多孔炭材料
所谓多孔炭材料是指具有不同孔结构的碳素材料， 其孔大小从具有相当于分子大小的纳米级超细微孔 直到适于微生物增殖及活动的微米级大孔。
多孔炭材料具有耐高温、耐酸碱、导电、传热等一 系列优点。多种形态的活性炭是这类材料的典型例 子，它们在气体和液体的精制、分离以及水处理和 空气净化等方面已得到广泛的应用。 活性炭 活性炭纤维 膨胀石墨 微纳米多孔炭材料
国内外活性炭的生产现状
二战前后，美国的AC产量一直居世界第一位。80年代后， 第三世界国家的AC工业开始发展，产量逐渐增加，到目 前，世界五大洲40多个国家生产AC，年产量达70多万吨。
国外AC工业起步较早，活性炭需求量也与日俱增。西方 一些方达国家在环保方面的人均活性炭需求量达到300400克/年·人。目前世界活性炭年消费量超过70万吨， 并以每年15%的速度递增长。
炭化样与活化样ＳＥＭ图
活性炭的主要性能表征
比表面积及孔径分布 ＢＥＴ比表面测定仪
孔隙结构
ＳＥＭ TEM ＳＴＭ
表面化学结构
ＦＴＩＲ RAMAN
微晶结构
ＸＲＤ
BET吸附理论
吸附的发生是由于吸附质分子与吸附剂表面分子发生相互 作用。吸附作用一般分为两类，一种为物理吸附，即吸附 质分子与吸附剂之间的作用力是范德华引力，另一种为化 学吸附，即吸附质分子与吸附剂之间形成表面化学键。
我国的AC产量也一直呈上升的趋势，单从出口来看，我 国早在1995年就已超过美国，成为活性炭最大的出口国。
高比表面积活性炭的研究进展
早在20世纪70年代，美、日等国已开展高比表面AC的研 究工作，并获得比表面积>3000m2/g的实验室样品。
AMOCO公司研究发现，在煤或石油焦中加入数倍的碱活 化处理可使AC比表面迅速提高，得到前所未有的高吸附 容量的AC。从此采用KOH作活化剂的化学活化法制备高 比表面积、性能良好AC的新型方法及产品不断出现。
1000
800
600
400
200
0 AC
AC-r0.5
AC-r2
Sample
AC-r5
AC-r10
图 由煤沥青与不同升温速率下前驱体制备的活性炭BET比表面积
Desorption Dv(d) / cm3/nm.g
0.030 0.025 0.020
AC AC-r0.5 AC-r2 AC-r5 AC-r10
聚氯乙烯，聚丙烯，各种树脂等
其它
蔗糖、砂糖，蜜糖，旧轮胎等
制备方法
物理活化法 利用气体介质对原料进行活化成孔 化学活化法 利用化学试剂对原料进行活化成孔 化学–物理活化法 先化学活化再用物理法进一步扩孔
物理活化法工艺流程图
原料 粘结剂
活化介质: CO2、空气、
烟道气等
水蒸汽
混合
成型
炭化
活化
AC的突出优点是内部孔隙结构发达、比表面积大，具有 优良的吸附性能和良好的化学稳定性、物理稳定性以及使 用失效后容易再生等性能。
它能脱色、脱臭、脱硫、脱苯，还能选择性地脱除液相或 气相中某些化学杂质。
它也能吸附某些物质作为催化剂，使化学反应速度大大加 快，是良好的催化剂裁体。
AC广泛用于国防、化工、石油、电子、纺织、食品、医 药、交通能源、农业、原子能工业、城建、环保等方面。
实验设计
实验安排 第一阶段，原料分析 第二阶段，预氧化，温度400–450℃ 、时间1–4h、
升温速率0.5–10℃/min 第三阶段，炭化，活化
水平 1 2 3
炭化温度(A) 炭化时间(B) 活化温度(C) 活化时间(D)
℃
min
℃
min
350
30
800
80
400
45
850
100
450
60
物理活化法工艺
炭化过程分为400℃以下的一次分解反应，400700℃的氧键断裂反应，700-1000℃的脱氧反应 等三个反应阶段，经过上述三个反应阶段获得缩 合苯环平面状分子而形成三维网状结构的炭化物。 炭化物的吸附能力低，这是由于炭中含有一部分 碳氢化合物、细孔容积小以及细孔被堵塞等原因 所致。
吸附等温线是在恒定温度下平衡吸附量与被吸附气体压力 的关系曲线 。
BET吸附理论
吸附等温线类型
不同恒温时间下前驱体制备的活性炭比表面积
Specific surface area / m2/g
1400 1200 1000 800 600 400 200
0 AC-h1
AC-h2
AC-h3
Sample
PC-r5
PC-r10
Sample
图 煤沥青与不同升温速率下前驱体中挥发分及TI含量
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
图 煤沥青与各前驱体SEM图 (a) CP (b) PC-r0.5 (c) PC-r2 (d) PC-r5 (e) PC-r10
