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高比表面积活性炭的制备、表征及应用

王秀芳  
【摘要】:活性炭微孔发达、比表面积高、吸附能力强,是一种优良的吸附材料,广泛应用于化工、环保、食品与制药、催化剂载体和电极材料等领域。活性炭通常采用物理活化法和化学活化法制备,其比表面积通常在1500m~2/g左右。随着科学技术的飞速发展,高容量电池、高容量电容器的生产技术得到快速提高,市场对高比表面积活性炭的需求量越来越大。尤其是比表面积大于2000m~2/g的高比表面积活性炭在双电层电容器的成功应用,使得对高比表面积活性炭的制备与应用的研究得到广大科学工作者的极大关注。本文较详细地综述了国内外活性炭及高比表面积活性炭的制备、表征及应用研究进展,研究了高比表面积活性炭的制备、表征和在电极材料和水处理中的应用,分析探讨了高比表面积活性炭的活化机理及尾气成分分析等。 本文分别采用竹屑和煤作为原料,KOH作为活化剂,在氮气保护条件下制备了高比表面积活性炭,其比表面积分别为2996m~2/g和3135m~2/g;分别考察了不同工艺参数对活性炭吸附性能的影响,获得了最优制备工艺参数。结果表明选用竹屑和煤作为KOH活化法制备高比表面积活性炭的原料是可行的,竹质原料制备高比表面积活性炭的最优工艺参数为活化温度800℃,浸渍比1.0,活化时间2h;采用煤质原料制备高比表面积活性炭的最佳工艺参数为活化温度900℃,浸渍比4.0,活化时间1.5h。采用比表面积和孔结构测试仪,利用静态吸附法测定了优化工艺条件下制备的高比表面积活性炭在77K下对N_2的吸附等温线、比表面积和孔径分布,竹质和煤质高比表面积活性炭的孔容分别为1.63cm~3/g和1.72cm~3/g;根据ASTMD4607-94测定了相应活性炭的碘吸附值,最优条件下制备的竹质和煤质高比表面积活性炭的碘吸附值分别为2558和2657mg/g;采用扫描电子显微镜观察了高比表面积活性炭的微观结构,结果表明高比表面积活性炭的孔结构象尺寸大小相同的网格一样比较均匀,主要孔隙为微孔和中孔,孔径分布也相对比较集中,和常规物理法或化学法活性炭的相比,高比表面积活性炭的大孔较少;采用X射线衍射仪进行了高比表面积竹质活性炭的XRD分析,结果表明K_2CO_3是活化过程中生成的主要化合物,当温度达到673K时就会检测到K_2CO_3的存在,并且随着温度的升高,K_2CO_3所占的比例越来越大;采用气体分析仪在线检测了活化过程中的尾气成分,并对尾气成分进行了定量和定性分析。采用热分析仪测试了高比表面积活性炭的活化过程中的TG/DTG曲线,据此探讨了KOH活化法制备活性炭的活化机理,结果表明,高比表面积活性炭的活化过程经历两个主要阶段,即低温活化段(300℃以前)和高温活化段(550℃之后),低温活化属于生孔活化的预活化阶段,也即活化诱导期阶段,高温活化阶段主要发生活化中间体与反应物料表面的炭颗粒作用,


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