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Este artigo analisa o mercado atual de carvão ativado, realiza uma análise aprofundada das matérias-primas do carvão ativado, apresenta os métodos de caracterização da estrutura dos poros, os métodos de produção, os fatores de influência e o progresso da aplicação do carvão ativado, e revisa os resultados da pesquisa sobre a tecnologia de otimização da estrutura dos poros do carvão ativado, visando promover um papel mais importante do carvão ativado na aplicação de tecnologias verdes e de baixo carbono.
Preparação de carvão ativado
De modo geral, a preparação do carvão ativado divide-se em duas etapas: carbonização e ativação.
Processo de carbonização
A carbonização refere-se ao processo de aquecimento do carvão bruto a altas temperaturas sob a proteção de gás inerte para decompor sua matéria volátil e obter produtos carbonizados intermediários. A carbonização pode atingir o objetivo desejado ajustando-se os parâmetros do processo. Estudos demonstraram que a temperatura de ativação é um parâmetro chave que afeta as propriedades da carbonização. Jie Qiang et al. estudaram o efeito da taxa de aquecimento da carbonização no desempenho do carvão ativado em um forno mufla e descobriram que uma taxa mais baixa contribui para melhorar o rendimento dos materiais carbonizados e produzir materiais de alta qualidade.
Processo de ativação
A carbonização pode fazer com que as matérias-primas formem uma estrutura microcristalina semelhante à do grafite e gerem uma estrutura porosa primária. No entanto, esses poros são desordenados ou bloqueados e fechados por outras substâncias, resultando em uma pequena área superficial específica e exigindo ativação adicional. A ativação é o processo de enriquecimento da estrutura porosa do produto carbonizado, que é realizado principalmente por meio da reação química entre o ativador e a matéria-prima: ela pode promover a formação de uma estrutura microcristalina porosa.
A ativação ocorre principalmente em três etapas no processo de preenchimento dos poros do material:
(1) Abertura dos poros originalmente fechados (através dos poros);
(2) Alargamento dos poros originais (expansão dos poros);
(3) Formação de novos poros (criação de poros);
Esses três efeitos não ocorrem isoladamente, mas de forma simultânea e sinérgica. De modo geral, a formação e a criação de poros contribuem para o aumento do número de poros, especialmente microporos, o que é benéfico para a preparação de materiais porosos com alta porosidade e grande área superficial específica. Por outro lado, a expansão excessiva dos poros pode causar sua fusão e interconexão, convertendo microporos em poros maiores. Portanto, para obter materiais de carvão ativado com poros desenvolvidos e grande área superficial específica, é necessário evitar a ativação excessiva. Os métodos de ativação de carvão ativado mais comuns incluem métodos químicos, físicos e físico-químicos.
Método de ativação química
O método de ativação química consiste na adição de reagentes químicos às matérias-primas, seguida de aquecimento com a introdução de gases protetores, como N₂ e Ar, em um forno de aquecimento, para carbonizá-las e ativá-las simultaneamente. Os ativadores mais comuns são NaOH, KOH e H₃PO₄. O método de ativação química apresenta vantagens como baixa temperatura de ativação e alto rendimento, mas também acarreta problemas como alta corrosão, dificuldade na remoção dos reagentes da superfície e grave poluição ambiental.
Método de ativação física
O método de ativação física refere-se à carbonização direta da matéria-prima em forno, seguida da reação com gases como CO2 e H2O introduzidos em alta temperatura, com o objetivo de aumentar e expandir a porosidade. No entanto, esse método apresenta baixo controle sobre a estrutura dos poros. Dentre os agentes de ativação física, o CO2 é amplamente utilizado na preparação de carvão ativado por ser limpo, de fácil obtenção e baixo custo. Neste trabalho, utilizou-se casca de coco carbonizada como matéria-prima, ativada com CO2, para preparar carvão ativado com microporos desenvolvidos, apresentando área superficial específica de 1653 m²·g⁻¹ e volume total de poros de 0,1045 cm³·g⁻¹. O desempenho obtido atende aos padrões de uso de carvão ativado para capacitores de dupla camada.
A ativação do caroço de nêspera com CO2 resultou na preparação de carvão superativado. Após ativação a 1100 °C por 30 minutos, a área superficial específica e o volume total de poros atingiram valores de até 3500 m²·g⁻¹ e 1,84 cm³·g⁻¹, respectivamente. Em seguida, o CO2 foi utilizado para realizar uma segunda ativação do carvão ativado comercial derivado da casca de coco. Após a ativação, os microporos do produto final apresentaram redução, o volume de microporos aumentou de 0,21 cm³·g⁻¹ para 0,27 cm³·g⁻¹, a área superficial específica aumentou de 627,22 m²·g⁻¹ para 822,71 m²·g⁻¹ e a capacidade de adsorção de fenol aumentou em 23,77%.
Outros pesquisadores estudaram os principais fatores de controle do processo de ativação do CO2. Mohammad et al. [21] descobriram que a temperatura é o principal fator de influência quando o CO2 é usado para ativar serragem de borracha. A área superficial específica, o volume de poros e a microporosidade do produto final primeiro aumentaram e depois diminuíram com o aumento da temperatura. Cheng Song et al. [22] usaram a metodologia de superfície de resposta para analisar o processo de ativação do CO2 em cascas de noz de macadâmia. Os resultados mostraram que a temperatura e o tempo de ativação têm a maior influência no desenvolvimento dos microporos do carvão ativado.
Data da publicação: 27/08/2024