活性炭的制备
1 活性炭的制备原料 (1)
2 活性炭的制备方法 (1)
3 煤基活性炭的制备方法 (2)
4 煤基活性炭中的粘结剂 (3)
1 活性炭的制备原料
活性炭的结构特性依赖于前躯体的性质、原料的炭化、活化和化学的调整条件[22]。
选择合适的原料是影响活性炭性质的一个重要因素，活性炭可用各种类型的碳质材料来制备，来源非常广泛，大体可以分为以下几类：
①有机高分子聚合物，如萨兰树脂、酚醛树脂、聚糖醇等；
②植物类，主要是利用植物的坚果壳或核，如核桃壳、杏核、椰壳等；
③煤及煤的衍生物，如各种不同煤化度的煤及其混合物。
原料的选择一般以低灰分、高含碳量以及尽可能低的挥发分为最佳。
较好的原料主要是煤（褐煤、长焰煤、烟煤、无烟煤）、木材、果壳。
由于煤来源广泛、价格低廉、制备工艺相对简单而应用较多。
煤的主要成分是碳，表面化学性质活泼，孔隙率高、比表面积大，其多孔结构有利于制成活性吸附材料。
在以煤为原料制备活性炭的技术开发方面，德国、日本、美国、俄罗斯和中国已做了大量的研究工作，并取得了一定成果。
2 活性炭的制备方法
活性炭的制备方法主要可以分为：碳化法、活化法、碳沉积法、热收缩等方法。
碳化法是将碳质原料置于惰性气氛中，以适当的热解条件得到碳化产品的方法。
其基本原理是基于加热过程中各基团、桥键、自由基和芳环等复杂的分解聚合反应，表现为碳化产物的孔隙发展、孔径的扩大和收缩。
在碳化过程中，碳质原料中的热不稳定组分以挥发分形式脱出，从而在半焦上留下孔隙。
碳化法适用于高挥发分原料，是所有其他方法的基础。
影响碳化过程的主要因素是升温速率、碳化温度与恒温时间。
采用的升温速率一般在5～15°C/min，碳化温度多在500～
1100°C，恒温时间为0.5～2h。
活化法是将碳质原料置于活性介质中加热平缓处理，以发展其孔径的方法。
其原理是基于碳质原料部分碳的烧失，使封闭的孔得以打开，从而使其孔隙结构得到发展，孔径大小达到所需要的范围。
常用的活化剂有空气、CO2、水蒸气、H3PO4、KOH、NaOH等。
工业实践中多采用简便易得的水蒸气进行活化。
活化法适用于气孔率较小且挥发分较低，或气孔率较高但孔径较小的碳质原料。
碳沉积是指在高温下通过烃类或高分子化合物的裂解，在多孔材料的孔道内积碳，以达到堵孔、调孔的作用。
其工艺复杂、操作条件严格、实际生产成本较高。
碳沉积常分为气相(CVD)与液相沉积(LVD)。
对于气相沉积过程，气体在反应炉中的浓度较均一，能有效地控制孔径，但不足之外是需外加沉积气源发生装置，还需调节流量，不利于操作；液相沉积对工艺要求较低，操作较容易。
热收缩法，即热缩聚法，是指碳质材料料经碳化、活化后，在1000～1200°C 的高温条件进一步热处理的过程，从而达到缩小孔径的目的。
还有一些制备活性炭的新工艺和方法，如等离子体法、卤化法、模板法、微波加热法等。
实际生产活性炭的工艺过程中，为了获得性能优良的活性炭，通常将以上方法综合起来应用。
一般的，制备活性炭的基本工艺如下图1，其中预处理、活化和碳沉积是选用步骤。
图1 活性炭制备步骤及工艺示意图
3 煤基活性炭的制备方法
以煤为原料制备活性炭，首先是煤的粉碎，有时候还需将煤粉进行预氧化，
接着加入粘结剂成型，干燥后送入马弗炉中经过碳化、活化和碳沉积等步骤制备出活性炭。
粉碎使原料煤的颗粒均匀，这不但可以提高煤粉与粘结剂之间的表面化学凝聚力，增加成型产品的强度，降低成型的难度，还会提高活性炭产品的空分性能[24]，在制备时应尽可能降低煤颗粒的粒度，破碎愈细，制备的活性炭性能愈好，一般以颗粒通过160～200目筛为宜。
成型的目的是增加活性炭的机械强度和规则性。
煤基活性炭外观多为粒状，直径2～5mm，长度为3～5mm。
制备活性炭所用原料煤质不同，选用的制备工艺也不同。
褐煤含碳量低(60%～77%)，结构疏松，有较发达的孔隙结构，挥发分含量高，受热时析出的挥发性物质如小分子物质CH4、CO2、CO、H2、H2S等有造孔作用，可不采用活化步骤，而仅采用碳化即可制活性炭。
对于胶黏性烟煤，含碳量较高(77%～93%)，在细粉碎前需先进行预氧化，预氧化有破黏、扩孔、增大比表面积的作用，预氧化的时间和温度根据煤样的粒度和黏结性而定。
对于高变质程度的无烟煤，预氧化也有利于改善产品的空分性能。
对于无烟煤，则需要活化步骤，进一步扩大碳化产物的细孔容积，调整孔径和孔隙分布。
根据所分离气体的不同，有的还需要采用碳沉积、热收缩等方法，进一步调整活性炭微孔，使孔径均一化。
褐煤、烟煤和无烟煤是制备煤基活性炭的常用原料。
对于褐煤，碳化是主要的控制工序，而对于黏结性烟煤、无烟煤，预氧化破黏、活化是主要工序。
在实际制备过程中，碳沉积较难控制。
为保证煤基活性炭产品性能的稳定，采取合适的制备工艺是尤为重要的。
4 煤基活性炭中的粘结剂
粘结剂对于活性炭的性能有着重要的影响。
首先，它是影响活性炭强度最重要的因素，粘结剂靠二次炭化热解残留的炭把原料颗粒粘结在一起，因此，粘结剂必须具备：能够和原料炭粒均匀混合；较高的高温热解残碳量；炭化过程中粘结剂各组分发生交联反应，把分散的炭颗粒黏结在一起。
另外，粘结剂还影响炭主体的孔结构，粘结剂中某些辅助组分会在二次炭化时完全热解，起到造孔作用，如淀粉。
目前煤焦油是活性炭中最常用的粘结剂，它的主要特点是粘结强度高，价格便宜等。
但是在工业生产中会带来比较严重的污染问题，而且由于它本身的组成的不稳定性，会造成产品质量的波动。
其他常用的成型粘结剂还有煤焦油沥青、石油沥青、木质素配制的水溶液及亚硫酸盐纸浆废液等，其添加量因煤种的不同而有所调整，一般为23%～50%。
近年来，对采用淀粉、废糖蜜等无害新型粘结剂的研究也有报道。
实验证明，适宜的粘结剂及其加入量是影响成型活性炭性能的主要因素之一。
活化是扩孔步骤，一般是在温度500～1000°C下氧化碳质基体表面及边缘活泼碳原子，使其闭孔打开或形成新的孔隙。
常用的活化方法有两类：一类是用氯化锌、磷酸、氢氧化钾等化学品为活化剂的化学活化法；另一类是用水蒸气或二氧化碳等为活化剂的气体活化法。
活化过程对后续调孔特别重要，如果活化出的孔径过大则不利于进一步的碳沉积调孔，过小则在碳沉积的过程中会将小孔堵死，所以严格控制活化工艺条件才能够制备出适当孔径的活性炭，有利于进一步碳沉积缩孔。