活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭用氫氧化鉀和碳酸鉀活化

　　活性炭在其表面有許多反應位點,因此，它被廣泛用作水凈化和空氣質量控制行業的吸附劑。由于空氣和水質要求的加強，對高質量活性炭的需求一直在迅速增加。物理和化學活化過程都可以用于制備活性炭，高品質的活性炭需要苛刻的條件(例如，更長的停留時間和更高的試劑負載量)。化學活化比物理活化具有優勢，用氫氧化鉀對碳前體進行化學活化通常會產生具有高比表面積的活性炭。然而，該過程會產生大量廢水，其中包括溶解的堿金屬，主要以碳酸鉀的形式存在。因此，具有高濃度溶解碳酸鉀的廢水可以代替氫氧化鉀作為化學試劑使用。本次主要研究活性炭使用活化劑的局限性。

　　活性炭前體的準備和化學活化

　　研究中的碳前體是由木材制成，它具有相對較高的水分(13.0%)和揮發性(18.2%)含量，而固定碳約為63.4%，這與基于椰殼的活性炭不同。對于化學活化，兩種類型的鉀化合物(氫氧化鉀和碳酸鉀)被使用。在化學活化之前，約30g活性炭與200mL鉀化合物溶液混合，然后浸漬在旋轉蒸發器。溶液蒸發后，將樣品在105℃下干燥24小時以準備活化。將5克浸漬過的碳前驅體置于氮氣流動的管式爐中，以5℃/分鐘的速度升溫，直至達到活化溫度(850℃);然后將活化溫度保持2小時。活化終止后，用蒸餾水多次洗滌樣品，直至浸出液呈中性，以去除雜質。

　　化學試劑熱穩定性的變化

　　圖1顯示了用作碳前體的木質活性炭、化學活化劑(氫氧化鉀和碳酸鉀)以及浸漬有化學試劑的活性炭的TGA結果。使用氫氧化鉀和碳酸鉀活化的樣品的重量損失反映了活化劑的不同熱性能。由于碳酸鉀相對于氫氧化鉀的熱穩定性高，因此在850℃時不會起到活化劑的作用。然而，用碳酸鉀浸漬的活性炭的重量損失起始點，即分解溫度，比碳酸鉀的低約200℃。事實上，用試劑浸漬的活性炭樣品的TGA曲線取決于混合物中的碳與試劑的比例。因此，此類混合物的TGA曲線通常與兩種材料的熱性能一起繪制。然而，在高于750℃的溫度下，用碳酸鉀浸漬的活性炭比含有未經處理的活性炭的樣品表現出更大的重量損失。鑒于碳酸鉀由于其熱穩定性而在891℃之前表現出的重量損失可以忽略不計，與未處理的活性炭相比，碳酸鉀浸漬的重量損失更大表明熱性能由于浸漬而改變。這些結果表明溶解在氫氧化鉀化學活化廢水中的碳酸鉀可以通過浸漬過程重新使用。

　　圖1：用每種化學品浸漬的化學試劑和碳前體的熱重分析結果。

　　用氫氧化鉀和碳酸鉀進行化學活化

　　對于化學活化，碳前體通過與氫氧化鉀和碳酸鉀進行物理和化學混合來制備。無論混合方法如何，活性炭在用氫氧化鉀化學活化后的比表面積都優于用碳酸鉀化學活化后的活性炭(圖2)。在鉀/炭比為0.5時，用氫氧化鉀活化的活性炭的比表面積增加1倍多點，比用碳酸鉀活化的活性炭的比表面積大30%在其他條件相同的情況下。這些結果清楚地顯示了使用氫氧化鉀和碳酸鉀處理的活性炭的熱性能差異。然而，以相同的鉀/炭比浸漬碳酸鉀的活性炭的比表面積比物理混合有碳酸鉀的活性炭的比表面積大24%。因此，碳酸鉀的物理性質在浸漬過程中發生了變化(圖1)，使摻雜到碳前體中的鉀更容易嵌入到碳基質中。

　　圖2：(a)氮等溫線和(b)通過用氫氧化鉀和碳酸鉀以不同鉀/炭比浸漬制備的活性炭的孔徑分布。

　　圖2顯示了在各種鉀/炭比率下使用氫氧化鉀和碳酸鉀處理的活性炭的氮等溫線和PSD。氮等溫線和PSD的形狀隨鉀/炭比而變化;然而，使用這兩種化學劑活化的活性炭之間沒有觀察到實質性差異。然而，在活化過程中用碳酸鉀浸漬的活性炭在活化過程中與用氫氧化鉀處理的活性炭相似，鉀/炭比為0.25。這些結果反映了在相同的鉀/炭比率下，與以氫氧化鉀形式浸漬的鉀相比，當以碳酸鉀形式浸漬時，鉀作為化學試劑的反應性相對較低。

　　在本研究中，碳酸鉀作為化學試劑的反應性與氫氧化鉀的反應性進行了比較，以評估在化學活化過程中作為副產品產生的堿性廢水回收利用的可行性。氫氧化鉀在碳前體上的濕浸漬很好地降低了碳酸鉀的熱穩定性，如其熔點的降低所示。然而，碳酸鉀浸漬活性炭的比表面積仍僅為氫氧化鉀浸漬活性炭的50%。盡管如此，碳酸鉀活化活性炭的比表面積仍比碳前體大1.6倍，表明通過將廢水作為化學試劑再利用來進行資源回收的可能性。

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