氧、氮等原子不断减少，炭不断 富集，最后成为富炭或纯炭物质。
我国的AC产量也一直呈上升的趋势，单从出口来看，我 国早在1995年就已超过美国，成为活性炭最大的出口国。
高比表面积活性炭的研究进展
早在20世纪70年代，美、日等国已开展高比表面AC的研 究工作，并获得比表面积>3000m2/g的实验室样品。
AMOCO公司研究发现，在煤或石油焦中加入数倍的碱活 化处理可使AC比表面迅速提高，得到前所未有的高吸附 容量的AC。从此采用KOH作活化剂的化学活化法制备高 比表面积、性能良好AC的新型方法及产品不断出现。
国内外活性炭的生产现状
二战前后，美国的AC产量一直居世界第一位。80年代后， 第三世界国家的AC工业开始发展，产量逐渐增加，到目 前，世界五大洲40多个国家生产AC，年产量达70多万吨。
国外AC工业起步较早，活性炭需求量也与日俱增。西方 一些方达国家在环保方面的人均活性炭需求量达到300400克/年·人。目前世界活性炭年消费量超过70万吨， 并以每年15%的速度递增长。
其它
砂糖，蜜糖，旧轮胎等
制备方法
物理活化法 利用气体介质对原料进行活化成孔 化学活化法 利用化学试剂对原料进行活化成孔 化学-物理活化法 先化学活化再用物理法进一步扩孔
物理活化法工艺流程图
原料 粘结剂
活化介质: CO2、空气、
烟道气等
水蒸汽
混合
成型
炭化
活化
产品
分级
干燥
洗涤
优点：对环境无污染，缺点是收率不高，活化温度较高。
炭素化学及工艺
——多孔炭材料
多孔炭材料
所谓多孔炭材料是指具有不同孔结构的碳素材料， 其孔大小从具有相当于分子大小的纳米级超细微 孔直到适于微生物增殖及活动的微米级细孔。
作为新材料，它们又具有耐高温、耐酸碱、导电、 传热等一系列优点。多种形态的活性炭是这类材 料的典型例子，它们在气体和液体的精制、分离 以及水处理和空气净化等方面已得到广泛的应用。 活性炭 活性碳纤维 碳分子筛
物为活化剂制得了比表面积近3000m2/g的木质AC； 山西煤化所的乔文明等采用氧化沥青为原料，以KOH粉末
为活化剂，制得比表面积在3000Байду номын сангаас2/g左右的AC； 武汉冶金科技大学的欧阳曙光等以中温煤沥青为原料，
KOH活化制得比表面积2377m2/g的AC，其比孔容积为 1.50cm3/g 湖南大学的刘洪波等以长岭石油焦为原料，采用KOH活化 制得比表面积为3231m2/g的AC； 大连舰艇学院的梅建庭等以煤沥青为原料，采用KOH活化
化学活化法工艺流程图
KOH
活化剂:KCNS、H3PO4、 H2SO4、ZnCl2、 NaOH等
原料
破碎
脱水
活化
产品
干燥
日本以双电层电容的应用为契机，加强对高吸附能力AC 的研究工作。关西热化学株式会社用KOH活化石油焦制备 出高比表面AC，并在1992年投产，商品牌号为 MAXS0RB。日本大阪煤气公司以中间相炭微粒为原料， 通过KOH活化制得了比表面积高达4000m2/g的AC。
高比表面积活性炭的研究进展
我国学者在20世纪90年代展开了类似研究,并取得一定进展 东北林大的郭幼庭等人以水解木质素为原料，以碱类化合
物理活化法工艺
炭化过程分为400℃以下的一次分解反应，400700℃的氧键断裂反应，700-1000℃的脱氧反应 等三个反应阶段，经过上述三个反应阶段获得缩 合苯环平面状分子而形成三维网状结构的炭化物。 炭化物的吸附能力低，这是由于炭中含有一部分 碳氢化合物、细孔容积小以及细孔被堵塞等原因 所致。