活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭通过热处理或对富含碳的原材料化学和热处理的组合产生的。在活性炭生产中使用的典型的生物基原料有椰子壳，泥炭，和木屑或锯屑等工业农业废弃物。活性炭的属性取决于生产的过程类型。在本期的介绍中，对比了一步法和两步法中产生的活性炭的性质。通过物理活化两种不同的木质材料来生产活性炭，对比产生的活性炭的特定表面，孔体积和孔径分布。

　　两种制造方法的介绍

　　一步法：活性炭的碳化和活化一步制成，原材料经过高温碳化后，由炭炉中的高温蒸汽活化直接产出活性炭。

　　两步法：碳化和活化阶段可以以两种不同的方式进行，在两步法中，碳化和活化阶段在时间上分开。在两阶段过程中，起始材料被碳化，碳被激活后来变成活性炭，而一阶段过程产生活性炭作为唯一的固体。

　　在本研究中，我们通过物理激活筛选使用两种不同方法生产活性炭的效果来展示结果。进行该研究是为了研究不同方法对碳性质的影响。在活性炭的生产中使用两种类型的方法。在两种情况下，使用来自两种木质材料作为起始材料。在一个过程中，原料被碳化，随后通过蒸汽活化活化形成的碳。在该过程中，碳化和活化步骤在时间和空间上分开。在另一个过程中，相同的原料被碳化并在同时的一步序列中活化。从两个过程制备的活性炭在总产率方面进行了表征，碳含量，比表面积和孔径分布。需要证明的是活性炭的孔隙率可能受到工艺顺序的影响，而不仅仅受工艺参数和原料预处理的影响。

　　活性炭的测试方法

　　产量计算：每个活性炭样品的产量计算，产量=碳的质量/进料的质量*100对于预碳化样品，计算总产率。总产率=来自活化的产率*来自碳化过程的产率.根据碳的生产，碳化产率为30%，以干重计算。

　　总碳：使用仪器测量每个样品中存在的总碳的百分比。将干燥的活性炭样品在石英坩埚中称重，在纯氧气氛中在1100℃下燃烧，并通过红外分析仪分析形成的CO 2。通过从来自已知质量的标准物质柠檬酸的校准曲线读取分析仪的信号来获得碳含量值。每个活性炭样品中的碳总质量计算为最初称重的质量的百分比。使用仪器方法，测量精度在5%的范围内。

　　表面积和孔径分布：使用氮作为吸附物，从吸附-解吸等温线确定比表面积和孔分布。将每种活性炭样品在低压和150℃的温度下脱气2小时，以清洁表面并除去任何吸附的气体。通过将样品管浸入液氮中以获得恒温条件来获得吸附等温线。以小剂量向样品中加入气态氮，得到所得的等温线。根据BET方法从吸附等温线计算比表面积和总孔体积，虽然孔径分布是使用DFT(密度泛函理论)算法计算的，以假设狭缝形成的孔。使用仪器设置，即使可能有较小孔隙的影响，也可以测量直径小于1.5nm的微孔。

　　活化和碳化-活化过程中的产率和总碳含量

　　在一步法中产生的活性炭的比表面积和在两步法中产生的活性炭的比表面积存在差异。与一步法生产的相比，两阶段生产的所有活性炭的比表面积都较低，差异与所用的活化时间无关，即使较长的活化时间通常会产生较高的比表面积。由BET计算的活性炭的孔体积没有显着差异，而根据DFT计算的孔体积对于来自一步法的活性炭略高。与在两阶段工艺中制备的活性炭相比，使用绘图算法计算的微孔的孔隙体积在一阶段过程中产生的活性炭较低。

　　对于在一个阶段过程中产生的活性炭，外表面积更高。对于在两阶段工艺中制备的活性炭样品，外表面积在对于在一步法制备的样品，外表面积在较低。这可以表明在两阶段过程中产生的活性炭的中孔的发生率更高，而来自一阶段过程的活性炭具有更多微孔的孔结构。用DFT函数计算的孔径分布和图1中给出的等温线的形状证实了这一观察结果。在没有活化的情况下碳化的样品中的孔隙体积很小，并且它们中的大多数在微孔区域中。

　　图1：(A、B)两种木质材料的一阶段和两阶段活化(C)原材料碳化的吸附等温线。

　　吸附等温线对比

　　碳化起始材料，两阶段和一阶段活化两种原材料的吸附等温线如图1A-C所示。活性炭前体材料的等温线(图1C)都具有低吸附容量。对于在一步法和两步法中制备的活性炭，吸附等温线的形状似乎存在一些差异(图1A，B)。在用不同起始材料制备的活性炭之间可以注意到I型和II型形状等温线。一步制备的活性炭遵循I型等温线，表明更多的微孔碳，而两步活性炭呈现更典型的中孔材料的II型吸附等温线。原碳显示I型等温线，吸附的体积较低。

　　用于活性炭生产中的碳化和活化的原料是关于成品性质的重要因素之一。在本次研究中，进行了用于活性炭生产中的两种不同途径之间的比较。所给出的结果为影响活性炭的生产参数提供了一些新的理解。根据结果​​，在工艺产率，比表面积和孔径分布方面产生活性炭的性质存在差异。差异可以与用于活化，直接碳化和活化(一步)或预碳化成炭化材料并随后活化(两步)的原材料相关。关于所生产的活性炭中的总碳含量，一步法和两步法之间没有显着差异，但可以看出原料之间的差异很小。使用两步法，产率明显更高。具有较高表面积的活性炭在一步碳活化过程中产生。通常，与两阶段方法相比，一步法的总孔体积更高。

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