活性炭孔结构调节_理论_方法与实践_解强.pdf

收稿日期:2004-10-13;修回日期:2005-05-10 基金项目:国家自然科学基金(50204011),教育部留学回国人员科研启动基金项目。作者简介:解强(1965-),男,安徽淮南人,工学博士、哲学博士,教授、博导,从事炭质吸附剂制备、固体废弃物利用研究。E-m ai:l dr-x ieq 文章编号:1007-8827(2005)02-0183-08活性炭孔结构调节:理论、方法与实践解 强,张香兰,李兰廷,金 雷(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 100083)摘 要:活性炭的吸附性能主要由其孔结构和表面官能团决定,尤其是孔结构对活性炭的性能有时甚至有决定性的影响。因此,根据用途与应用领域对吸附剂性能的要求定向制备具有特定孔结构的活性炭的方法具有重大的意义。通过对活性炭制备过程中孔结构调控方法研究状况的评介,以期对深入理解孔结构对活性炭的意义、阐释孔结构调控机理和方法有所帮助,进而指导制备具有要求结构和性能活性炭的生产实践。关键词:活性炭;孔结构;定向制备中图分类号:TQ 424.1 文献标识码:A1 前言吸附分离是利用吸附剂具有较强的脱除痕量物质的能力和良好的选择性,把结构类似、物化性质接近的物质分开的过程。吸附分离操作在石油、化工、冶金、食品和医药等行业中已得到广泛的应用,在保护环境、控制污染方面也发挥着越来越重要的作用。活性炭是一种具有高度发达的孔隙结构和极大内表面积的人工炭材料制品。它主要由碳元素(质量分数为 87%97%)组成,同时也含有氢、氧、硫、氮等元素,以及一些无机矿物质。吸附作用是活性炭的最显著的特征之一,它可以从气相或液相中吸附各种物质,且吸附能力很大:通常,其孔容积达0.2cm3/g 1.0 cm3/g、内表面积为 400m2/g 1000m2/g 1,2。活性炭主要用作吸附分离操作的吸附剂。与树脂、硅胶、沸石等吸附剂相比,活性炭具有很多优越性:孔隙结构高度发达、比表面积大;炭表面上含有(或可以附加上)多种官能团;具有催化活性;性能稳定,能在不 同温度 和酸碱 度下使 用;可以再生 1,2。因此,活性炭的应用领域不断扩大,从用于食品和医药的脱色与除味、防毒面具 1,发展到大规模应用于溶剂精制与回收、催化剂或催化剂载体、防除原子能设施放出的放射性物质、空气净化、烟气脱硫、食品保鲜、医药制品、血液净化 3-8,近年来又在大容量电容器、天然气贮存等领域得到新的应用 9-11。应用领域的扩大对吸附性能提出了新的、更高的要求,在/高吸附、多功能、高强度 0的总要求下,出现了对专用活性炭需求量越来越多的趋势 4-11。由于活性炭的吸附性能主要由其孔结构(孔形状、孔径及分布)和表面官能团决定 12,孔结构对活性炭的性能有时甚至有决定性的影响 13。因此,根据用途与应用领域对吸附剂性能的要求来制备具有特定孔结构的活性炭的方法就有重大的意义。本文就目前活性炭孔结构调控研究进展做一综述性的评介,以期对深入理解孔结构对活性炭的意义、阐释孔结构调控机理和方法有所帮助,进而指导制备具有要求结构和性能的活性炭的生产实践。2 活性炭的孔结构及其对应用的影响2.1 活性炭的孔结构活性炭的孔,是制备过程中在无定形炭基本微晶之间清除了各种含碳化合物及无序炭(有时也从基本微晶的石墨层中除去部分炭)后所产生的孔隙 14,15。使用不同方法研究发现,孔的形状多种多样,有些孔具有缩小的入口(墨水瓶状),有些是两端敞开或一端封闭的毛细管,还有些是两平面之间或多或少呈规则状的狭缝、V 形孔、锥形孔等 14,15。活性炭孔的大小从几个!到数千!以上 1。