活性炭用氢氧化钾和碳酸钾活化

　　活性炭在其表面有许多反应位点,因此，它被广泛用作水净化和空气质量控制行业的吸附剂。由于空气和水质要求的加强，对高质量活性炭的需求一直在迅速增加。物理和化学活化过程都可以用于制备活性炭，高品质的活性炭需要苛刻的条件(例如，更长的停留时间和更高的试剂负载量)。化学活化比物理活化具有优势，用氢氧化钾对碳前体进行化学活化通常会产生具有高比表面积的活性炭。然而，该过程会产生大量废水，其中包括溶解的碱金属，主要以碳酸钾的形式存在。因此，具有高浓度溶解碳酸钾的废水可以代替氢氧化钾作为化学试剂使用。本次主要研究活性炭使用活化剂的局限性。



　　活性炭前体的准备和化学活化

　　研究中的碳前体是由木材制成，它具有相对较高的水分(13.0%)和挥发性(18.2%)含量，而固定碳约为63.4%，这与基于椰壳的活性炭不同。对于化学活化，两种类型的钾化合物(氢氧化钾和碳酸钾)被使用。在化学活化之前，约30g活性炭与200mL钾化合物溶液混合，然后浸渍在旋转蒸发器。溶液蒸发后，将样品在105℃下干燥24小时以准备活化。将5克浸渍过的碳前驱体置于氮气流动的管式炉中，以5℃/分钟的速度升温，直至达到活化温度(850℃);然后将活化温度保持2小时。活化终止后，用蒸馏水多次洗涤样品，直至浸出液呈中性，以去掉杂质。

　　化学试剂热稳定性的变化

　　图1显示了用作碳前体的木质活性炭、化学活化剂(氢氧化钾和碳酸钾)以及浸渍有化学试剂的活性炭的TGA结果。使用氢氧化钾和碳酸钾活化的样品的重量损失反映了活化剂的不同热性能。由于碳酸钾相对于氢氧化钾的热稳定性高，因此在850℃时不会起到活化剂的作用。然而，用碳酸钾浸渍的活性炭的重量损失起始点，即分解温度，比碳酸钾的低约200℃。事实上，用试剂浸渍的活性炭样品的TGA曲线取决于混合物中的碳与试剂的比例。因此，此类混合物的TGA曲线通常与两种材料的热性能一起绘制。然而，在高于750℃的温度下，用碳酸钾浸渍的活性炭比含有未经处理的活性炭的样品表现出更大的重量损失。鉴于碳酸钾由于其热稳定性而在891℃之前表现出的重量损失可以忽略不计，与未处理的活性炭相比，碳酸钾浸渍的重量损失更大表明热性能由于浸渍而改变。这些结果表明溶解在氢氧化钾化学活化废水中的碳酸钾可以通过浸渍过程重新使用。

　　图1：用每种化学品浸渍的化学试剂和碳前体的热重分析结果。

　　用氢氧化钾和碳酸钾进行化学活化

　　对于化学活化，碳前体通过与氢氧化钾和碳酸钾进行物理和化学混合来制备。无论混合方法如何，活性炭在用氢氧化钾化学活化后的比表面积都优于用碳酸钾化学活化后的活性炭(图2)。在钾/炭比为0.5时，用氢氧化钾活化的活性炭的比表面积增加1倍多点，比用碳酸钾活化的活性炭的比表面积大30%在其他条件相同的情况下。这些结果清楚地显示了使用氢氧化钾和碳酸钾处理的活性炭的热性能差异。然而，以相同的钾/炭比浸渍碳酸钾的活性炭的比表面积比物理混合有碳酸钾的活性炭的比表面积大24%。因此，碳酸钾的物理性质在浸渍过程中发生了变化(图1)，使掺杂到碳前体中的钾更容易嵌入到碳基质中。

　图2：(a)氮等温线和(b)通过用氢氧化钾和碳酸钾以不同钾/炭比浸渍制备的活性炭的孔径分布。

　　显示了在各种钾/炭比率下使用氢氧化钾和碳酸钾处理的活性炭的氮等温线和PSD。氮等温线和PSD的形状随钾/炭比而变化;然而，使用这两种化学剂活化的活性炭之间没有观察到实质性差异。然而，在活化过程中用碳酸钾浸渍的活性炭在活化过程中与用氢氧化钾处理的活性炭相似，钾/炭比为0.25。这些结果反映了在相同的钾/炭比率下，与以氢氧化钾形式浸渍的钾相比，当以碳酸钾形式浸渍时，钾作为化学试剂的反应性相对较低。

　　在本研究中，碳酸钾作为化学试剂的反应性与氢氧化钾的反应性进行了比较，以评估在化学活化过程中作为副产品产生的碱性废水回收利用的可行性。氢氧化钾在碳前体上的湿浸渍很好地降低了碳酸钾的热稳定性，如其熔点的降低所示。然而，碳酸钾浸渍活性炭的比表面积仍仅为氢氧化钾浸渍活性炭的50%。尽管如此，碳酸钾活化活性炭的比表面积仍比碳前体大1.6倍，表明通过将废水作为化学试剂再利用来进行资源回收的可能性。