1 原料預處理
木質、煤質等天然產物作為活性炭生產原料都含有雜質,如 Si、 Ca、 Mg、 Al、 K 等,這些成分對活性炭微孔的形成有較大的影響。 活性炭的原料預處理包括脫灰和預氧化。原料脫灰預處理能顯著的提高活性炭的吸附性能。以煤質原料為例,經脫灰處理后可獲得 1 %灰分的精煤,可制備出微孔豐富的物理法活性炭,但成本較高。原材料預氧化處理,不僅能夠提高活性吸附性能還可以提高其產率。通過原料預氧化,可以降低活化溫度從而縮短活化的時間,還可以增加原料表面活性,更有利于活化作用的進行。原料的預氧化處理有干法和濕法。干法是用氧氣、空氣等氣體作為氧化劑,而濕法則用硝酸、硫酸等作為氧化劑。
2 連續化、無公害化制造技術
活性炭的制造技術是研究的重點之一,也是關系到活性炭發展的一個重要方面。連續化、自動化、低消耗、無公害化的活性炭生產技術是必然的發展趨勢,發達國家已經完成了該制造體系研發和應用。如:美國的維斯特維克公司、卡爾崗公司以及荷蘭的諾力特公司,年產活性炭萬噸以上,機械化程度高,員工僅有 100 余人,廠區內環境清潔。通過對制造新工藝與活性炭孔徑結構和表面性質研究,使得活性炭品種實現了專用化和多樣化。
3 活化劑低消耗制造工藝
傳統化學法活性炭制造工藝,活化劑的消耗量大,回收率很低,容易產生對環境造成污染的廢水和廢氣。隨著技術、工藝的發展,日本采用回轉爐兩段法進行氯化鋅法活性炭的生產,該技術活化溫度低,氯化鋅消耗量極少。美國磷酸法活性炭生產技術,酸耗控制在 15 %(每噸活性炭的酸耗)以下,這樣不僅極大的降低了成本,而且保護環境,實現了活性炭的清潔生產。
4 使用催化活化劑
通過添加催化劑進行物理法活性炭制備時,可成幾何倍數的提高其反應速率,降低活化溫度,并且孔徑分布集中。國內專利稱,采用鈣催化制備物理法活性炭,使反應活化能降低 11 %左右,孔徑分布集中于 5~10 nm。日本某專利,以過渡金屬或其化合物如 Fe(OH)3、 FeBr3、 Fe (NO3)3 作為催化劑,在減少反應時間的同時得到比表面積 2 500~3 000 m2 /g 的高比表面積活性炭。但是,反應速度過快,可能會燒穿孔壁破壞活性炭的微孔結構。
5 使用模板
在以無機物構筑的模板內引入有機物進行炭化,之后采用強酸溶解掉模板之后可以得到空間結構與無機物模板相類似的炭材料。該方法,可以通過改變模板來控制活性炭材料的孔徑分布,從而提高活性炭的吸附性能。但是,該技術方法制備工藝比較復雜,成本高。美國和日本開展了相關方面的研究,采用硅凝膠比(表面積 470 m2/g,孔徑 4.7nm)為模板,制得比表面積達到 1 100~2 000 m2/g、孔徑集中于 2 nm 的活性炭。
6 物理-化學活化制得超性能活性炭
所謂物理-化學活化法是指將物理法活化與化學法活化結合起來的一種活化方法,該方法通常將經過化學法活化的炭進一步用氣體進行活化,進而制得活性炭材料,也可以先進行物理法活性炭, 在以化學藥劑活化制得中孔結構發達的活性炭。 國外采用 H3PO4于 85 ℃ 下浸泡原料 2 h,之后在 450 ℃ 下炭化 4 h,然后采用 CO2 在 825 ℃ 下進行氣化,制得了比表面積達 3 700 m2/g 的超級大比表面積活性炭。