按孔隙半径的大小,Dubinin于 1960年提出把孔分 第 20卷 第 2期2005年 6月新 型 炭 材 料NEW CARBON MATERI ALSVo.l 20 No.2Jun.2005 为大孔(50nm)、中孔(过渡孔,2nm 50nm)及微孔(40%)的活性炭对抗癌药物丝裂霉素有满意的吸附作用 4。向线型酚醛树脂中添加不同的造孔剂,制备出3种不同孔径分布的酚醛树脂基球形活性炭,考察了它们对血液中有代表性的生理中、小分子 VB12和肌酐的吸附行为 5。结果表明,这些球形炭对 VB12的吸附率受其孔结构的影响。VB12的分子量高(1335.5)、分子尺寸大(2.09 nm),总孔容积大、中大孔(10nm)比率高(80%)的活性炭对 VB12有较大的吸附率 5。低压贮存天然气需要高密度微孔活性炭 10,用作活性炭电极的活性炭粉末等,其比表面积一般在1000m2/g以上,孔分布应以中微孔为主 9。3 活性炭孔结构的表征孔径分布是指不同尺寸孔的容积在总孔容积中所占的比例,或各种孔的孔壁面积占所有孔道总表面积的比例。孔径分布一般用积分或微分孔分布曲线表示。孔径分布测定的方法有很多 1,12,18-20,对于大孔,可用光学显微镜(图像分析仪)法和压汞法测定;对过渡孔,可用压汞法、气体吸附法和电子显微镜法;对于微孔,宜采用毛细管凝聚法和 X 射线小角散射法。用气体吸附法表征活性炭的孔结构能得到许多信息 20,21。根据活性炭对特定气体的等温吸附线,采 用MP 法、Dubin-iRadushkev ich 法、Dubinin-stakhov法或 Horvath-Kawazoe方程,可以较好地表征微孔特征;应用 Kelvin方程、BJH 法等,可对中孔及大孔的结构特征进行清楚的解析 20。高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)也是研究活性炭孔结构的常用方法。由于获得孔结构信息的过程比较复杂,往往需要昂贵的专门仪器,为此研究者们试图通过把活性#184#新 型 炭 材 料第 20卷炭的一些具有代表性的吸附性能指标与其孔结构特征进行关联的方法,来间接表征吸附材料的孔结构。高尚愚等 22研究发现,活性炭的碘吸附值、亚甲基蓝脱色力及焦糖脱色力等指标,分别与活性炭孔隙结构中半径约为 0.55nm、0.8nm 及 1.4 n m 以上孔隙的发达程度有关。有些情形下使用确切的孔结构信息也不能全面反映活性炭的吸附特性。例如,用于汽车燃油蒸发控制系统的活性炭,是一种对小分子烃既要吸得进、又能脱得出的新型活性炭 23,尽管这类活性炭对丁烷等烃类物质的吸附能力与其中孔的发育程度有明显的相关关系 24,但只有以实际测定的/丁烷工作容量0(Butane working capacity,BW C)23,25,26为指标才可正确评价活性炭在这个领域应用的可能性。4 活性炭孔结构调控方法活性炭孔结构调控,或称为活性炭定向制备,就是根据用途和应用领域对活性炭吸附性能的特定要求来确定、调节和控制吸附材料的孔结构,生产出具有指定孔结构和性能的活性炭 18。4.1 理论基础活性炭的制造方法主要有化学活化法和物理活化法 1,3,12,15。活性炭的最终性能受原料特性和制备过程的共同影响 27,因而选用不同的前驱体(Precursor)或改变制备条件都有可能调节活性炭的性能 28。迄今,以沥青、纤维、有机高分子化合物为原料,均进行了活性炭的定向制备研究 29-32。由于来源广泛,煤和煤加工产物(如沥青)已成为制造活性炭的主要原料 1,3,15,18,33。