Węgiel aktywowany (AC) odnosi się do materiałów o wysokiej zawartości węgla, charakteryzujących się wysoką porowatością i zdolnością sorpcji, wytwarzanych z drewna, łupin orzechów kokosowych, węgla i szyszek itp. AC jest jednym z często stosowanych adsorbentów wykorzystywanych w różnych gałęziach przemysłu do usuwania licznych zanieczyszczeń z wód i powietrza. Ponieważ AC jest syntetyzowany z produktów rolnych i odpadów, okazał się doskonałą 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, aby wydalić wszystkie lotne składniki. Wysoka podwyższona temperatura usuwa wszystkie składniki niewęglowe z prekursora, takie jak wodór, tlen i azot w postaci gazów i smoły. Proces ten wytwarza węgiel drzewny o wysokiej zawartości węgla, ale małej powierzchni i porowatości. Jednak drugi etap obejmuje aktywację wcześniej zsyntetyzowanego węgla drzewnego. Zwiększenie rozmiaru porów podczas procesu aktywacji można podzielić na trzy kategorie: otwieranie wcześniej niedostępnych porów, rozwój nowych porów poprzez selektywną aktywację oraz poszerzanie istniejących porów.
Zwykle do aktywacji stosuje się dwa podejścia, fizyczne i chemiczne, aby uzyskać pożądaną powierzchnię i porowatość. Aktywacja fizyczna obejmuje aktywację zwęglonego węgla za pomocą gazów utleniających, takich jak powietrze, dwutlenek węgla i para w wysokich temperaturach (od 650 do 900°C). Dwutlenek węgla jest zwykle preferowany ze względu na jego czystą naturę, łatwą obsługę i kontrolowany proces aktywacji w temperaturze około 800°C. Wysoką jednorodność porów można uzyskać za pomocą aktywacji dwutlenkiem węgla w porównaniu z parą. Jednak w przypadku aktywacji fizycznej para jest znacznie preferowana w porównaniu z dwutlenkiem węgla, ponieważ można wytworzyć AC o stosunkowo dużej powierzchni. Ze względu na mniejszy rozmiar cząsteczek wody, jej dyfuzja w strukturze węgla zachodzi wydajnie. Stwierdzono, że aktywacja za pomocą pary jest około dwa do trzech razy wyższa niż aktywacja za pomocą dwutlenku węgla przy takim samym stopniu konwersji.
Jednakże podejście chemiczne obejmuje mieszanie prekursora z czynnikami aktywującymi (NaOH, KOH i FeCl3 itp.). Te czynniki aktywujące działają jako utleniacze, a także czynniki odwadniające. W tym podejściu karbonizacja i aktywacja są przeprowadzane jednocześnie w stosunkowo niższej temperaturze 300-500°C w porównaniu z podejściem fizycznym. W rezultacie wpływa to na rozkład pirolityczny, a następnie skutkuje rozszerzeniem ulepszonej struktury porowatej i wysoką wydajnością węgla. Głównymi zaletami podejścia chemicznego w porównaniu z podejściem fizycznym są niskie wymagania temperaturowe, struktury o wysokiej mikroporowatości, duża powierzchnia i zminimalizowany czas zakończenia reakcji.
Przewagę 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 tworzenie mikroporów. Z drugiej strony, mezopory rozwijają się w regionach międzymikrodomenowych. Eksperymentalnie, utworzyły one węgiel aktywny z żywicy na bazie fenolu poprzez aktywację chemiczną (z użyciem KOH) i fizyczną (z użyciem pary) (rysunek 1). Wyniki pokazały, że AC syntetyzowany przez aktywację KOH posiadał dużą powierzchnię 2878 m2/g w porównaniu do 2213 m2/g przez aktywację parową. Ponadto stwierdzono, że inne czynniki, takie jak wielkość porów, powierzchnia, objętość mikroporów i średnia szerokość porów, były lepsze w warunkach aktywacji KOH w porównaniu z aktywacją parową.
Różnice pomiędzy AC otrzymanym w wyniku aktywacji parą wodną (C6S9) i aktywacją KOH (C6K9), wyjaśnione na podstawie modelu mikrostruktury.
W zależności od wielkości cząstek i metody przygotowania, można je podzielić na trzy typy: AC zasilane, AC granulowane i AC kulkowe. AC zasilane jest formowane z drobnych granulek o wielkości 1 mm ze średnim zakresem średnicy 0,15-0,25 mm. AC granulowane ma stosunkowo większy rozmiar i mniejszą powierzchnię zewnętrzną. AC granulowane są używane do różnych zastosowań w fazie ciekłej i gazowej w zależności od ich stosunków wymiarowych. Trzecia klasa: AC kulkowe jest na ogół syntetyzowane z paku naftowego o średnicy w zakresie od 0,35 do 0,8 mm. Jest znane ze swojej wysokiej wytrzymałości mechanicznej i niskiej zawartości pyłu. Jest szeroko wykorzystywane w zastosowaniach w złożu fluidalnym, takich jak filtracja wody ze względu na swoją kulistą strukturę.
Czas publikacji: 18-06-2022