摘要：伴隨著科技的不斷發(fā)展，活性炭應(yīng)用性能的探索引起了社會的廣泛關(guān)注。各種活性炭的性能與我國行業(yè)發(fā)展的要求有些距離的現(xiàn)狀，給化工行業(yè)帶來了不小的困擾。因此，認(rèn)真分析活性炭性能，利用有效的制備工藝，將活性炭性能中存在的孔徑分布、不同配料比及陳化時間進(jìn)行探索研究，從而制備出高強(qiáng)度的活性炭。
0 引言
隨著活性炭在應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，其發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)及吸附力等性能給工業(yè)化的創(chuàng)新帶來了生機(jī)。國際化學(xué)科技者將活性炭的孔隙分別分為微孔、中孔和大孔，其孔徑尺寸及數(shù)量對活性炭的性能都有著直接的關(guān)系，因此，如何選用制備機(jī)理，對活性炭的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的調(diào)控，并且在活性炭的孔徑分布進(jìn)行有規(guī)律性的調(diào)節(jié)整理，是未來制備工藝的核心問題。目前，我國科研人員分別以工業(yè)酚醛、煤等原料為碳源進(jìn)行試驗(yàn)，成功制備了孔隙豐富、孔徑集中的多孔活性炭材料，并總結(jié)出研究分析成果。分析了煤粉不同顆粒度與配比的差異造成活性炭孔隙尺度的原因，提出了較佳制備工藝。
1 活性炭的作用及結(jié)構(gòu)
活性炭是一個富含碳、有發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)及吸附功能的有機(jī)材料，在化工、環(huán)保及軍事化工等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在古代，就用活性炭的吸濕防腐功能應(yīng)用于古墓設(shè)計(jì)中，現(xiàn)代運(yùn)用吸附凈化功能對大氣中的污水、廢氣等進(jìn)行實(shí)用性試驗(yàn)、回收和凈化。在日常生活當(dāng)中，飲用水的凈化給人們的生活質(zhì)量帶來便利，對有機(jī)溶劑等化工產(chǎn)品進(jìn)行純化萃取等運(yùn)用；而且活性炭具備穩(wěn)定的物理化學(xué)特性，可以再生利用，不造成浪費(fèi)和環(huán)境污染。這些作用主要?dú)w結(jié)其結(jié)構(gòu)的多樣性，晶格結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)是活性炭的主要結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)對活性炭的催化作用和吸附性能都有著至關(guān)重要的作用。
2 活性炭的制備工藝
2.1 制備原料的選擇
在我國污水處理和防毒保護(hù)等工業(yè)方面，活性炭的原料要選擇具有豐富孔隙結(jié)構(gòu)的材料，根據(jù)孔結(jié)構(gòu)的分布狀況、吸附特性等方面進(jìn)行相應(yīng)的特理活化法、化學(xué)活化法或兩者綜合法。一般植物類原料是取自農(nóng)作物、林業(yè)等產(chǎn)品的廢棄物，如堅(jiān)果殼(椰子殼、核桃殼等)、木材或竹子的邊角料，工藝的處理過程首先要將這些廢棄物進(jìn)行簡易的炭化處理，再通過無變形、無反應(yīng)的物理方法進(jìn)行活化，有些需要經(jīng)過化學(xué)處理進(jìn)一步提高原料的利用率，使原料的表面達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的孔隙結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)良的活性炭。
在煤炭原料制作煤質(zhì)活性炭的工藝過程中，選擇柱狀、顆粒、粉末等外形的無煙煤，也可在煤焦油蒸餾后的余渣進(jìn)行制作活性炭，這些原料成本低，資源豐富，對大氣層保護(hù)也起到了積極的作用。
利用石油煉制中的含碳產(chǎn)品剩下的廢料制備高純度、高比表面積的活性炭是當(dāng)前制作成本較高的項(xiàng)目，運(yùn)用范圍局限在醫(yī)藥、電子等領(lǐng)域。當(dāng)然，石油原料作為活性炭的制備材料，也是提高石油廢料附加值、拓寬活性炭原料集道的有利途徑。
人們生活中常見的塑料材料、含碳廢棄物也是制備高性能活性炭的原料之一，如聚乙烯、聚丙烯、廢舊輪胎等，此類原料的來源隨處可見，不但提供了制備活性炭的原料，而且解決了生活環(huán)境污染的問題。
2.2 制備方法的選擇
選擇好適當(dāng)?shù)闹苽湓虾螅_運(yùn)用處理方法，催化原料的各項(xiàng)反應(yīng)，使原料的孔隙結(jié)構(gòu)、吸附能力及比表面積適應(yīng)活性炭的標(biāo)準(zhǔn)。其主要處理方法分為物理活化法、化學(xué)活化法、催化活化法等。
①物理活化法。物理活化法是在高溫下利用水蒸氣、二氧化碳和空氣為活化劑進(jìn)行生產(chǎn)活性炭的方法。其主要是利用材料顆粒與顆粒之間的碰撞及聯(lián)接配成較佳的孔腺分布，生成大量的氣孔。其制備原理如下。
碳化。所謂對制備原料進(jìn)行炭化，就是將材料充分混合陳化，壓人標(biāo)準(zhǔn)成型的模具內(nèi)成型，然后用刀片進(jìn)行有機(jī)的切碎篩分，放入烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干工藝，烘干時間通常在1.5個小時，從面將原料中的含碳成分進(jìn)行有機(jī)的分解，非碳分子會隨著溫度的不斷升高而揮發(fā)。一般的炭化溫度在600攝氏度左右，直到制備原料的非碳元素?fù)]發(fā)完畢，成為炭化料。
活化反應(yīng)。將前期處理的炭化料放置在處理場地進(jìn)行加熱，一般活化溫度在800-1000攝氏度左右，并將選擇的活化氣體（諸如水、氣等）輸入，使之與炭化物中的碳發(fā)生反應(yīng)，促使炭化物表面因氧化而形成孔隙結(jié)構(gòu)并不斷地?cái)U(kuò)大，直至炭化物成為活性炭材料。在活化過程中，較佳的溫度、較佳的通水量和較佳的氮?dú)馔浚艽蟮赜绊懙交罨课⒖缀俊?
