文 献 综 述

一、课题背景

活性炭是用于描述已经形成高表面积的碳基材料，内部多孔结构（由具有不同尺寸分布的孔组成）以及广泛的含氧官能团的一个常用术语。活性炭具有无序的晶体结构，由随机分布的微晶体组成。这种微晶结构是由石墨烯片、富勒烯或类石墨碎片等基本结构构成的。然而，这种微晶排列不会在宏观尺度上扩展，从而导致a无序的高纳米孔结构。因此，这些材料具有高的比表面积(500-1500m²/g)、多种官能团(羧基、羰基、羟基、胺)和孔径分布(lt;1-100nm)。所有这些特性使它们具有非凡的吸附多种分子的能力^[1]。活性炭是许多工业领域中使用最广泛的吸附剂，并且在其他方面具有良好的实施前景，如储能（超级电容器中的电极）和农业（化肥生产）。这些活性炭是通过活化各种含碳原材料（包括煤和纤维素生物资产作为两种主要资源而制备的。尽管煤炭被广泛使用，但在某些地方，农业废弃物可能是更好的选择，因为它的可用性和廉价性。这种需求促使了人们去寻求可再生，丰富和低成本的前体材料，作为传统化石资源的替代品。

生物质材料被广泛用作生产活性炭的原料，木材和椰子壳是最常用的材料,产量超过30万吨/年^[2]。其他农业副产品如桉树木，杏仁壳，香根草，花生壳，椰壳纤维，栗子，开心果壳，玉米芯，咖啡内果皮和棕榈石也已被研究用于活性炭的生产^[3-12]。

二、物理活化

最常用的活性炭生产工艺是物理活化，这个过程分为两个阶段：

在第一个阶段，称为碳化，前体材料在惰性气氛中，在中高温(300-800℃)下被热解以富集前体中的碳含量。在此过程中，较不稳定的键断裂释放出前体物质的挥发组分，首先释放水分和低分子量挥发物，然后是轻质芳烃，最后是氢气。在这里，得到的所得产物是富含碳芳香环的碳质残渣，即所谓的炭，具有基本的多孔结构。这种初始孔隙度吸附能力较低，因为分解过程中释放出的部分产物，主要是焦油，在颗粒表面重新聚合凝聚，填充或堵塞孔隙。这就是为什么需要一个后续的活化阶段，通过这个阶段，这些焦油沉积物将被消除，从而扩大现有的孔隙度，增加吸附能力。仔细选择碳化参数非常重要，因为这一过程会对最终产品产生显着影响。在该过程中，碳化温度具有最显着的影响，其次是加热速率，惰性气氛的存在（或不存在）及其速率，最后是停留时间。通常，碳化温度高于600摄氏度会导致焦炭产量降低，同时提高液体和气体的释放速率。较高的温度也会增加灰分和固定碳含量，并降低挥发性物质的含量。因此，高温导致更好的炭化质量，但也降低了产率。

在碳化过程中，通入气体与生物质进行反应，有时在碳化过程中或碳化后添加化学物质，如ZnCl₂，以增加其多孔性。在之后的活化过程中，炭的红外规整结构与活化气体发生反应，提高了材料的孔隙率。这使得活性炭具有大的表面积（高达2500m²/g）、微孔结构和高表面活性^[17]。二氧化碳和蒸汽是最广泛的活化剂，因为它们反应的吸热性质有助于过程控制。一般来说，二氧化碳的使用是首选的，因为它在高温下的反应性较低，这使得活化过程更容易控制。此外，从活化的初始阶段开始，二氧化碳活化有利于微孔形成，而蒸汽活化有利于微孔扩大，因此用蒸汽制备的活性炭显示出较低的微孔体积，而牺牲了较大的中孔和大孔体积^[13]。在任何情况下，微孔结构发展的最决定因素是气化剂的分压和活化过程的条件，因此，二氧化碳和蒸汽都可以是合适的气化剂，这取决于前体材料的选择和工艺条件^[14-16]。

在第二阶段，炭是在一个较高的温度(700-1000℃)，在活化剂的存在下被激活。在整个过程中，燃料的碳质基体暴露在还原性大气中，经历了几次非均相重整反应，导致炭的部分气化，形成一个大的多孔结构，并增加了它的比表面积。在活化过程的初始阶段，发生了以下过程:焦油沉积的消除、热解过程中形成的原始孔隙的打开和新孔隙的发育。经过长时间的活化后，以扩孔作用为主，孔的加深和新孔的形成严重减少。随着活化时间的延长，BET(Brunauer#8211;Emmett#8211;Teller)的介孔和大孔逐渐增多，BET的表面积和孔容逐渐减小。

三、化学活化