Активированный уголь (АУ) относится к высокоуглеродистым материалам, имеющим высокую пористость и сорбционную способность, получаемым из древесины, скорлупы кокосовых орехов, угля, шишек и т. д. АУ является одним из часто используемых адсорбентов, используемых в различных отраслях промышленности для удаления многочисленных загрязняющих веществ из водоемов и воздуха. Поскольку АУ синтезируется из сельскохозяйственных и отходов, он оказался прекрасной альтернативой традиционно используемым невозобновляемым и дорогим источникам. Для приготовления АУ используются два основных процесса: карбонизация и активация. В первом процессе прекурсоры подвергаются воздействию высоких температур, от 400 до 850 °C, для удаления всех летучих компонентов. Высокая повышенная температура удаляет все неуглеродные компоненты из прекурсора, такие как водород, кислород и азот в виде газов и смол. Этот процесс производит уголь с высоким содержанием углерода, но низкой площадью поверхности и пористостью. Однако второй этап включает активацию ранее синтезированного угля. Увеличение размера пор в процессе активации можно разделить на три категории: открытие ранее недоступных пор, развитие новых пор путем избирательной активации и расширение существующих пор.
Обычно для активации используются два подхода: физический и химический, чтобы получить желаемую площадь поверхности и пористость. Физическая активация включает активацию карбонизированного угля с использованием окисляющих газов, таких как воздух, углекислый газ и пар при высоких температурах (от 650 до 900 °C). Углекислый газ обычно предпочтительнее из-за его чистой природы, простоты в обращении и контролируемого процесса активации около 800 °C. Высокая однородность пор может быть получена при активации углекислым газом по сравнению с паром. Однако для физической активации пар гораздо предпочтительнее углекислого газа, поскольку может быть получен AC с относительно большой площадью поверхности. Из-за меньшего размера молекулы воды ее диффузия в структуре угля происходит эффективно. Было обнаружено, что активация паром примерно в два-три раза выше, чем активация углекислым газом с той же степенью конверсии.
Однако химический подход подразумевает смешивание прекурсора с активаторами (NaOH, KOH и FeCl3 и т. д.). Эти активаторы действуют как окислители, а также как дегидратирующие агенты. В этом подходе карбонизация и активация проводятся одновременно при сравнительно более низкой температуре 300-500 °C по сравнению с физическим подходом. В результате это влияет на пиролитическое разложение и, затем, приводит к расширению улучшенной пористой структуры и высокому выходу углерода. Основными преимуществами химического подхода по сравнению с физическим являются низкие температурные требования, высокая микропористость структур, большая площадь поверхности и минимизированное время завершения реакции.
Превосходство метода химической активации можно объяснить на основе модели, предложенной Кимом и его коллегами [1], согласно которой в AC находятся различные сферические микродомены, ответственные за образование микропор. С другой стороны, мезопоры развиваются в межмикродоменных областях. Экспериментально они образовали активированный уголь из смолы на основе фенола путем химической (с использованием KOH) и физической (с использованием пара) активации (рисунок 1). Результаты показали, что AC, синтезированный путем активации KOH, обладал высокой площадью поверхности 2878 м2/г по сравнению с 2213 м2/г при активации паром. Кроме того, другие факторы, такие как размер пор, площадь поверхности, объем микропор и средняя ширина пор, оказались лучше в условиях активации KOH по сравнению с активированными паром.
Различия между AC, полученными путем паровой активации (C6S9) и активации KOH (C6K9), соответственно, объясняются с точки зрения модели микроструктуры.
В зависимости от размера частиц и способа приготовления его можно разделить на три типа: порошкообразный AC, гранулированный AC и шариковый AC. Порошкообразный AC формируется из мелких гранул размером 1 мм со средним диапазоном диаметра 0,15-0,25 мм. Гранулированный AC имеет сравнительно больший размер и меньшую внешнюю площадь поверхности. Гранулированный AC используется для различных применений в жидкой и газообразной фазе в зависимости от их размерных соотношений. Третий класс: шариковый AC обычно синтезируется из нефтяного пека с диаметром от 0,35 до 0,8 мм. Он известен своей высокой механической прочностью и низким содержанием пыли. Он широко используется в приложениях с псевдоожиженным слоем, таких как фильтрация воды, благодаря своей сферической структуре.
Время публикации: 18 июня 2022 г.