Активированный уголь (АУ) относится к высокоуглеродистым материалам с высокой пористостью и сорбционной способностью, 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 отходов и отходов, он оказался прекрасной альтернативой традиционно используемым невозобновляемым и дорогим источникам. Для получения 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 из прекурсора все неуглеродные компоненты, такие как водород, кислород и азот, в виде газов и смол. Этот процесс производит уголь с высоким содержанием углерода, но малой 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, образование новых пор путем выборочной 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 обугленного 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 намного предпочтительнее углекислого газа, поскольку может быть получен AC с относительно большой площадью поверхности. Из-за меньшего размера молекулы воды ее диффузия внутри структуры угля происходит эффективно. Было обнаружено, что активация паром примерно в два-три раза выше, чем активация углекислым газом при той же степени превращения.
Однако химический подход предполагает смешивание прекурсора с активаторами (NaOH, KOH, FeCl3 и т.д.). Эти активаторы действуют как окислители, так и 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 происходит пиролитическое разложение, что приводит к расширению улучшенной пористой структуры и высокому выходу углерода. Основными преимуществами химического подхода по сравнению с физическим являются низкая требуемая температура, высокая микропористость, большая площадь поверхности и минимальное время завершения реакции.
Превосходство метода химической активации можно объяснить на основе модели, предложенной Кимом и его коллегами [1], согласно которой в АУ обнаружены различные сферические микродомены, ответственные за образование микропор. С другой стороны, мезопоры развиваются в межмикродоменных областях. Экспериментально они образовали активированный уголь из фенольной смолы путем химической (с использованием KOH) и физической (с использованием пара) активации (рисунок 1). Результаты показали, что АУ, 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 активацией 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 получения его можно разделить на три типа: порошкообразный AC, гранулированный AC и шариковый AC. Порошкообразный AC формируется из мелких гранул размером 1 мм со средним диаметром 0,15-0,25 мм. Гранулированный AC имеет сравнительно больший размер и меньшую внешнюю площадь поверхности. Гранулированный AC используется для различных жидкофазных и газообразных применений 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. Благодаря своей сферической структуре он широко используется в псевдоожиженном слое, например, для фильтрации воды.
Время публикации: 18 июня 2022 г.