在我國，常用的活化反應(yīng)是水蒸氣活化反應(yīng)和二氧化碳活化反應(yīng)。物理活化法的優(yōu)點(diǎn)在于不對環(huán)境產(chǎn)生再次污染，制備設(shè)備的運(yùn)用完全率高、腐蝕性小；缺點(diǎn)在于活化時間長，溫度高，制備出來的活性炭產(chǎn)品性能較低。
②化學(xué)活化法。化學(xué)活化法是采用化學(xué)試劑（諸如氣化鋅、氫氧化鉀等）作為催化劑來活化炭化物而生產(chǎn)活化炭產(chǎn)品的方法。其制備原理是：對原料的性能進(jìn)行科學(xué)的檢測，再將化學(xué)試劑進(jìn)入原料的內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成對應(yīng)的化合物，清除原材料中不適用的元素，促進(jìn)原材料的孔型增加大，微晶的距離發(fā)生變化,，同時，酸類化學(xué)試劑對已形成的碳體進(jìn)行緩慢氧化形成新的孔結(jié)構(gòu)，加速炭化物中的碳轉(zhuǎn)化到活化炭。此類方法優(yōu)點(diǎn)在于活化率較高，原料的利用率也較高，可以有效調(diào)節(jié)所制備的活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)，提高活性炭的比表面積，保證有較高質(zhì)量和吸附能力較好的活性炭。缺點(diǎn)在于對環(huán)境可能會造成二次污染。
③物理-化學(xué)活化法。這類方法是將物理與化學(xué)并用的活化方法。其工作原理是將選擇的原料與一定比例的化學(xué)試劑放人器皿浸泡，經(jīng)過一段時間后，再撈出進(jìn)行烘干成型，然后放在高溫下與輸入的活化氣體進(jìn)行反應(yīng)，完成表面積的造孔過程，后得到活性炭產(chǎn)品。
④催化活化法。催化活化法就是利用金屬化合物對活性炭材料進(jìn)行催化活性，使活性點(diǎn)增加。其工藝原理為：將具有催化活性作用的金屬化合物注人到微孔結(jié)構(gòu)的炭材料中，促使炭材料的微孔表面充滿了活性點(diǎn)，一旦在活化金屬原子時，金屬粒子周邊的碳原子會得到優(yōu)先的氧化性能，氣化碳原子的作用就愈強(qiáng)，碳原料的微孔尺寸會隨之增加，孔徑也會隨著擴(kuò)大。其方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡便。但其缺點(diǎn)在于：注入活性炭材料中的金屬元素可能會因吸附力的原因得不到完全消除，滲透到活性炭材料的深層，會影響到后續(xù)的制備工藝。
⑤模板法。模板法是將選擇的原料導(dǎo)人到特殊孔隙結(jié)構(gòu)制成的模板內(nèi)，使材料在規(guī)定的模板內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，形成固定模板控制的材料模型，制備材料的尺寸和形狀都符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的方法。此方法是目前有效控制活性炭材料的中孔率和孔結(jié)構(gòu)，尺寸的方法。可以分為軟模板法和硬模板法。軟模板可以在納米尺度來設(shè)計(jì)，可變性較大，在制備工藝實(shí)施過程中容易控制，操作步驟簡單易行，造價成本相對也較低，而硬模板結(jié)構(gòu)強(qiáng)硬，不易控制，但因在物種組裝時容易達(dá)到主客體的匹配程度要求，所以運(yùn)用種類廣泛。
當(dāng)然，還有制備工藝中的活性炭材料粘結(jié)劑量、成型顆粒度以及不同顆粒之間的配比都會對活性炭性能造成影響。
3 結(jié)束語
由上所述，制備工藝中的制備條件、方法、活化溫度及時間等因素都是制備不同質(zhì)量活性炭的關(guān)鍵，多孔、孔徑各異的活性炭都會因活化劑種類得到不同的孔徑參數(shù)，影響活化炎的吸附量的大小，所以，對原料的活化方法要根據(jù)不同領(lǐng)域的要求制定相應(yīng)的制備工藝，采用不同的方法進(jìn)行補(bǔ)充，加快活化氣的擴(kuò)散速率、溫度和時間，使活性炭材料的比表面積、孔徑分布和孔容等要素達(dá)到要求。