Węgiel aktywowany (AC) odnosi się do materiałów o dużej zawartości węgla, mających wysoką porowatość i zdolność sorpcyjną, wytwarzanych z drewna, łupin orzecha kokosowego, węgla i szyszek itp. AC jest jednym z często stosowanych adsorbentów wykorzystywanych w różnych gałęziach przemysłu do usuwania licznych zanieczyszczeń z ciał wodnych i powietrznych. Ponieważ AC syntetyzowany z produktów rolnych i odpadów, okazał się świetną alternatywą dla tradycyjnie stosowanych, nieodnawialnych i drogich źródeł. Do przygotowania AC stosuje się dwa podstawowe procesy: karbonizację i aktywację. W pierwszym procesie prekursory poddaje się działaniu wysokich temperatur, od 400 do 850°C, w celu usunięcia wszystkich lotnych składników. Wysoka podwyższona temperatura usuwa z prekursora wszystkie składniki niewęglowe, takie jak wodór, tlen i azot, w postaci gazów i smoły. W procesie tym powstaje węgiel drzewny o wysokiej zawartości węgla, ale o małej powierzchni i porowatości. Jednakże drugi etap polega na aktywacji wcześniej zsyntetyzowanego char. Zwiększanie rozmiaru porów podczas procesu aktywacji można podzielić na trzy kategorie: otwarcie wcześniej niedostępnych porów, rozwój nowych porów poprzez selektywną aktywację i poszerzenie istniejących porów.
Zwykle do aktywacji stosuje się dwa podejścia, fizyczne i chemiczne, w celu uzyskania pożądanej powierzchni i porowatości. Aktywacja fizyczna polega na aktywacji zwęglonego węgla drzewnego przy użyciu gazów utleniających, takich jak powietrze, dwutlenek węgla i para wodna, w wysokich temperaturach (od 650 do 900°C). Zwykle preferowany jest dwutlenek węgla ze względu na jego czysty charakter, łatwą obsługę i kontrolowany proces aktywacji w temperaturze około 800°C. Wysoką jednorodność porów można uzyskać poprzez aktywację dwutlenkiem węgla w porównaniu z parą wodną. Jednakże do aktywacji fizycznej zdecydowanie preferowana jest para wodna w porównaniu z dwutlenkiem węgla, ponieważ można wytwarzać prąd przemienny o stosunkowo dużej powierzchni. Ze względu na mniejszy rozmiar cząsteczek wody, jej dyfuzja w strukturze węgla drzewnego zachodzi efektywnie. Stwierdzono, że aktywacja za pomocą pary wodnej jest około dwa do trzech razy większa niż dwutlenek węgla przy tym samym stopniu konwersji.
Jednakże podejście chemiczne obejmuje mieszanie prekursora ze środkami aktywującymi (NaOH, KOH i FeCl3 itp.). Te środki aktywujące działają jako utleniacze, a także środki odwadniające. W tym podejściu karbonizację i aktywację prowadzi się jednocześnie w stosunkowo niższej temperaturze 300-500°C w porównaniu z podejściem fizycznym. W rezultacie wpływa to na rozkład pirolityczny, a w konsekwencji na ekspansję o ulepszonej porowatej strukturze i wysoką wydajność węgla. Główne zalety podejścia chemicznego w porównaniu z podejściem fizycznym to wymagania dotyczące niskiej temperatury, struktury o dużej mikroporowatości, duża powierzchnia i zminimalizowany czas zakończenia reakcji.
Wyższość metody aktywacji chemicznej można wyjaśnić na podstawie modelu zaproponowanego przez Kima i jego współpracowników [1], zgodnie z którym w AC znajdują się różne sferyczne mikrodomeny odpowiedzialne za powstawanie mikroporów. Z drugiej strony mezopory powstają w obszarach międzymikrodomenowych. Eksperymentalnie utworzyli węgiel aktywny z żywicy na bazie fenolu poprzez aktywację chemiczną (przy użyciu KOH) i fizyczną (przy użyciu pary) (ryc. 1). Wyniki wykazały, że AC syntetyzowany poprzez aktywację KOH miał dużą powierzchnię właściwą wynoszącą 2878 m2/g w porównaniu do 2213 m2/g po aktywacji parą. Ponadto stwierdzono, że inne czynniki, takie jak wielkość porów, pole powierzchni, objętość mikroporów i średnia szerokość porów, są lepsze w warunkach aktywowanych KOH w porównaniu z aktywowanymi parą.
Różnice pomiędzy AC otrzymanym w wyniku aktywacji parą (C6S9) i aktywacją KOH (C6K9), wyjaśnione odpowiednio w kategoriach modelu mikrostruktury.
W zależności od wielkości cząstek i metody przygotowania, można je podzielić na trzy typy: zasilany prąd przemienny, granulowany prąd przemienny i kulkowy prąd przemienny. Zasilany prąd przemienny powstaje z drobnych granulek o wielkości 1 mm i średnim zakresie średnic 0,15-0,25 mm. Granulowany AC ma stosunkowo większy rozmiar i mniejszą powierzchnię zewnętrzną. Granulowany AC jest stosowany w różnych zastosowaniach w fazie ciekłej i gazowej, w zależności od ich stosunków wymiarowych. Trzecia klasa: perełki AC są na ogół syntetyzowane ze paku naftowego o średnicy od 0,35 do 0,8 mm. Charakteryzuje się wysoką wytrzymałością mechaniczną i niską zawartością pyłu. Jest szeroko stosowany w zastosowaniach ze złożem fluidalnym, takich jak filtracja wody, ze względu na jego kulistą strukturę.
Czas publikacji: 18 czerwca 2022 r