气体活化法

方法

气体活化法也称物理活化法，采用水蒸气、烟道气（主要成分为CO2）、空气等含氧气体或混合气体作为活化剂，在高温下与炭化料接触进行活化或两种活化剂交替进行活化，从而生产出比表面积巨大、孔隙发达的活性炭产品。

原理

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程。一物料在炭化过程中已形成了类似石墨的基本微晶结构，在微晶之间形成了初级孔隙结构，不过由于这些初级孔隙结构被炭化过程中生成的一些无序的无定形碳或焦油馏出物所堵塞或封闭，因此炭化料的比表面积很小。

气体活化的过程就是用活化气体与C发生氧化还原反应，侵蚀炭化物的表面，同时除去焦油类物质及未炭化物，使炭化料的微细孔隙结构发达的过程。通过气化反应，使炭化料原来闭塞的孔开放、原有孔隙的扩大及孔壁烧失、某些结构经选择性活化而产生新孔的过程。孔隙的形成与C的氧化程度密切相关，在一定的活化烧失率范围内，活化气体与炭化料的气化反应程度越深，生产出的活性炭比表面积就越大、孔隙就越发达、活性炭的吸附性能就越好。杜比宁（Dubinin）理论认为，烧失率小于50%时，得到的是微孔活性炭；烧失率大于75%时，得到的是大孔活性炭；烧失率在50%-75%时，得到的是具有混合结构的活性炭。

过程

研究表明，活化反应通过以下三个阶段最终达到活化浩孔的目的。

第一阶段：开放原来的闭塞孔。即高温下，活化气体首先与无序碳原子及杂原子发生反应，将炭化时已经形成但却被无序的碳原子及杂原子所堵塞的孔隙打开，将基本微晶表面暴露出来。

第二阶段：扩大原有孔隙。在此阶段，暴露出来的基本微晶表面上的C原子与活化气体发生氧化反应被烧失，使得打开的孔隙不断扩大、贯通及向纵深发展。

第三阶段：形成新的孔隙。微晶表面C原子的烧失是不均匀的，同炭层平行方向的烧失速率高于垂直方向，微晶边角和缺陷位置的C原子即活性位更易与活化气体反应。同时，随着活化反应的不断进行，新的活性位暴露于微晶表面，于是这些新的活性点又能同活化气体进行反应。微晶表面的这种不均匀的燃烧不断地导致新孔隙的形成。

几随着活化反应的进行，孔隙不断扩大，相邻微孔之间的孔壁被完全烧失而形成较大孔隙。导致中孔和大孔孔容的增加，从而形成了活性炭大孔、中孔和微孔相连接的孔隙结构，具有发达的比表面积。

气体活化法的基本原理是采用水蒸气、烟道气（主要成分为CO2）或其混合气体等含氧气体作为活化剂，在高温下与C接触发生氧化还原反应进行活化，生成CO、CO2、H和其他碳氢化合物气体，通过C的气化反应（烧失）达到在碳粒中造碳的目的。其主要化学反应式如下：

C+2H2O—2H2+CO2—79.6kJ

C+H2O—H2+CO—542.1kJ

C+CO2—2CO—712.7kJ

从上述三个化学反应式可以看出，三个反应均是吸热反应，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800C，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。

活化工艺控制的主要操作条件包括活化温度、活化时间、活化剂的流量及温度、加料速度、活化炉内的氧含量等。

催化活化法是气体活化法工艺的一种发展，它是在炭化料生产过程中加入少量的催化剂（一种或几种），当炭化料进行活化时，催化剂催化炭化料与水蒸气、二氧化碳（烟道气）等活化剂的气化反应，生产出具有特殊孔隙结构或高吸附性能的活性炭产品。

气体活化法基本适合于所有含碳材料用于制造活性炭的生产过程。国内外气体活化法生产活性炭最常用的活化气体（活化剂）是水蒸气和烟道气，烟道气则是水蒸气活化过程中产生的煤气经过燃烧而制得，活化过程是水蒸气和烟道气的交替活化或两者的混合气体活化。

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