Ο ενεργός άνθρακας (AC) αναφέρεται στα υλικά με υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα, τα οποία έχουν υψηλό πορώδες και ικανότητα προσρόφησης και παράγονται από ξύλο, κελύφη καρύδας, άνθρακα και κώνους κ.λπ. Ο AC είναι ένα από τα συχνά χρησιμοποιούμενα προσροφητικά που χρησιμοποιούνται σε διάφορες βιομηχανίες για την απομάκρυνση πολυάριθμων ρύπων από τα υδάτινα και ατμοσφαιρικά σώματα. Δεδομένου ότι ο AC συντίθεται από τα γεωργικά και τα απόβλητα προϊόντα, έχει αποδειχθεί μια εξαιρετική εναλλακτική λύση στις παραδοσιακά χρησιμοποιούμενες μη ανανεώσιμες και ακριβές πηγές. Για την παρασκευή του AC, χρησιμοποιούνται δύο βασικές διαδικασίες, η ενανθράκωση και η ενεργοποίηση. Στην πρώτη διαδικασία, οι πρόδρομες ουσίες υποβάλλονται σε υψηλές θερμοκρασίες, μεταξύ 400 και 850°C, για την αποβολή όλων των πτητικών συστατικών. Η υψηλή θερμοκρασία απομακρύνει όλα τα μη ανθρακούχα συστατικά από τον πρόδρομο, όπως το υδρογόνο, το οξυγόνο και το άζωτο, με τη μορφή αερίων και πίσσας. Αυτή η διαδικασία παράγει άνθρακα με υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα αλλά χαμηλή επιφάνεια και πορώδες. Ωστόσο, το δεύτερο βήμα περιλαμβάνει την ενεργοποίηση προηγουμένως συντεθειμένου άνθρακα. Η αύξηση του μεγέθους των πόρων κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ενεργοποίησης μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε τρεις κατηγορίες: άνοιγμα προηγουμένως απρόσιτων πόρων, ανάπτυξη νέων πόρων μέσω επιλεκτικής ενεργοποίησης και διεύρυνση των υπαρχόντων πόρων.
Συνήθως, χρησιμοποιούνται δύο προσεγγίσεις, η φυσική και η χημική, για την ενεργοποίηση για την επίτευξη της επιθυμητής επιφάνειας και του πορώδους. Η φυσική ενεργοποίηση περιλαμβάνει την ενεργοποίηση του απανθρακωμένου άνθρακα χρησιμοποιώντας οξειδωτικά αέρια όπως αέρα, διοξείδιο του άνθρακα και ατμό σε υψηλές θερμοκρασίες (μεταξύ 650 και 900°C). Το διοξείδιο του άνθρακα προτιμάται συνήθως λόγω της καθαρής του φύσης, του εύκολου χειρισμού και της ελεγχόμενης διαδικασίας ενεργοποίησης γύρω στους 800°C. Υψηλή ομοιομορφία πόρων μπορεί να επιτευχθεί με την ενεργοποίηση με διοξείδιο του άνθρακα σε σύγκριση με τον ατμό. Ωστόσο, για τη φυσική ενεργοποίηση, ο ατμός προτιμάται πολύ περισσότερο σε σύγκριση με το διοξείδιο του άνθρακα, καθώς μπορεί να παραχθεί AC με σχετικά μεγάλη επιφάνεια. Λόγω του μικρότερου μεγέθους μορίων του νερού, η διάχυσή του μέσα στη δομή του άνθρακα γίνεται αποτελεσματικά. Η ενεργοποίηση με ατμό έχει βρεθεί ότι είναι περίπου δύο έως τρεις φορές υψηλότερη από το διοξείδιο του άνθρακα με τον ίδιο βαθμό μετατροπής.
