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實驗室活性炭制備的各個階段

更新時間:2024-08-08   點擊次數(shù):353次
  實驗室活性炭制備方法主要包括選擇適合的原料,通過物理活化法或化學活化法進行炭化和活化,以及最后的洗滌和烘干步驟。下面將詳細探討各階段的具體內(nèi)容和注意事項:
  1.原料的選擇
  含碳材料的種類:幾乎所有含碳材料都可以用于制備活性炭,包括煤炭、石油焦、木質(zhì)素、塑料等。近年來,科研工作者越來越傾向于使用可再生資源,如棉花桿、竹子、小麥秸稈和濕地水生植物等。這些生物質(zhì)資源不僅價格低廉、灰分少,而且形成時間短,結(jié)構(gòu)疏松,易于生成發(fā)達的微孔結(jié)構(gòu),是制備活性炭的理想選擇。
  生物質(zhì)資源的熱解過程:在熱解過程中,纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等主要成分會發(fā)生復雜的化學反應,如分子鍵斷裂、異構(gòu)化和小分子聚合。這些反應可以分為干燥階段、預熱解階段、固體分解階段和煅燒階段,每個階段的溫度區(qū)間和反應特性各不相同。
  2.活化方法的選擇
  物理活化法:也稱為氣體活化法,主要利用氧化性活化劑(如水蒸氣、二氧化碳)與碳原子發(fā)生反應,刻蝕部分碳原子從而形成更多的孔隙結(jié)構(gòu)。盡管此方法對環(huán)境污染較小,但存在加熱溫度高、時間長、得率低等缺點。
  化學活化法:將原料粉碎后與活化劑(如氯化鋅、磷酸、氫氧化鉀等)混合,然后在惰性氣氛下加熱同步完成炭化和活化?;瘜W活化法可以顯著降低活化溫度,具有脫水作用,從而提高活性炭的質(zhì)量和吸附性能。其中,ZnCl2法由于環(huán)境污染問題逐漸被限制使用;堿活化法雖然常用于制備高比表面積活性炭,但存在溫度高、設(shè)備要求高等問題;而磷酸活化法對環(huán)境污染小,生產(chǎn)出的活性炭產(chǎn)品均勻穩(wěn)定,應用范圍廣泛。
  3.活化劑的作用機理
  磷酸活化法:磷酸不僅能促進熱解反應,降低活化溫度,還能在高溫下阻止顆粒收縮和焦油生成,最終形成發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)。左宋林在其研究中總結(jié)了磷酸在活化過程中的五種主要作用:促進含碳原料組分的水解、催化生物高分子的脫水和芳構(gòu)化反應、引發(fā)交聯(lián)反應以及成孔作用。
  堿金屬活化法:以KOH為例,活化過程中發(fā)生脫水反應和水煤氣反應,生成大量的氫氣和碳酸鉀,從而使產(chǎn)物具有較多的微孔結(jié)構(gòu)。這種方法能生成高比表面積的活性炭,適用于吸附大分子污染物。
  4.加熱方法的選擇
  常規(guī)加熱法:通過外部熱源逐層傳導熱量完成加熱,但存在能耗高、效率低、加熱不均勻等問題。
  微波加熱法:利用樣品內(nèi)極性分子吸收微波后做震蕩運動產(chǎn)生熱量,加熱速度快且均勻,有效降低能耗。
  5.洗滌和烘干
  洗滌過程:用稀鹽酸洗滌除去活化劑和其他雜質(zhì),再用蒸餾水多次洗滌至pH值為5-7。這一步非常關(guān)鍵,因為殘留的活化劑會影響活性炭的質(zhì)量和性能。
  烘干研磨:最后將濕炭烘干并進行研磨,得到粒度均勻的活性炭粉末。
 

實驗室活性炭制備