从活性炭孔结构、微晶结构、吸附性能间的关系研究入手,解强等 2,18首先确定了活性炭具有各向同性、非石墨化、无定形炭含量多的结构特征,结合有机物炭化路径的研究,指出定向制取活性炭的根本途径在于控制原料的炭化过程,使炭化物成为各向同性、难石墨化、无定形炭结构为主的炭前驱体 34;应用热重、X 射线衍射、傅里叶变换红外光谱等方法,研究了煤预氧化、向煤中添加化学药品(KOH 和 ZnCl2)、炭化升温速度等因素对煤炭化过程、炭化物结构的影响 2,18,31,34-37,提出控制煤炭化过程的机制是在形成胶质体的温度阶段减少小分子碎片的量,在固相炭化的条件下阻碍热解产生的大分子自由基择优取向,形成各向同性的炭前驱体 2,18,31;根 据 KOH 对 炭 化 和 活 化 的 不 同 作用 2,18,37,制定/原料选择-炭化控制-催化活化 0工艺 38,奠定煤基活性炭定向制备技术的理论基础 39。不同煤种生产的活性炭,孔结构各有特点:低变质程度的烟煤生产的活性炭,中孔较丰富;无烟煤生产的活性炭微孔发达。采用配煤法能在一定范围内改变活性炭的孔结构 40,41。张文辉等 41从物质表面能的观点,分析了配煤生产活性炭调节孔结构的原理及局限性。4.2 活性炭孔结构调控方法原料特性和活化工艺互相影响和制约,最终影响活性炭的孔结构和性能,其中原料特性的影响是第一位的。研究发现,以煤为原料制备活性炭时,煤岩成分、矿物质的种类、元素组成、变质程度等煤本身的特性,基本上决定了产物的微晶结构、孔结构,即决定了活性炭的吸附性能 2,18,34,42。4.2.1 化学活化法化学活化法制备活性炭,是将原料经 0.5倍 4倍的化学药品(工业上使用的化学品有 H3PO4、ZnC l2、KOH等)溶液浸渍后加热,由于化学品的脱水作用,原料中的氢和氧以水蒸气的形式释放,形成孔隙发达的活性炭 1。这类方法要求原料中氧的质量分数 25%,氢的质量分数 5%,对木质原料(氧的质量分数约 43%、氢的质量分数约 6%)1,43和极少数的年轻褐煤(氧的质量分数达 20%)、褐煤及中低变质程度的烟煤(氢的质量分数在 4.5%左右)20。原料组成与特性、化学品的种类与浸渍量、工艺条件等都会影响炭质吸附剂的孔结构。例如,KOH、ZnC l2、H3PO4是 制备活 性炭的 常用化 学品 1,14,15,18,27,29,31,32,用这 3种化学品制备的炭质吸附剂在比表面积、孔容积、孔径及分布方面就具有很大的差异 44,45。4.2.2 物理活化法物理活化法是把原料炭化后,用水蒸气、二氧化碳、空气、烟道气等,在 600e 1200e 下对炭化物进行 高温 热 破 坏(部 分 氧 化)以 产 生 多 孔 结构 1-3,14,15,18,39。在活化过程中,工艺参数的选择与控制对活性炭孔结构的影响很大。活化工艺参数包括温度、时间、活化气体组成及分压、催化剂种类等 1,18。较低的活化温度可以得到孔径均匀的活性炭。Jankow ska 1解释其原因为:温度低时化学反应速度慢,气体活化剂易在孔内和颗粒间达到浓度动态平#185#第 2期解强 等:活性炭孔结构调节:理论、方法与实践 衡,为均匀造孔创造了条件。活化时间对孔隙结构的发育影响很大。研究表明 3,15,46,活化分阶段进行。第一阶段在质量减少率(或称烧失量)为 10%20%左右时,首先是无规则炭被选择性地消耗,结晶体间闭塞的微孔被打开,把基本微晶的表面暴露给活化剂;第二阶段,结晶体的碳被消耗,原有的细孔被扩大,相邻微孔间的壁完全烧掉并形成孔径大的细孔。一般用烧失率作为活化度的指标。Dubinin 15,46,47认为,烧失率在50%以下时,得到以微孔为主的活性炭;在 75%以上时,得到以大孔为主的活性炭;在 50%75%之间时,是大孔和微孔的混合结构。活化气体反应性、分子尺寸的不同造成活化时炭化料内孔发育不同 14,一般地,用水蒸气活化可得到最好的孔结构,并且在较低的水蒸气分压、较长的活化时间条件下能提高微孔量 14。