活性炭孔的形成机理及分类

    活化法成孔机理

    活化反应属于气固相系统的多相反映，活化过程括物理和化学两个过程，整个过程包括气相中的活化剂向炭化材料外表面扩散、活化剂向炭化料内表面的扩散、活化剂被炭化料内表面吸收、炭化料表面发生反应生成中间产物（表面络合物）、中间产物分解成反应产物、反应产物脱附、脱附下来的反应产物由炭化料内表面向外表面扩散等过程。

    气体活化法

    物料在炭化过程中以形成了类似石墨的基本微晶结构，在微晶之间形成了初级空隙结构，不过由于这些初级孔隙结构被炭化过程中生成的一些无序的无定形碳或焦油馏出物所堵塞或封闭，因此炭化料的比表面积很小。气体活化的过程就是用活化气体与C发生氧化还原反应，侵蚀炭化物的表面，同时去除焦油类物质及未炭化物，使炭化料的微细孔隙结构发达的过程。活化反应通过以下三个阶段最终达到活化造孔的目的。

    第一阶段：开放原有的闭塞孔。即高温下，活化气体首先与无序碳原子及杂原子发生反应，将炭化时已形成但却被无序碳原子及杂原子所堵塞的孔隙打开，暴露出基本微晶表面。

    第二阶段：扩大原有孔隙。在此阶段，暴露出来的基本微晶表面上的C原子与活化气体发生氧化反应被烧失，使得打开的孔隙不断扩大、贯通及向纵深发展。

    第三阶段：形成新的孔隙。微晶表面C原子的烧失是不均匀的，同炭层平行方向的烧失速率高于垂直方向，微晶边角和缺陷位置的C原子即活化位更易与活化气体反应。同时，随着活化反应的不断进行，新的活性位暴露于微晶表面，新的活化点又能同活化气进行反应。微晶表面这种不均匀的燃烧不断地导致新孔隙形成。

    随着活化反应的进行，孔隙不断扩大，相邻孔隙之间的孔壁被完全烧失而形成较大的孔隙，导致中孔和大孔孔容增加，从而形成了活性炭大孔、中孔和微孔相连接的孔隙结构如图1所示，具有发达的比表面积。

    图1 活性法成孔图

    气体活化法其主要化学反应式如下：

    从上述三个化学反应式可以看出，三个反应均是吸热反应，即随着活化反应的进行，活化炉的活化反应区域温度将逐步下降，如果活化区域的温度低于800℃上述活化反应就不能正常进行，所以在活化炉的活化反应区域需要同时通入部分空气与活化产生的煤气燃烧补充热量，或通过补偿外加热源，以保证活化炉活化反应区域的活化温度。

    化学药品活化法

    化学药品活化法通常要求含碳原料中的氧含量及氢含量要达到一定数值，因此化学活化法最适宜的原料主要为果壳、泥浆、木屑、木片等。

    化学药品活化法的成孔过程与气体活化法截然不同，一般形成的孔结构与气体活化法产生的活性炭的孔结构有较大不同，产品主要以中孔为主，因此化学药品活化法生产的活性炭主一般用于液相脱色精制，诸如医药行业、食品行业等的脱色精制。

    模板炭成孔机理

    在微孔碳中，最高表面积和孔体积可以分别达到4 000 m2/g 和1.8mL/g，它们均是在纳米沸石[15-26]通道中炭化碳前驱体而制作的活性炭，该种制作活性炭过程称为模板炭化技术。由于沸石的渠道的大小和形状被其晶体结构严格界定，并且在复合而成的活性炭中形成的孔是继承沸石的渠道而来，因此在复合而成的活性炭中形成的微孔孔径和孔形态是均一的。真空低温状态下向沸石通道中注入糠醇，接着利用三甲基苯清除粘在沸石颗粒表面多余的糠醇。获得糠醇/沸石复合颗粒后在150℃下加热8小时使其聚合为糠醇/沸石聚合体。

    聚合体在700℃下炭化，然后用46%-48%的氢氟酸冲洗溶解沸石模板。沸石笼与活性炭中生成的孔隙的关系如原理图2 所示。

    图2 沸石模板活性炭形成示意图

    共混聚合物成孔机理

    共混聚合物法被提出用来制作多种类型的活性炭，混合两种不同的聚合物，一种具有高的碳产率，如糠醇聚合物等，一种有具有低的碳产率，如乙烯聚合物。两种聚合物混合方法的不同可以制成碳气球，碳颗粒和多孔碳等，其成孔机理见图3。

    混合两种热稳定性不同聚合物，形成稳定混合物。然后用高温处理，成碳聚合物炭化为碳，热解聚合物热解为气体排出，成为共混聚合物活性炭的孔隙，这样就形成了共混活性炭。

    图3 共混聚合物成孔原理图

    气凝胶活性炭成孔机理

    气凝胶活性炭成孔主要是应用气凝胶原有孔隙性，经过高温炭化，把原有可变孔隙定型，成为有固定孔隙结构的活性炭。