1400
1200
Specific surface area / m2/g
物理活化法工艺
活化阶段通常在大约900℃下，把炭暴露于氧化 性气体介质中进行处理而构成。活化的目的是清 除炭化过程中积蓄在孔隙结构中的焦油物质及裂 解产物，以提高孔容积或比表面积。活化过程分 为两个阶段，第一阶段除去被吸附质并使被堵塞 的细孔开放；进一步活化使原来的细孔和通路扩 大；随后，由于碳质结构反应性能高的部分的选 择性氧化而形成了微孔组织。
瓷管
气体流量计
尾气吸收装置
KOH活化机理
一般认为，碳材料与KOH的主要反应方程为：
4KOH C K2CO3 K2O 2H 2
还有如下反应发生： 2KOH K2O H 2O C H 2O H 2 CO
CO H 2O H 2 CO2
K 2O CO2 K 2CO3
K2O H2 2K H2O
K2O C 2K CO K2CO3 2C 2K 3CO
KOH作为活化剂的成孔机理
认为反应分为低温脱水和高温活化两个阶段。 通常500℃以下低温脱水阶段几乎没有成孔反应， 600℃ 时有一定微孔生成，800℃生成中、大孔反应明显加速。 在活化剂的作用下，消耗掉的碳主要生成了碳酸钾，从 而使产物具有很大的比表面积，在800℃左右，金属钾(沸点 762℃)析出，钾蒸气不断挤入碳层之间进行活化。活化反应 从原料外表面开始、逐渐向颗粒内部扩展，这就是所谓的径 向活化。活化温度越高、活化时间越长，越有利于径向活化 过程。但过高的活化温度与活化时间也会促使横向活化的进 行，使产物微孔分布变宽、大孔比重增加。
0.008
0.006
0.004
0.002
0.000
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
Pore Width / nm
实验设计
以煤沥青为原料制备高比表面积活性炭，设计 工艺流程。
指出要考察哪些因素的影响？如何安排实验进 程？
实验设计
软化点 元素分析 灰分、挥发分
物理活化机理
水蒸汽活化机理：
C H2O H2 CO 130 kJ
C 2H2O 2H2 CO2 97kJ
CO2活化机理：
C CO2 2CO 163 kJ
活化过程中，气体与碳发生反应的同时，使被吸附的碳 氢化合物部分地发生分解而除去。活化第一阶段，除去被吸 附质并使被堵塞的细孔放开；进一步活化，使原来的细孔和 通路扩大；随后，由于碳质结构反应性能高的部分的选择性 氧化而形成了微孔组织。
日本以双电层电容的应用为契机，加强对高吸附能力AC 的研究工作。关西热化学株式会社用KOH活化石油焦制备 出高比表面AC，并在1992年投产，商品牌号为 MAXS0RB。日本大阪煤气公司以中间相炭微粒为原料， 通过KOH活化制得了比表面积高达4000m2/g的AC。
高比表面积活性炭的研究进展
我国学者在20世纪90年代展开了类似研究,并取得一定进展 东北林大的郭幼庭等人以水解木质素为原料，以碱类化合
AC-h4
不同预氧化恒温时间下活性炭的吸附等温线
Volume / cm3/g
AC-h1
420
AC-h2
AC-h3
AC-h4 390
360
330
300
270
240
210
0.0
பைடு நூலகம்0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
P/P 0
不同恒温时间前驱体制得活性炭中孔孔径分布
Desorption Dv(d) / cm3/g
多孔炭材料之一
活性炭
主要内容
活性炭简介 活性炭结构 活性炭的制备 活性炭的应用
活性炭的基本性质 活性炭的国内外生产现状 高比表面积活性炭的研究进展
微晶结构、孔隙结构、表面化学官能团 活性炭表面形貌
原料来源 活化方法与工艺 活化机理
吸附材料 催化剂载体 储氢储电
简介
AC是黑色多孔物质，由微晶炭和无定型炭构成，含有灰 分。
0.015
0.010
0.005
0.000
2
4
6
8
10
12
Pore Diameter / nm
图 由煤沥青与不同升温速率下前驱体制备的活性炭中孔孔径分布
Desorption Dv(w) / cm3/nm.g
0.018 0.016 0.014
AC AC-r0.5 AC-r2 AC-r5 AC-r10
0.012
软化点 温度、时间
碱炭比
KOH
粒度
温度、时间
煤沥青
预氧化
浸渍
粉碎
炭化活化
产品
干燥
水洗
酸洗
比表面积 灰分
pH值
实验设计
考察因素 原料分析（元素组成、灰分、挥发分、软化点） 预氧化条件（预氧化温度、时间、氧化介质及流量、