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Este documento analiza el mercado actual del carbón activado, realiza un análisis en profundidad de las materias primas del carbón activado, presenta los métodos de caracterización de la estructura de los poros, los métodos de producción, los factores influyentes y el progreso de la aplicación del carbón activado, y revisa los resultados de la investigación de la tecnología de optimización de la estructura de los poros del carbón activado, con el objetivo de promover que el carbón activado desempeñe un papel más importante en la aplicación de tecnologías verdes y bajas en carbono.
Preparación de carbón activado
En términos generales, la preparación del carbón activado se divide en dos etapas: carbonización y activación.
Proceso de carbonización
La carbonización se refiere al proceso de calentar el carbón crudo a alta temperatura bajo la protección de un gas inerte para descomponer sus volátiles y obtener productos carbonizados intermedios. La carbonización puede lograr el objetivo previsto ajustando los parámetros del proceso. Diversos estudios han demostrado que la temperatura de activación es un parámetro clave del proceso que afecta las propiedades de carbonización. Jie Qiang et al. estudiaron el efecto de la velocidad de calentamiento de la carbonización en el rendimiento del carbón activado en un horno de mufla y descubrieron que una velocidad más baja contribuye a mejorar el rendimiento de los materiales carbonizados y a producir materiales de alta calidad.
Proceso de activación
La carbonización puede hacer que las materias primas formen una estructura microcristalina similar al grafito y generen una estructura porosa primaria. Sin embargo, estos poros se desordenan o se bloquean y cierran con otras sustancias, lo que resulta en una superficie específica pequeña y requiere una mayor activación. La activación es el proceso de enriquecer aún más la estructura porosa del producto carbonizado, lo cual se lleva a cabo principalmente mediante la reacción química entre el activador y la materia prima, lo que puede promover la formación de una estructura microcristalina porosa.
La activación pasa principalmente por tres etapas en el proceso de enriquecimiento de los poros del material:
(1) Apertura de los poros cerrados originales (a través de los poros);
(2) Ampliación de los poros originales (expansión de poros);
(3) Formación de nuevos poros (creación de poros);
Estos tres efectos no se producen de forma aislada, sino de forma simultánea y sinérgica. En general, la porosidad y la creación de poros favorecen el aumento del número de poros, especialmente de microporos, lo cual resulta beneficioso para la preparación de materiales porosos con alta porosidad y gran superficie específica. Por otro lado, una expansión excesiva de los poros provocará su fusión y conexión, convirtiendo los microporos en poros más grandes. Por lo tanto, para obtener materiales de carbón activado con poros desarrollados y gran superficie específica, es necesario evitar una activación excesiva. Los métodos de activación de carbón activado más utilizados incluyen el químico, el físico y el fisicoquímico.
Método de activación química
El método de activación química consiste en añadir reactivos químicos a las materias primas y calentarlas mediante la introducción de gases protectores como N₂ y Ar en un horno de calentamiento para carbonizarlas y activarlas simultáneamente. Los activadores más comunes son generalmente NaOH, KOH y H₃P0₃. El método de activación química ofrece las ventajas de una baja temperatura de activación y un alto rendimiento, pero también presenta problemas como una alta corrosión, la dificultad para eliminar los reactivos superficiales y una grave contaminación ambiental.
Método de activación física
El método de activación física consiste en carbonizar las materias primas directamente en el horno y luego reaccionar con gases como CO₂ y H₂O introducidos a alta temperatura para aumentar y expandir los poros. Sin embargo, este método presenta un control deficiente de la estructura porosa. Entre ellos, el CO₂ se utiliza ampliamente en la preparación de carbón activado por su limpieza, facilidad de obtención y bajo costo. Utilizando cáscara de coco carbonizada como materia prima y activándola con CO₂, se prepara carbón activado con microporos desarrollados, con una superficie específica y un volumen poroso total de 1653 m²·g⁻¹ y 0,1045 cm³·g⁻¹, respectivamente. El rendimiento alcanzó el estándar de uso de carbón activado para condensadores de doble capa.
Se activó el hueso de níspero con CO₂ para preparar carbón superactivado. Tras la activación a 1100 °C durante 30 minutos, la superficie específica y el volumen poroso total alcanzaron 3500 m²·g⁻¹ y 1,84 cm³·g⁻¹, respectivamente. Se utilizó CO₂ para realizar una activación secundaria en carbón activado de cáscara de coco comercial. Tras la activación, los microporos del producto final se estrecharon, el volumen poroso aumentó de 0,21 cm³·g⁻¹ a 0,27 cm³·g⁻¹, la superficie específica aumentó de 627,22 m²·g⁻¹ a 822,71 m²·g⁻¹ y la capacidad de adsorción de fenol aumentó un 23,77 %.
Otros investigadores han estudiado los principales factores de control del proceso de activación con CO₂. Mohammad et al. [21] descubrieron que la temperatura es el principal factor influyente cuando se utiliza CO₂ para activar aserrín de caucho. La superficie específica, el volumen de poro y la microporosidad del producto final aumentaron primero y luego disminuyeron con el aumento de la temperatura. Cheng Song et al. [22] utilizaron la metodología de superficie de respuesta para analizar el proceso de activación con CO₂ de las cáscaras de nuez de macadamia. Los resultados mostraron que la temperatura y el tiempo de activación son los que más influyen en el desarrollo de microporos de carbón activado.
Hora de publicación: 27 de agosto de 2024