活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　根據近期需求活性炭被用作具有儲存限制的儲能介質，并且其在空氣凈化器和汽車過濾器領域中的使用迅速增加。為了在這些領域中的更好發展需要開發高比表面積的活性炭。以前的研究中了解到活性炭中的揮發性物質含量越高活化出來的比表面積越大，活性炭的揮發性物質受碳表面上的氧官能團的含量的影響。為了研發具有高比表面積的活性炭，在炭活化期間可用作有用電子供體的氧官能團硝酸處理后并摻入活性炭中。根據原料的表面特征，氧官能團的結合方式不同來測試制成的活性炭表面積。

　　通過硝酸處理和活化制備活性炭

　　選擇木質材料和椰殼作為活性炭的原料。研磨所有活性炭，并且僅在實驗中使用粒度在20-40目范圍內的那些。使用硝酸將氧官能團結合在活性炭的表面上。將分別將兩種材料和硝酸溶液置于燒瓶內并攪拌并在80℃下加熱12小時。將經表面處理的活性炭用蒸餾水洗滌多次直至它們變為中性(pH7.0)后，將它們在加熱至105℃的烘箱中脫水至少12小時。根據5%、10%、20%濃度硝酸處理條件下獲得六個樣品。表面處理后的活性炭通過與化學活化劑固體混合而經歷活化反應。活化反應在750℃下進行1小時并在850℃下以10℃/分的加熱速率進行3小時。整個過程重復三次，活化之前六個酸處理后的樣品。

　　圖1：通過硝酸處理和活化活性炭的程序和目的。

　　硝酸處理活性炭的近似分析和元素分析

　　本研究中使用的活性炭的近似分析和元素分析結果如圖2所示。基本組成顯示出取決于用于制備活性炭的原料的差異，椰殼活性炭的固定碳和碳含量高于木質活性炭。木質的揮發性物質平均為10.48±0.14%，比椰殼的2.96±0.08%平均揮發性物質高約3倍，并且由于使用硝酸進行表面處理后急劇增加。在元素分析的結果中，氧氣明顯增加，這表明表面官能團的摻入通過硝酸處理是無縫的。根據活性炭的類型，氧含量增加存在明顯差異。因此，通過表面處理增加的揮發性物質有助于在活化過程中形成缺陷區域。因此，與通過活化反應的初始條件相比，預期形成高比表面積。

　　圖2：關于硝酸處理的活性炭的近似和元素分析的結果。

　　活化處理炭的比表面積

　　已知微孔在化學活化過程中形成，因為活化劑內金屬被還原。因此，通過表面處理摻入的氧官能團可在活化期間用作有用的電子供體。換言之，預期它們在具有高比表面積的活性炭的生產中貢獻更多。雖然起始材料的程度存在差異，但與沒經過硝酸處理的相比，沒有表面處理的活性炭比表面積分別增加了約2.05倍和1.68倍。在活化與表面處理后的樣品，活性炭的比表面積和孔分布顯示出不同的結果，這取決于氧官能團在碳前體中的摻入程度。盡管與表面處理相關的活化樣品的比表面積增加，但是根據目標活性炭存在輕微差異。對于木質活性炭，所有表面處理樣品的比表面積低于化學活化后的木質活性炭，并且比表面積在降至20%濃度之前增加至10%處理濃度。對于椰殼活性炭，根據表面處理濃度的比表面積的增加與木質活性炭的相似，但比表面積高于化學活化的椰殼活性炭。根據目標活性炭的這種差異似乎與用于生產活性炭的起始材料的物理特性有關。結合在碳固體表面中的氧官能團在活化過程中對孔形成有顯著貢獻，并且已經被氧化的羧基官能團導致碳固體的結構在活化過程中塌陷，這減少了孔區域。在現有微孔中活化后，對微孔和中孔開發椰殼活性炭的孔分布，并且具有低氧官能團摻入的表面處理樣品中的微孔膨脹以顯示朝向中孔發展的分布。對于椰殼活性炭，通過表面處理將羰基沒有主要擴散到羧基，這表明與木質活性炭相比，孔發展容易，因為通常摻入羰基。

　　圖3：用硝酸和活化處理的活性炭的孔徑分布。

　　對于制造高比表面積的活性炭的研究測試中，發現當硝酸處理濃度增加時，根據目標活性炭的表面特征不同地摻入氧官能團。對于與木質活性炭相比用相同的20%硝酸濃度處理的椰殼活性炭表面，-COOH官能團含量比木質活性炭小約3倍。用于增加比表面積的氧官能團是羰基，并且隨著官能團的含量增加，羰基擴散到羧基。在活化劑含量降低的條件下，摻入5.69%羰基經過硝酸處理后的木質活性炭比表面積最多增加了0.18-35.58%。此外，摻入了4.75%的羰基的椰殼活性炭的比表面積的發展最大為0.34-24.73%。根據實驗結果表明，通過控制氧官能團類型和碳含量可以增加活性炭的比表面積。

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