다공성 탄소 기공 구조 최적화-Ⅰ

당사 웹사이트에 오신 것을 환영합니다. 제품 정보와 상담을 받아보세요.

저희 웹사이트:https://www.vet-china.com/

 

본 논문은 현재 활성탄 시장을 분석하고, 활성탄 원료에 대한 심층 분석을 실시하고, 활성탄의 기공 구조 특성화 방법, 생산 방법, 영향 요인 및 응용 진행 상황을 소개하며, 활성탄 기공 구조 최적화 기술에 대한 연구 결과를 검토하여 활성탄이 녹색 및 저탄소 기술 응용 분야에서 더 큰 역할을 수행하도록 촉진하는 것을 목표로 합니다.

 

활성탄의 제조

일반적으로 활성탄의 제조는 탄화와 활성화의 두 단계로 나뉜다.

 

탄화 공정

탄화는 불활성 가스의 보호 하에 원탄을 고온에서 가열하여 휘발성 물질을 분해하고 중간 탄화 생성물을 얻는 공정입니다. 탄화는 공정 매개변수를 조정함으로써 예상 목표를 달성할 수 있습니다. 연구에 따르면 활성화 온도는 탄화 특성에 영향을 미치는 주요 공정 매개변수입니다. Jie Qiang 등은 머플로에서 활성탄의 성능에 대한 탄화 가열 속도의 영향을 연구하여, 낮은 속도가 탄화 재료의 수율을 향상시키고 고품질 재료를 생산하는 데 도움이 된다는 것을 발견했습니다.

 

활성화 프로세스

탄화는 원료가 흑연과 유사한 미결정 구조를 형성하고 1차 기공 구조를 생성하도록 할 수 있습니다. 그러나 이러한 기공은 다른 물질에 의해 무질서하게 되거나 막히거나 닫혀 비표면적이 작아지고 추가적인 활성화가 필요합니다. 활성화는 탄화된 제품의 기공 구조를 더욱 풍부하게 하는 과정으로, 주로 활성화제와 원료 사이의 화학 반응을 통해 수행됩니다. 활성화는 다공성 미결정 구조의 형성을 촉진할 수 있습니다.

활성화는 주로 재료의 기공을 풍부하게 하는 과정에서 세 단계를 거칩니다.
(1) 원래 닫혀 있던 기공을 열어줌(기공을 통해);
(2) 원래의 기공을 확대(기공확장)
(3) 새로운 기공 형성(기공 생성)

이 세 가지 효과는 단독으로 발생하는 것이 아니라 동시에 시너지 효과를 발휘합니다. 일반적으로 기공 형성 및 기공 생성은 기공, 특히 미세기공의 수를 증가시키는 데 도움이 되며, 이는 높은 기공률과 넓은 비표면적을 가진 다공성 물질의 제조에 유리합니다. 반면, 과도한 기공 확장은 기공이 합쳐지고 연결되도록 하여 미세기공을 더 큰 기공으로 만듭니다. 따라서 발달된 기공과 넓은 비표면적을 가진 활성탄 물질을 얻기 위해서는 과도한 활성화를 피해야 합니다. 일반적으로 사용되는 활성탄 활성화 방법에는 화학적 방법, 물리적 방법, 그리고 물리화학적 방법이 있습니다.

 

화학적 활성화 방법

화학적 활성화법은 원료에 화학 시약을 첨가한 후, 가열로에 N₂, Ar 등의 보호 가스를 주입하여 가열함으로써 탄화와 활성화를 동시에 진행하는 방법입니다. 일반적으로 사용되는 활성화제로는 NaOH, KOH, H₃P0₄가 있습니다. 화학적 활성화법은 활성화 온도가 낮고 수율이 높다는 장점이 있지만, 부식 발생, 표면 시약 제거의 어려움, 심각한 환경 오염 등의 문제점이 있습니다.

 

물리적 활성화 방법

물리적 활성화법은 원료를 노 내에서 직접 탄화시킨 후, 고온에서 CO2나 H2O와 같은 가스를 주입하여 반응시켜 기공을 증가시키고 확장시키는 방법을 사용하지만, 기공 구조 제어가 어렵다는 단점이 있습니다. 특히 CO2는 깨끗하고, 구하기 쉬우며, 가격이 저렴하여 활성탄 제조에 널리 사용됩니다. 탄화된 코코넛 껍질을 원료로 CO2로 활성화하여 미세 기공이 발달된 활성탄을 제조하였으며, 비표면적은 1653m²·g-1, 총 기공 용적은 0.1045cm³·g-1입니다. 이 활성탄은 이중층 커패시터용 활성탄 사용 기준에 부합하는 성능을 보였습니다.

비파나무 씨앗을 CO2로 활성화하여 초활성탄을 제조하고, 1100℃에서 30분간 활성화한 후 비표면적과 총 기공 부피가 각각 3500m²·g-1과 1.84cm³·g-1에 도달했습니다. 시판 코코넛 껍질 활성탄에 CO2를 사용하여 2차 활성화를 수행했습니다. 활성화 후, 완제품의 미세기공은 좁아지고, 미세기공 부피는 0.21cm³·g-1에서 0.27cm³·g-1로 증가했으며, 비표면적은 627.22m²·g-1에서 822.71m²·g-1로 증가했고, 페놀 흡착 용량은 23.77% 증가했습니다.

다른 학자들은 CO2 활성화 과정의 주요 제어 요인을 연구했습니다.Mohammad et al.[21]은 CO2를 사용하여 고무 톱밥을 활성화할 때 온도가 주요 영향 요인임을 발견했습니다.완성된 제품의 비표면적, 기공 부피 및 미세 기공률은 온도가 증가함에 따라 먼저 증가한 다음 감소했습니다.Cheng Song et al.[22]은 반응 표면 방법론을 사용하여 마카다미아 너트 껍질의 CO2 활성화 과정을 분석했습니다.결과는 활성화 온도와 활성화 시간이 활성탄 미세 기공의 발달에 가장 큰 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다.