Ωστόσο, η χημική προσέγγιση περιλαμβάνει την ανάμειξη του προδρόμου με ενεργοποιητικούς παράγοντες (NaOH, KOH και FeCl3, κ.λπ.). Αυτοί οι ενεργοποιητικοί παράγοντες δρουν ως οξειδωτικά καθώς και ως αφυδατικοί παράγοντες. Σε αυτήν την προσέγγιση, η ενανθράκωση και η ενεργοποίηση πραγματοποιούνται ταυτόχρονα σε συγκριτικά χαμηλότερη θερμοκρασία 300-500°C σε σύγκριση με τη φυσική προσέγγιση. Ως αποτέλεσμα, επηρεάζει την πυρολυτική αποσύνθεση και, στη συνέχεια, οδηγεί σε διαστολή βελτιωμένης πορώδους δομής και υψηλή απόδοση άνθρακα. Τα κύρια πλεονεκτήματα της χημικής έναντι της φυσικής προσέγγισης είναι η απαιτούμενη χαμηλή θερμοκρασία, οι δομές υψηλής μικροπορώδους, η μεγάλη επιφάνεια και ο ελαχιστοποιημένος χρόνος ολοκλήρωσης της αντίδρασης.
Η ανωτερότητα της μεθόδου χημικής ενεργοποίησης μπορεί να εξηγηθεί με βάση ένα μοντέλο που προτάθηκε από τον Kim και τους συνεργάτες του [1], σύμφωνα με το οποίο διάφορα σφαιρικά μικροπεδία που ευθύνονται για τον σχηματισμό μικροπόρων βρίσκονται στο AC. Από την άλλη πλευρά, οι μεσοπόροι αναπτύσσονται στις περιοχές μεταξύ των μικροπεδίων. Πειραματικά, σχημάτισαν ενεργό άνθρακα από ρητίνη με βάση τη φαινόλη μέσω χημικής (χρησιμοποιώντας KOH) και φυσικής (χρησιμοποιώντας ατμό) ενεργοποίησης (Σχήμα 1). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το AC που συντέθηκε με ενεργοποίηση KOH είχε υψηλή επιφάνεια 2878 m2/g σε σύγκριση με 2213 m2/g με ενεργοποίηση με ατμό. Επιπλέον, άλλοι παράγοντες όπως το μέγεθος των πόρων, η επιφάνεια, ο όγκος των μικροπόρων και το μέσο πλάτος των πόρων βρέθηκαν να είναι καλύτεροι σε συνθήκες ενεργοποίησης με KOH σε σύγκριση με την ενεργοποίηση με ατμό.
Οι διαφορές μεταξύ AC που παρασκευάζεται από ενεργοποίηση με ατμό (C6S9) και ενεργοποίησης KOH (C6K9), αντίστοιχα, εξηγούνται με βάση το μοντέλο μικροδομής.
Ανάλογα με το μέγεθος των σωματιδίων και τη μέθοδο παρασκευής, μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε τρεις τύπους: ενεργοποιημένο AC, κοκκώδες AC και σφαιροειδές AC. Το ενεργοποιημένο AC σχηματίζεται από λεπτούς κόκκους μεγέθους 1 mm με μέσο εύρος διαμέτρου 0,15-0,25 mm. Το κοκκώδες AC έχει συγκριτικά μεγαλύτερο μέγεθος και μικρότερη εξωτερική επιφάνεια. Το κοκκώδες AC χρησιμοποιείται για διάφορες εφαρμογές υγρής και αέριας φάσης ανάλογα με τις αναλογίες διαστάσεών του. Τρίτη κατηγορία: το σφαιροειδές AC συντίθεται γενικά από την πίσσα πετρελαίου με διάμετρο που κυμαίνεται από 0,35 έως 0,8 mm. Είναι γνωστό για την υψηλή μηχανική του αντοχή και τη χαμηλή περιεκτικότητα σε σκόνη. Χρησιμοποιείται εκτενώς σε εφαρμογές ρευστοποιημένης κλίνης, όπως η διήθηση νερού, λόγω της σφαιρικής του δομής.
Ώρα δημοσίευσης: 18 Ιουνίου 2022