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In diesem Dokument wird der aktuelle Markt für Aktivkohle analysiert, die Rohstoffe für Aktivkohle eingehend untersucht, Methoden zur Charakterisierung der Porenstruktur, Produktionsmethoden, Einflussfaktoren und Anwendungsfortschritte bei Aktivkohle vorgestellt und die Forschungsergebnisse zur Technologie zur Optimierung der Porenstruktur von Aktivkohle überprüft, mit dem Ziel, Aktivkohle eine größere Rolle bei der Anwendung grüner und kohlenstoffarmer Technologien zu verleihen.
Herstellung von Aktivkohle
Im Allgemeinen wird die Herstellung von Aktivkohle in zwei Phasen unterteilt: Karbonisierung und Aktivierung
Karbonisierungsprozess
Karbonisierung bezeichnet den Prozess des Erhitzens von Rohkohle auf hohe Temperaturen unter Schutzgas, um flüchtige Bestandteile zu zersetzen und karbonisierte Zwischenprodukte zu erhalten. Durch Anpassung der Prozessparameter kann das gewünschte Karbonisierungsziel erreicht werden. Studien haben gezeigt, dass die Aktivierungstemperatur ein wichtiger Prozessparameter ist, der die Karbonisierungseigenschaften beeinflusst. Jie Qiang et al. untersuchten den Einfluss der Karbonisierungsheizrate auf die Leistung von Aktivkohle in einem Muffelofen und fanden heraus, dass eine niedrigere Rate die Ausbeute an karbonisierten Materialien verbessert und hochwertige Materialien produziert.
Aktivierungsprozess
Durch Karbonisierung können die Rohstoffe eine graphitähnliche mikrokristalline Struktur bilden und eine primäre Porenstruktur erzeugen. Diese Poren sind jedoch ungeordnet oder durch andere Substanzen blockiert und verschlossen, was zu einer geringen spezifischen Oberfläche führt und eine weitere Aktivierung erfordert. Aktivierung ist der Prozess der weiteren Anreicherung der Porenstruktur des karbonisierten Produkts. Dies geschieht hauptsächlich durch die chemische Reaktion zwischen Aktivator und Rohstoff und kann die Bildung einer porösen mikrokristallinen Struktur fördern.
Die Aktivierung erfolgt im Wesentlichen in drei Phasen, um die Poren des Materials anzureichern:
(1) Öffnen der ursprünglich geschlossenen Poren (Durchgangsporen);
(2) Vergrößerung der ursprünglichen Poren (Porenerweiterung);
(3) Bildung neuer Poren (Porenbildung);
Diese drei Effekte treten nicht isoliert, sondern gleichzeitig und synergetisch auf. Generell fördern Durchgangsporen und die Bildung von Poren die Vergrößerung der Porenzahl, insbesondere der Mikroporen, was für die Herstellung poröser Materialien mit hoher Porosität und großer spezifischer Oberfläche von Vorteil ist. Eine übermäßige Porenerweiterung hingegen führt dazu, dass die Poren verschmelzen und sich verbinden, wodurch Mikroporen zu größeren Poren werden. Um Aktivkohlematerialien mit ausgeprägten Poren und großer spezifischer Oberfläche zu erhalten, ist es daher notwendig, eine übermäßige Aktivierung zu vermeiden. Zu den gängigen Aktivierungsmethoden für Aktivkohle gehören chemische, physikalische und physikochemischen Methoden.
Chemische Aktivierungsmethode
Bei der chemischen Aktivierung werden den Rohstoffen chemische Reagenzien zugesetzt und anschließend durch Einleiten von Schutzgasen wie N2 und Argon in einen Heizofen erhitzt, um sie gleichzeitig zu karbonisieren und zu aktivieren. Üblicherweise verwendete Aktivatoren sind NaOH, KOH und H3PO4. Die chemische Aktivierung bietet die Vorteile einer niedrigen Aktivierungstemperatur und einer hohen Ausbeute, birgt aber auch Nachteile wie starke Korrosion, schwierige Entfernung von Oberflächenreagenzien und erhebliche Umweltverschmutzung.
Physikalische Aktivierungsmethode
Bei der physikalischen Aktivierung werden die Ausgangsstoffe direkt im Ofen karbonisiert und anschließend mit bei hoher Temperatur eingeleiteten Gasen wie CO2 und H2O reagiert, um die Poren zu vergrößern und auszudehnen. Allerdings lässt sich die Porenstruktur bei dieser Methode nur schlecht steuern. CO2 wird häufig zur Herstellung von Aktivkohle verwendet, da es sauber, leicht erhältlich und kostengünstig ist. Durch die Verwendung karbonisierter Kokosnussschalen als Ausgangsstoff und deren Aktivierung mit CO2 entsteht Aktivkohle mit ausgeprägten Mikroporen, einer spezifischen Oberfläche von 1653 m2·g-1 und einem Gesamtporenvolumen von 0,1045 cm3·g-1. Die Leistung entspricht dem Verwendungsstandard von Aktivkohle für Doppelschichtkondensatoren.
Aktivieren Sie Mispelsteine mit CO2, um Superaktivkohle herzustellen. Nach 30-minütiger Aktivierung bei 1100 °C erreichen die spezifische Oberfläche und das Gesamtporenvolumen jeweils 3500 m²·g⁻¹ und 1,84 cm³·g⁻¹. Verwenden Sie CO2, um eine sekundäre Aktivierung von handelsüblicher Aktivkohle aus Kokosnussschalen durchzuführen. Nach der Aktivierung verengten sich die Mikroporen des fertigen Produkts, das Mikroporenvolumen erhöhte sich von 0,21 cm³·g⁻¹ auf 0,27 cm³·g⁻¹, die spezifische Oberfläche erhöhte sich von 627,22 m²·g⁻¹ auf 822,71 m²·g⁻¹ und die Adsorptionskapazität für Phenol erhöhte sich um 23,77 %.
Andere Wissenschaftler untersuchten die wichtigsten Einflussfaktoren des CO2-Aktivierungsprozesses. Mohammad et al. [21] fanden heraus, dass die Temperatur der wichtigste Einflussfaktor bei der Aktivierung von Gummisägemehl mit CO2 ist. Die spezifische Oberfläche, das Porenvolumen und die Mikroporosität des Endprodukts nahmen mit steigender Temperatur zunächst zu und dann ab. Cheng Song et al. [22] analysierten den CO2-Aktivierungsprozess von Macadamianüssen mithilfe der Response-Surface-Methode. Die Ergebnisse zeigten, dass Aktivierungstemperatur und -zeit den größten Einfluss auf die Entwicklung von Aktivkohle-Mikroporen haben.
Veröffentlichungszeit: 27. August 2024