碳材料孔控制研究进展

简要说明炭材料孔的形成、分类和描述，之后评述了控制碳材料孔结构技术的的重要性。评述了四种碳材料成孔机理和多种孔描述技术的优略，然后从VOC处理及回收利用、水净化、汽车尾气处理、CO2的可逆不可逆吸附和电极材料5个方面来说明在碳材料中孔结构控制的重要性。最后介绍了孔结构控制技术，包括大孔控制、中孔控制、微孔控制。

Abstract: Techniques for controlling the pore structure and its importance in carbon materials are reviewed after a brief explanation on formation mechanism and classification and characterization of pores. The understanding of four kinds of pore-forming processes are reviewed and then five application areas are presented to show the importance of pore structure control in carbon materials, which included VOC treatment and recycling，Water purification，gasoline vapor adsorption, CO2 capture, and carbon electrodes for electric double layer capacitors. Pore structure control techniques are shown, including the macroporous control, mesoporous control and micropore control.

活性炭是一种具有丰富内部孔隙结构、高空隙率和较高比表面积的六方晶格型碳。因活性炭性价比高、化学稳定性好[1]、吸附性能优良、热稳定性好及便于再生利用和相当的硬度等优点而成为吸附技术中首选的吸附剂材料。活性炭广泛应用于食品、医药、电池、催化、电能储存、黄金提取和多成份有机气体分离[2]等，。对环境安全和污染控制关注的提高为活性炭吸附的应用开辟了新的领域，在很多化工厂，如印刷，涂料，纺织印染，聚合物加工等。活性炭孔隙分布规律性差，活性炭工业制作无法实现控制孔径大小及分布，当今科学、工程和技术一个特殊的应用需要一个特殊的孔结构[3–6]，有文献报道，当孔隙大小为吸附分子的2～4倍时最有利于吸附，可以根据吸附质分子选择吸附性能最好的活性炭，但一般活性炭的孔径并不均一，选择性吸附效果差。因此，精确控制活性炭的孔结构在不同应用领域有很强的需求。常规活性炭主要包含小孔，小孔也被IUPAC定义为微孔，即使他们只有纳米级尺寸（小于2nm），也已经吸引了注意和努力在孔尺寸和数量的控制。在最近的一些应用上即使较大的孔，被称为中孔（2～50nm）和大孔（大于50nm）都对活性炭的功能应用起作用，例如中孔在催化、净化、能源储存和碳化硅结构陶瓷制备等 [3–13]，大孔在重油吸附上的应用等。并且，孔的数量和尺寸、同种尺寸和形态孔也需要控制。

为满足特殊应用的特殊需求，相关学者提出很多方法和技术用于创造拥有特定孔结构的活性炭材料，控制孔的尺寸和数量。这些技术措施可分为一下三种：一是选择特殊原料实现活性炭特殊孔隙结构及孔尺寸，二是通过活性炭制作过程控制孔的尺寸和数量，形成特殊孔隙结构。三是对制作完成的活性炭用修饰或填充等措施改变活性炭原有性质实现控制孔隙结构、孔的尺寸和数量孔。这些提出的工程和技术工艺似乎可以满足在孔结构方面的需求，但是这些技术应用于工业生产还需要一些突破。

活性炭常常应用于吸附分子，吸附性决定应用性，而吸附性和各种炭型的孔大小分布相关。以水蒸气活化的泥煤基、褐煤基和椰壳基粉状活性炭为例：

泥煤基活性炭具有微孔和中孔，可供多种应用；

褐煤基炭具中孔较多，而且还有较大的中孔，提供优良的可入性；

椰壳基炭中主要是微孔，仅适用于低分子的去除。

化学品活化的活性炭是非常多孔的，多在微孔和中孔范围，但是，比较水蒸气活化的活性炭、化学品活化的活性炭的孔表面是较少疏水性和较多负电荷。

以挤压型和破碎型粒状活性炭为例：

泥煤基挤压型活性炭能制成各种不同孔大小分布的品种。微孔为主的品种主要用于气相应用的黄金回收。既有微孔又有中孔的品种大都用于液相应用，如水纯化中吸附小分子和大分子的杂质。

破碎型煤基炭兼有微孔和中孔，可供多种目的的应用。

褐煤基或椰壳基的粒状活性炭与粉状炭一样具有相同的微孔和中孔结构。

活性炭有什么性能指标？

活性炭产品的性能指标可分为物理性能指标、化学性能指标、吸附性能指标。三种性能指标对活性炭的选择和应用都起到非常重要的作用。

主要物理性能指标有：形状、外观、比表面积、孔容积、比重、目数、粒度、耐磨强度、漂浮率等。

主要化学性能指标有：PH值、灰分、水分、着火点、未炭化物、硫化物、氯化物、氰化物、硫酸盐、酸溶物、醇溶物、铁含量、锌含量、铅含量、砷含量、钙镁含量、重金属含量、磷酸盐等。

主要吸附性能指标有：亚甲蓝吸附值、碘吸附值、苯酚吸附值、四氯化碳吸附值、焦糖吸附值、硫酸奎宁吸附值、饱和硫容量、穿透硫容量、水容量、氯乙烷蒸汽防护时间、ABS值等。