CO2活化有利于中孔的形成,其原因可能是 CO2较大的分子尺寸造成扩散速度缓慢,阻碍微孔结构的形成 14。M arsh和 Rand 48发现,以 CO2作为活化剂时,加入CO可增加微孔的形成,这是由于 CO减少碳与 CO2的亲和性使 CO2能扩散入颗粒内部气化而促进微孔的形成。另外,活化剂流速和用量对孔结构也有影响 43,49。流速较低时,活性炭微孔容积大;高流速时,微孔容积反而减少,这是高流速使颗粒外表面烧失引起的不均匀活化所致。W igmans等 50发现,为生产微孔发达的高比表面积活性炭,可加入 K或 Na化合物。但是,加入碱及碱土元素化合物对活性炭的强度有负面的影响 33。活性炭前驱体制备中的预氧化和炭化过程中的部分氧化均能改变制得活性炭的性状 51,52。此外,快速升温炭化得到的炭化物表现出比慢速升温炭化得到的炭化物更高的反应性,制得的活性炭的比表面积也略为提高 53。解强等研究发现,缓慢炭化可使活化速度降低,制备出具有优异吸附性能的活性炭,特别是在高烧失量的活化后期为活性炭内表面积的进一步增加提供了可能 2,18,35;炭化低温区活性炭料条的部分氧化导致生成吸附性能高的优质活性炭 2,18,35;炭化物中的无机质由于对 C)H2O体系有催化作用能促使活化速度提高,不利于优质活性炭的制备 2,18;向活性炭料条中加入 ZnC l2亦会大幅度提高活化速率,加入适量的 ZnC l2(质量分数为 5%以下),能使活性炭的性能在活化阶段的后期大大提高,但ZnC l2的量增大到质量分数为 10%时,对活性炭比表面积已呈负面的影响 2,18,35;KOH 在活性炭制备中的炭化和活化阶段表现出不同的影响,KOH的加入促使料条在炭化时生成无定形炭为主的炭前驱体,为活化阶段打下良好的基础,但残留于炭化物中的含钾物质对活化过程的催化作用,促进了中孔、大孔的生成 2,18,35,37。4.2.3 物理-化学联合法化学法和物理法制备活性炭在工艺复杂程度、成本、对孔结构调控能力等方面具有互补性,它们经常被同时应用于孔结构的调控。在物理活化前对前驱体进行化学改性,可以灵活调控活性炭的孔结构,甚至制备出仅含微孔或仅含中孔的活性炭 27,54-58。Boudou等 59采用煤焦油沥青、三种不同变质程度的烟煤为原料,研究了 M oC l5及其副产物对孔形成的影响。由于 M oC l5的脱氢作用引起的交联和凝聚反应,促进了炭化时微孔的增长;在炭化物中形成的孔以及残余的含 M o化合物对随后进行的水蒸气活化反应有利。Ah m adpoura等 60以烟煤为原料,采用 KOH、ZnC l2进行化学活化后用 CO2物理活化制备了一系列活性炭,研究了化学活化工艺参数(时间、温度、颗粒尺寸、化学品种类、浸渍比例、混合方法等)的影响。结果表明,将 ZnCl2活化得到的活性炭再用 CO2部分气化可以改善活性炭的吸附性能,化学活化中,最重要的工艺参数为浸渍量,同时,炭化时间是对孔体积发育有很大影响的另一个参数 60。用 KOH 和 NaOH 将褐煤消解,然后炭化,活性炭的微孔和中孔孔径可通过改变碱与煤的含氧官能团含 量比的 方法 加以 控制 61。采 用 HC l O4或M g(C l O4)化学活化-CO2物理活化联用的方法以无烟煤为原料制备了一系列具有不同孔结构的活性炭 27,其机制是通过化学处理/嵌入0(Insertion)和/氧化0(Oxidation)反应/修饰 0无烟煤的微结构(M icrotexture),并且两个反应作用的程度与化学品种类、处理时间和温度、无烟煤结构特性均有关系,无烟煤预处理对减少活化时间、改变活性炭的孔结构有显著的影响 27。