張艷偉
江蘇聯(lián)合金陶特種材料科技有限公司 江蘇 淮安 223005
當(dāng)前我國(guó)在制備活性炭的過程中,有非常多優(yōu)秀的研究者針對(duì)該問題進(jìn)行探索,當(dāng)前被使用的最多的制作活性炭的方式有大同煙煤制備、石油焦制備等;而選擇石油焦制備的活性炭其對(duì)H2O2的吸附力較好。這兩種方式所制備的活性炭雖然其效果較好,但是近幾年我國(guó)環(huán)境保護(hù)型社會(huì)的建設(shè)以及能源危機(jī)的出現(xiàn),正是因?yàn)槿绱瞬抛屧絹碓蕉嗟娜碎_始探究不同活化制度對(duì)活性炭制備工藝的影響。
在最初我國(guó)制備活性炭的過程中,其所選擇是單因素與正交法進(jìn)行制備,但是在整個(gè)制備的過程中,需要通過單因素實(shí)驗(yàn)考察活性炭炭化過程中各種不同因素,其本身對(duì)活性炭得率、比表面積及孔容的影響。之所以選擇P-B設(shè)計(jì)是因?yàn)樵摲绞降幕A(chǔ)就是正交設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),其最終的面對(duì)是以最少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)來確定其中的影響因素,并在最短的時(shí)間內(nèi)找到最重要的影響因子,這也成為探究不同活化制度對(duì)活性炭制備工藝的影響最方式的一種方式。由于其中的當(dāng)實(shí)驗(yàn)因素為較多,CCD所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)展現(xiàn)在了人們的面前,P-B/CCD檢測(cè)所需實(shí)驗(yàn)次數(shù)少、實(shí)驗(yàn)周期短、準(zhǔn)確性高、預(yù)測(cè)性能好。在檢測(cè)的過程中需要對(duì)K2CO3為活化劑制備活性炭,首先應(yīng)該選擇的是P-B設(shè)計(jì)對(duì)活性炭活化制備工藝的影響因素進(jìn)行篩選,然后借助于CCD進(jìn)行優(yōu)化,能在第一時(shí)間內(nèi)分析出各種不同的準(zhǔn)因素和活性炭性能之間的關(guān)系,最終得到活性炭在制備的過程中,其工藝的最佳條件參數(shù)。選擇利用P-B/CCD聯(lián)合法得到的最佳工藝參數(shù)為:在整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中,其自身的在活化溫度為836℃,活化所需要消耗的時(shí)間為1.96h,升溫速率為4.5℃/min條件下,所得到的活性炭樣品得率、比表面積分別為34.39%和1647.3m2/g,其與事先預(yù)測(cè)值的誤差僅為4.62%(<5%)與1.12%(<5%),該實(shí)驗(yàn)結(jié)果本身是完全可信的,該模型也能直接應(yīng)用在活性炭制備的工藝中,其得到了有效優(yōu)化,同時(shí)也節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)所消耗的成本[1]。
在P-B/CCD聯(lián)合法設(shè)計(jì)的分析結(jié)果中,其也表明了活性炭制作的過程中,其活化的時(shí)間與溫度本身的交互作用非常強(qiáng),基本與方差分析法達(dá)到了一致。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程中,如果活性炭的活化時(shí)間在不斷地被延長(zhǎng)有利于活性炭微孔結(jié)構(gòu)的形成,需對(duì)整個(gè)活化的時(shí)間進(jìn)行確定。在保持升溫速率不變的條件下,隨著活化溫度的升高,樣品的比表面積隨之不斷增大;當(dāng)活化溫度不變時(shí),隨著升溫速率的增大,樣品的比表面積也隨之不斷增大。由此可見,在活性炭制備的過程中,其最重要的因素包括了升溫速率、活化溫度、活化時(shí)間,其影響了活性炭的孔結(jié)構(gòu)、比表面積以及化學(xué)性質(zhì),如圖1所示。
選擇活性炭的微觀形貌(SEM)分析方法時(shí),其主要的目的是為了分析活性炭的孔形成。由于活化溫度與活化時(shí)間交互作用較強(qiáng),當(dāng)活性炭制備的過程中,其活化溫度出現(xiàn)了過高的情況,并不利于吸附量的提升,活化時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),活化劑會(huì)與其中的炭化料發(fā)生充分反應(yīng),進(jìn)而不斷的生成新的孔隙,但是如果活化時(shí)間出現(xiàn)了過長(zhǎng)的現(xiàn)象,就會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)問題即活性炭的燒失率過高。利用通過SEM掃描電鏡能直接發(fā)現(xiàn),制備活性炭的最佳工藝條件要求其活性炭表面處于光滑的狀態(tài),并且在活性炭中應(yīng)該有著發(fā)達(dá)且分布不均勻的橢圓形孔結(jié)構(gòu),其如果出現(xiàn)了發(fā)達(dá)孔隙,也說明活性炭的吸附能力較強(qiáng)?;钚蕴康目捉Y(jié)構(gòu)表征分析結(jié)果表明,活性炭的孔徑分布在2~10nm,也就是說其平均孔徑在2.06nm左右,總孔容為0.83cm3/g,而中孔孔容為0.126cm3/g,中孔率為15.3%。由于活性炭中含有大量的微孔,也就是說在制備活性炭的過程中,如果選擇在中壓區(qū)(0.2~0.8)時(shí)活性炭主要是由多分子層吸附;而在高壓區(qū)(0.8~1.0)時(shí),活性炭的吸附質(zhì)主要出現(xiàn)毛細(xì)管的凝聚,等溫線需要快速上升,其也直接表明了活性炭中有較大孔隙的存在。當(dāng)?shù)葴鼐€在相對(duì)壓力接近1.0時(shí)則會(huì)出現(xiàn)較為明顯的、寬的拐角,并且其本身具有十分明顯的陡峭向上的“拖尾”現(xiàn)象發(fā)生[2]。
綜上所述,在研究活性炭的活化過程中,選擇的研究方式較多,但是最終其所得出的結(jié)果是在整個(gè)P-B設(shè)計(jì)中,面對(duì)不同的活化因素其中包括了活性炭的活化溫度、活化時(shí)間、浸泡時(shí)間、K2CO3/炭化料比率和升溫速率等,能篩選出對(duì)活性炭制備最重要的內(nèi)容,然后利用CCD檢測(cè)方式對(duì)其中涉及一系列影響因素進(jìn)行交互關(guān)系的分析,其最重要的目的是優(yōu)化影響因子,最終得出制備活性炭的最佳工藝參數(shù)。