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Questo documento analizza l'attuale mercato del carbone attivo, conduce un'analisi approfondita delle materie prime del carbone attivo, introduce i metodi di caratterizzazione della struttura dei pori, i metodi di produzione, i fattori influenti e i progressi nell'applicazione del carbone attivo e passa in rassegna i risultati della ricerca sulla tecnologia di ottimizzazione della struttura dei pori del carbone attivo, con l'obiettivo di promuovere il carbone attivo affinché svolga un ruolo maggiore nell'applicazione di tecnologie verdi e a basse emissioni di carbonio.
Preparazione del carbone attivo
In generale, la preparazione del carbone attivo si divide in due fasi: carbonizzazione e attivazione
Processo di carbonizzazione
La carbonizzazione si riferisce al processo di riscaldamento del carbone grezzo ad alta temperatura sotto la protezione di gas inerte per decomporne la materia volatile e ottenere prodotti intermedi carbonizzati. La carbonizzazione può raggiungere l'obiettivo previsto regolando i parametri di processo. Studi hanno dimostrato che la temperatura di attivazione è un parametro di processo chiave che influenza le proprietà di carbonizzazione. Jie Qiang et al. hanno studiato l'effetto della velocità di riscaldamento della carbonizzazione sulle prestazioni del carbone attivo in un forno a muffola e hanno scoperto che una velocità inferiore contribuisce a migliorare la resa dei materiali carbonizzati e a produrre materiali di alta qualità.
Processo di attivazione
La carbonizzazione può conferire alle materie prime una struttura microcristallina simile alla grafite e generare una struttura porosa primaria. Tuttavia, questi pori sono disordinati o bloccati e chiusi da altre sostanze, con conseguente riduzione della superficie specifica e conseguente necessità di ulteriore attivazione. L'attivazione è il processo di ulteriore arricchimento della struttura porosa del prodotto carbonizzato, che avviene principalmente attraverso la reazione chimica tra l'attivatore e la materia prima: può promuovere la formazione di una struttura microcristallina porosa.
L'attivazione avviene principalmente attraverso tre fasi nel processo di arricchimento dei pori del materiale:
(1) Apertura dei pori originali chiusi (pori passanti);
(2) Allargamento dei pori originali (espansione dei pori);
(3) Formazione di nuovi pori (creazione di pori);
Questi tre effetti non si verificano singolarmente, ma si verificano simultaneamente e sinergicamente. In generale, la porificazione e la creazione di pori favoriscono l'aumento del numero di pori, in particolare di micropori, il che è vantaggioso per la preparazione di materiali porosi con elevata porosità e ampia superficie specifica, mentre un'eccessiva espansione dei pori ne causerà la fusione e la connessione, convertendo i micropori in pori più grandi. Pertanto, per ottenere materiali a carbone attivo con pori sviluppati e ampia superficie specifica, è necessario evitare un'attivazione eccessiva. I metodi di attivazione del carbone attivo comunemente utilizzati includono il metodo chimico, il metodo fisico e il metodo fisico-chimico.
Metodo di attivazione chimica
Il metodo di attivazione chimica si riferisce a un metodo che prevede l'aggiunta di reagenti chimici alle materie prime e il loro successivo riscaldamento mediante l'introduzione di gas protettivi come N₂ e Ar in un forno di riscaldamento per carbonizzarli e attivarli contemporaneamente. Gli attivatori comunemente utilizzati sono generalmente NaOH, KOH e H₂P₂O. Il metodo di attivazione chimica offre i vantaggi di una bassa temperatura di attivazione e di un'elevata resa, ma presenta anche problemi come un'elevata corrosione, difficoltà nella rimozione dei reagenti superficiali e grave inquinamento ambientale.
Metodo di attivazione fisica
Il metodo di attivazione fisica prevede la carbonizzazione delle materie prime direttamente nel forno e la successiva reazione con gas come CO₂ e H₂O introdotti ad alta temperatura per aumentare e dilatare i pori, ma il metodo di attivazione fisica presenta una scarsa controllabilità della struttura dei pori. Tra questi, la CO₂ è ampiamente utilizzata nella preparazione del carbone attivo perché è pulita, facile da reperire e a basso costo. Si utilizza il guscio di cocco carbonizzato come materia prima e lo si attiva con CO₂ per preparare carbone attivo con micropori sviluppati, con un'area superficiale specifica e un volume totale dei pori rispettivamente di 1653 m²·g⁻¹ e 0,1045 cm³·g⁻¹. Le prestazioni hanno raggiunto lo standard di utilizzo del carbone attivo per condensatori a doppio strato.
Attivando il nocciolo di nespolo giapponese con CO2 per preparare carbone superattivo, dopo l'attivazione a 1100 °C per 30 minuti, l'area superficiale specifica e il volume totale dei pori hanno raggiunto rispettivamente 3500 m²·g-1 e 1,84 cm³·g-1. Utilizzare CO2 per eseguire l'attivazione secondaria sul carbone attivo commerciale da guscio di cocco. Dopo l'attivazione, i micropori del prodotto finito si sono ristretti, il volume dei micropori è aumentato da 0,21 cm³·g-1 a 0,27 cm³·g-1, l'area superficiale specifica è aumentata da 627,22 m²·g-1 a 822,71 m²·g-1 e la capacità di adsorbimento del fenolo è aumentata del 23,77%.
Altri studiosi hanno studiato i principali fattori di controllo del processo di attivazione con CO2. Mohammad et al. [21] hanno scoperto che la temperatura è il principale fattore che influenza l'utilizzo di CO2 per attivare la segatura di gomma. L'area superficiale specifica, il volume dei pori e la microporosità del prodotto finito aumentano e poi diminuiscono con l'aumentare della temperatura. Cheng Song et al. [22] hanno utilizzato la metodologia della superficie di risposta per analizzare il processo di attivazione con CO2 dei gusci di noci di macadamia. I risultati hanno mostrato che la temperatura e il tempo di attivazione hanno la maggiore influenza sullo sviluppo di micropori nel carbone attivo.
Data di pubblicazione: 27 agosto 2024