借助 XPS、FTIR、TGA、M S、元素分析、气相吸附等方法可分析化学预处理参数的影响,进而确定了制备具有合适的微孔、中孔结构的活性炭的工艺条件 27。张文辉等用密度法分离、富集了太西无烟煤的镜质组、丝质组,研究了金属化合物 NiO、Fe2O3对以太西无烟煤或其镜质组、丝质组制备活性炭吸附#186#新 型 炭 材 料第 20卷性能的影响 62-64。结果表明:加入 N i O、Fe2O3等金属化合物可显著提高活性炭的吸附性能,其原理是N iO、Fe2O3等金属化合物对活化反应的催化作用改变了活化反应历程,最终影响了活性炭的孔结构 57,58。4.3 中孔活性炭制备方法研究进展中孔活性炭在水处理、催化剂载体、双电层电容器、血液净化领域的广泛应用,极大促进了中孔活性炭制备方法的研究。各种含碳原料(石油焦、炭纤维、沥青、棉花、苯酚树脂、人造纤维等)被用来尝试制备中孔活性炭 29,甚至以城市废弃物为原料研究了制备专门用于吸附脱除二噁英的活性炭 65。过渡金属、稀土金属催化活化含碳材料可以制得富 含中 孔和 大 孔的 活性 炭 32,66;利 用/柱 0(P illar)效应,可以控制以离子交换树脂为原料所制备的活性炭中微孔的形成 30;以有机聚合物为原料,采用聚合物混合物炭化法、有机凝胶炭化法和模板法可以制备中孔发达的活性炭 32,67。张引枝等 68研究了添加剂对活性炭纤维中孔结构的影响,发现在原料中添加有机聚合物 PVA、PVAc和 T i O2和 M gO 颗粒、炭黑、石墨、活性炭颗粒等,均对提高活性炭纤维的中孔率有效;添加的T i O2在活化过程中成为碳氧化的活性中心,在其周围形成中孔。张文辉等人 69公开了一种煤基中孔活性炭制造方法,主要原理是在磨粉、成型过程中或炭化后加入碳-H2O 反应的催化剂,以调整活性炭的孔结构,制备中孔发达的煤基活性炭。5 结语活性炭的吸附性能在很大程度上决定于孔结构特征,根据用途和应用领域对吸附剂性能的要求对活性炭的孔结构进行调控,定向制备活性炭,已成为目前活性炭领域研究的热点。原料特性、制备方法和工艺均能改变炭质吸附剂的性能。通过选择炭吸附材料的前驱体或对原料进行改性,采用化学活化法、物理活化法或化学-物理联用法,能在一定程度上控制炭质吸附剂的孔结构。但是,对活性炭定向制备目前尚缺乏系统的研究,原料性质、工艺过程影响吸附剂孔结构的量化程度不够。参考文献 1 Jankow ska H,Sw iatkow skiA,Choma J.Active Carbon M.N ew Y ork:EllisHorwood,1991.2 解强.炭化过程控制及煤基活性炭制备的研究 D.徐州:中国矿业大学,1996.(X I E Q iang.Study on contro lovercoalcarbonization and prepa-ration of activation carbon D.X uzhou:China U niv.of M in-ing&Tech.,1996.)3 W igmans T.Industrial aspects o f production and use o f activatedcarbons J.Carbon,1989,27(1):13-22.4 吴开金.AT 型载体活性炭吸附抗癌药物试验 J.福建林业科技,1997,24(4):32-35(WU Ka-i jin.An experi ment on adsorbing anticancer drugs byA-type carrier activated carbon J.Journal of Fujian Forest Sc-ience and T echno 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