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活性炭的活化机理及应用

活性炭是一种非常优良的吸附剂，它是利用植物原料(木屑、木炭、果壳、果核)、煤和其它

含碳工业废料作原料，通过物理和化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和

筛选等一系列工序加工制造而成。根据活化介质的不同，活性炭活化方法分为物理活化法、化学

活化法和物理—化学复合活化法。物理活化水蒸汽、二氧化碳、空气或它们的混合气体对环境污

染小，因其依靠氧化碳原子形成孔隙结构，活化温度较高且活性炭得率低。化学活化法活性炭得

率较高，孔隙发达，吸附性能好。但此法对设备腐蚀性大，环境污染严重。热解能量循环利用困

难。而且活性炭中残留化学药品．在应用方面受到限制。

一．活性炭的活化机理

1.物理活化法

物理活化法一般分两步进行，先将原料在500℃左右炭化，再用水蒸汽或CO等气体在高温下

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进行活化。高温下，水蒸汽及二氧化碳都是温和的氧化剂，碳材料内部C原子与活化剂结合并以

CO+H或CO的形式逸出，形成孔隙结构。物理活化法所需的活化温度一般较化学活化法高，而

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且活化所需的时间也更长，因此耗能比较大，成本高。尽管有这些缺点，物理活化法在实际生产中

的应用仍然十分广泛，原因在于其制得的活性炭无需过多

的后处理步骤，不像化学活化法制得的活性炭需要除去残留的活化剂。

将炭化材料在高温下用水蒸气、二氧化碳或空气等氧化性气体与炭材料发生反应，使炭材料中

无序炭部分氧化刻蚀成孔，在材料内部形成发达的微孔结构。炭化温度一般在600℃，活化温度一

般在800℃∽900℃。其主要化学反应式如下：

C+2HO2H+CO△H=18kcal

222

C+HOH+CO△H=31kcal

22

CO+C2CO△H=41kcal

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上述三个化学反应均是吸热反应，即随着活化反应的进行，活化炉的活化反应区域温度将逐步

下降，如果活化区域的温度低于800℃，上述活化反应就不能正常进行，所以在活化炉的活化反应

区域需要同时通入部分空气与活化产生的煤气燃烧补充热量，或通过补充外加热源，以保证活化炉

活化反应区域的活化温度。

活化反应属于气固相系统的多相反应，活化过程中包括物理和化学两个过程，整个过程包括气

相中的活化剂向炭化料外表面的扩散、活化剂向炭化料内表面的扩散、活化剂被炭化料内外表面所

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吸附、炭化料表面发生气化反应生成中间产物（表面络合物）、中间产物分解成反应产物、反应产

物脱附、脱附下来的反应产物由炭化料内表面向外表面扩散等过

活化反应通过以下三个阶段最终达到活化造孔的目的。

第一阶段是炭化时形成的但却被无序的碳原子及杂原子所堵塞的孔隙的打开，即高温下，活化

气体首先与无序碳原子及杂原子发生反应。

第二阶段是打开的孔隙不断扩大、贯通及向纵深发展，孔隙边缘的碳原子由于具有不饱和结构，

易于与活化气体发生反应，从而造成孔隙的不断扩大和向纵深发展。

第三阶段是新孔隙的形成，随着活化反应的不断进行，新的不饱和碳原子或活性点则暴露于微

晶表面，于是这些新的活性点又能同活化气体的其它分子进行反应，微晶表面的这种不均匀的燃烧

就不断地导致新孔隙的形成。

2.化学活化法

化学活化法是通过将化学试剂嵌入炭颗粒内部结构，经历一系列的交联缩聚反应形成微孔。化

学活化可一步进行，即直接升温到700℃左右进行活化。在活化前，先将活化剂水溶液与原料以一

定比例浸渍一段时间，烘干后再放入惰性气氛中升温进行活化。活化剂与原料的浸渍比是影响活性

炭性能的一个重要因素，因此可以通过控制浸渍比以及不同的活化温度来制备所需的活性炭。化学

活化法制得的活性炭产率高，而且其孔隙结构比物理活化法更加发达。按活化剂不同分ZnCl2法、

KOH法、H3PO4法.相对于物理活化，化学活化有以下优点：化学活化需要较低的温度，活化产率

高，通过选择合适的活化剂控制反应条件可制得高比表面积活性炭.但化学活化对设备腐蚀性大，

污染环境