活性炭常常应用于吸附分子，吸附性决定应用性，而吸附性和各种炭型的孔大小分布相关。以水蒸气活化的泥煤基、褐煤基和椰壳基粉状活性炭为例：

泥煤基活性炭具有微孔和中孔，可供多种应用；

　　褐煤基炭具中孔较多，而且还有较大的中孔，提供优良的可入性；

　　椰壳基炭中主要是微孔，仅适用于低分子的去除。

　　化学品活化的活性炭是非常多孔的，多在微孔和中孔范围，但是，比较水蒸气活化的活性炭、化学品活化的活性炭的孔表面是较少疏水性和较多负电荷。

　　以挤压型和破碎型粒状活性炭为例：

　　泥煤基挤压型活性炭能制成各种不同孔大小分布的品种。微孔为主的品种主要用于气相应用的黄金回收。既有微孔又有中孔的品种大都用于液相应用，如水纯化中吸附小分子和大分子的杂质。

　　破碎型煤基炭兼有微孔和中孔，可供多种目的的应用。

　　褐煤基或椰壳基的粒状活性炭与粉状炭一样具有相同的微孔和中孔结构。

活性炭有什么性能指标

活性炭产品的性能指标可分为物理性能指标、化学性能指标、吸附性能指标。三种性能指标对活性炭的选择和应用都起到非常重要的作用。

　主要物理性能指标有：形状、外观、比表面积、孔容积、比重、目数、粒度、耐磨强度、漂浮率等。

　主要化学性能指标有：PH值、灰分、水分、着火点、未炭化物、硫化物、氯化物、氰化物、硫酸盐、酸溶物、醇溶物、铁含量、锌含量、铅含量、砷含量、钙镁含量、重金属含量、磷酸盐等。

　主要吸附性能指标有：亚甲蓝吸附值、碘吸附值、苯酚吸附值、四氯化碳吸附值、焦糖吸附值、硫酸奎宁吸附值、饱和硫容量、穿透硫容量、水容量、氯乙烷蒸汽防护时间、ABS值等。

影响粉状活性炭应用的主要性质是什么

应用粉状活性炭，尤其大量应用，最影响效果和成本的活性炭主要性质是：吸附量；可滤性或沉降性；堆积密度；粉末大小、水分、灰分、PH值和可溶物。

a.       吸附量

活性炭吸附量的大小关系着活性炭用量的多少。

b.       可滤性

可滤性是指液体在最小压力下通过一定截面和滤饼深度取得最大澄明滤液的快慢程度。可滤性有赖于原料粒子形状、研磨粒子大小和大小的分布。可滤性差异导致过滤周期短，增加炭处理的费用。

c.       堆积密度

堆积密度是指100mL量筒中堆装活性炭的质量。当滤去粉炭时，其中有多少千克的活性炭和多少保留在滤饼中的处理液体，都为炭的堆积密度所决定。当以沉降法去除粉状活性炭时，较高堆积密度的活性炭提供较快的沉降率，较少的渣脚，需要搬运或脱水的处理也就简便。

怎样认识活性炭应用中的安全问题

通常都认为应用活性炭没有安全问题，但实际没有绝对的安全，对活性炭应用中的安全不能掉以轻心，对活性炭的性质和不安全的可能性要有所认识。

A、关于着火

1） 活性炭不列入危险品类，但是可燃的。着火后不会发生有焰燃烧，只是阴燃。

2）活性炭不会自燃，在空气中可能会着火，与汽油、柴油等混合，可引起燃烧。

3）活性炭燃烧时如果通风不足，会生成有毒的一氧化碳。

B、关于贮存

1） 活性炭必须存放在尽可能防火的建筑内。

2）活性炭不可与氧化剂混放

3）贮放处禁止明火，火花和吸烟

C、关于使用

1）要选用活性炭，含有对吸附物有催化分解或聚合作用杂质的活性炭。 2）要预计活性炭在吸附或解吸过程中发生分解或聚合造成腐蚀和发热的可能性。

选用活性炭时，常将活性炭加水进行投料，或采用特殊不扬尘的投料器。

活性炭产品之间如何区分，应该如何选择活性炭呢？

活性炭是由各种富含碳的原料制造而成。因此，用不同的原料制造的活性炭必然会有不同的特性。一般来说，以煤为原料制造的活性炭通常采用水蒸气或二氧化碳气体活化，产品的形状以颗粒状为主，其孔径分布以微孔居多，更适合于吸附液相和气相中分子量和分子直径较小的物质，吸附性能指标通常以亚甲蓝吸附值和碘吸附值表示；以木屑为原料制造的活性炭通常采取化学法活化，产品的形状以粉状为主，其孔径分布可通过调节化学活化剂的配比来进行控制，比较灵活，既可以制造出孔径分布以微孔居多的产品也可制造出孔径分布中孔（过渡孔）占较大比例的产品，后者则比较适合于吸附液相中分子量和分子直径较大的物质吸附性能指标以焦糖脱色率表示；以果壳类为原料制造的活性炭通常采取水蒸气和二氧化碳气体活化，产品的形状以颗粒状为主，由于其特殊材质的因素，其孔径分布介于上述两类活性炭之间，因此其应用范围更为广泛，缺点是受国内原材料的限制，成品较高。

怎样选择活性炭催化剂

无论以活性炭本身作催化剂或以活性炭作为载体的催化剂不应只满足于能起催化反应而已，还要通过分析测试进一步了解：

催化反应的转化率。即在一定条件下，用单位催化剂在单位时间内所产生目的产物的数量。

催化反应中的选择性。指催化剂上发生的两个以上相互竞争反应的相对速度，即目的产物的量和转化了的反应物的量之比。

　　催化剂使用寿命。按理催化剂在反应中不被消耗，事实上通过多次使用，催化活性会降低，不仅降低转化率，而且影响选择性，必须更换催化剂。