Otimização da estrutura de poros de carbono poroso-Ⅰ

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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 de poros, métodos de produção, fatores de influência e progresso da aplicação do carvão ativado e analisa os resultados da pesquisa da tecnologia de otimização da estrutura de poros do carvão ativado, visando promover o carvão ativado para desempenhar um papel maior na aplicação de tecnologias verdes e de baixo carbono.

 

Preparação de carvão ativado

De modo geral, a preparação do carvão ativado é dividida em duas etapas: carbonização e ativação

 

Processo de carbonização

A carbonização refere-se ao processo de aquecimento do carvão bruto a alta temperatura sob a proteção de gás inerte para decompor sua matéria volátil e obter produtos carbonizados intermediários. A carbonização pode atingir o objetivo esperado ajustando os parâmetros do processo. Estudos demonstraram que a temperatura de ativação é um parâmetro-chave do processo que afeta as propriedades de carbonização. Jie Qiang et al. estudaram o efeito da taxa de aquecimento da carbonização no desempenho do carvão ativado em um forno de mufla e descobriram que uma taxa mais baixa ajuda a melhorar o rendimento dos materiais carbonizados e a produzir materiais de alta qualidade.

 

Processo de ativação

A carbonização pode fazer com que as matérias-primas formem uma estrutura microcristalina semelhante à grafite, gerando uma estrutura de poros primária. No entanto, esses poros são desordenados ou bloqueados e fechados por outras substâncias, resultando em uma pequena área de superfície específica e exigindo ativação adicional. A ativação é o processo de enriquecimento adicional da estrutura de poros do produto carbonizado, 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 por três etapas no processo de enriquecimento dos poros do material:
(1) Abertura dos poros originais 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 sim de forma simultânea e sinérgica. De modo geral, a formação de poros e a formação 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. A expansão excessiva dos poros, por sua vez, fará com que os poros se fundam e se conectem, transformando 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 com carvão ativado comumente utilizados incluem métodos químicos, físicos e físicos.

 

Método de ativação química

O método de ativação química refere-se a um método que consiste em adicionar reagentes químicos às matérias-primas e, em seguida, aquecê-las, introduzindo gases de proteção, como N2 e Ar, em um forno de aquecimento para carbonizá-las e ativá-las simultaneamente. Os ativadores comumente utilizados são NaOH, KOH e H3PO4. O método de ativação química apresenta as vantagens de baixa temperatura de ativação e alto rendimento, mas também apresenta problemas como alta corrosão, dificuldade na remoção de reagentes de superfície e grave poluição ambiental.

 

Método de ativação física

O método de ativação física refere-se à carbonização das matérias-primas diretamente no forno e, em seguida, à reação com gases como CO₂ e H₂O introduzidos em alta temperatura para atingir o objetivo de aumentar e expandir os poros. No entanto, o método de ativação física apresenta baixa controlabilidade da estrutura dos poros. Dentre eles, o CO₂ é amplamente utilizado na preparação de carvão ativado por ser limpo, fácil de obter e de baixo custo. Utiliza-se casca de coco carbonizada como matéria-prima e a ativação com CO₂ para preparar carvão ativado com microporos desenvolvidos, com área superficial específica e volume total de poros de 1653 m²·g-1 e 0,1045 cm³·g-1, respectivamente. O desempenho atingiu o padrão de uso de carvão ativado para capacitores de dupla camada.

Ativação de caroço de nêspera com CO2 para preparar carvão superativado. Após ativação a 1100°C por 30 minutos, a área superficial específica e o volume total de poros atingiram 3500 m²·g-1 e 1,84 cm³·g-1, respectivamente. Utilizando CO2, foi realizada a ativação secundária em carvão ativado comercial de casca de coco. Após a ativação, os microporos do produto final foram estreitados, o volume dos 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 23,77%.

Outros estudiosos estudaram os principais fatores de controle do processo de ativação de 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 de superfície específica, o volume de poros e a microporosidade do produto acabado aumentaram inicialmente e, em seguida, diminuíram com o aumento da temperatura. Cheng Song et al. [22] utilizaram a metodologia de superfície de resposta para analisar o processo de ativação de CO2 em cascas de nozes de macadâmia. Os resultados mostraram que a temperatura de ativação e o tempo de ativação têm a maior influência no desenvolvimento de microporos de carvão ativado.