Cărbunele activ (CA) se referă la materialele cu conținut ridicat de carbon, cu porozitate și capacitate de sorbție ridicate, produse din lemn, coji de nucă de cocos, cărbune și conuri etc. CA este unul dintre adsorbanții utilizați frecvent în diverse industrii pentru îndepărtarea numeroșilor poluanți din corpurile de apă și aer. Deoarece CA este sintetizat din produse agricole și deșeuri, s-a dovedit a fi o alternativă excelentă la sursele neregenerabile și costisitoare utilizate în mod tradițional. Pentru prepararea CA, se utilizează două procese de bază: carbonizarea și activarea. În primul proces, precursorii sunt supuși unor temperaturi ridicate, între 400 și 850°C, pentru a elimina toate componentele volatile. Temperatura ridicată elimină toate componentele non-carbonoase din precursor, cum ar fi hidrogenul, oxigenul și azotul, sub formă de gaze și gudroane. Acest proces produce cărbune cu un conținut ridicat de carbon, dar cu o suprafață și o porozitate reduse. Cu toate acestea, a doua etapă implică activarea cărbunelui sintetizat anterior. Creșterea dimensiunii porilor în timpul procesului de activare poate fi clasificată în trei: deschiderea porilor anterior inaccesibili, dezvoltarea de noi pori prin activare selectivă și lărgirea porilor existenți.
De obicei, pentru activare se utilizează două abordări, fizică și chimică, pentru a obține suprafața și porozitatea dorite. Activarea fizică implică activarea cărbunelui carbonizat folosind gaze oxidante, cum ar fi aerul, dioxidul de carbon și aburul, la temperaturi ridicate (între 650 și 900°C). Dioxidul de carbon este de obicei preferat datorită naturii sale pure, manipulării ușoare și procesului de activare controlabil în jurul valorii de 800°C. O uniformitate ridicată a porilor poate fi obținută prin activarea cu dioxid de carbon în comparație cu aburul. Cu toate acestea, pentru activarea fizică, aburul este mult mai preferat în comparație cu dioxidul de carbon, deoarece se poate produce AC cu o suprafață relativ mare. Datorită dimensiunii moleculelor de apă mai mici, difuzia acesteia în structura cărbunelui are loc eficient. S-a constatat că activarea cu abur este de aproximativ două până la trei ori mai mare decât cea cu dioxid de carbon, cu același grad de conversie.
Totuși, abordarea chimică implică amestecarea precursorului cu agenți de activare (NaOH, KOH și FeCl3 etc.). Acești agenți de activare acționează atât ca oxidanți, cât și ca agenți de deshidratare. În această abordare, carbonizarea și activarea se efectuează simultan la o temperatură relativ mai scăzută, de 300-500°C, în comparație cu abordarea fizică. Drept urmare, se produce descompunerea pirolitică și, prin urmare, se obține o expansiune îmbunătățită a structurii poroase și un randament ridicat de carbon. Principalele avantaje ale abordării chimice față de cea fizică sunt temperatura scăzută necesară, structurile cu microporozitate ridicată, suprafața mare și timpul de finalizare a reacției minimizat.
Superioritatea metodei de activare chimică poate fi explicată pe baza unui model propus de Kim și colegii săi [1], conform căruia în carbonul activ (CA) se găsesc diverse microdomenii sferice responsabile de formarea microporilor. Pe de altă parte, mezoporii sunt dezvoltați în regiunile intermicrodomenii. Experimental, aceștia au format carbon activ din rășină pe bază de fenol prin activare chimică (folosind KOH) și fizică (folosind abur) (Figura 1). Rezultatele au arătat că CA sintetizat prin activare cu KOH a avut o suprafață mare de 2878 m2/g, comparativ cu 2213 m2/g prin activare cu abur. În plus, alți factori precum dimensiunea porilor, aria suprafeței, volumul microporilor și lățimea medie a porilor s-au dovedit a fi mai buni în condiții activate cu KOH, comparativ cu activarea cu abur.
Diferențele dintre AC preparat prin activare cu abur (C6S9) și respectiv activare cu KOH (C6K9), explicate în funcție de modelul de microstructură.
În funcție de dimensiunea particulelor și de metoda de preparare, acestea pot fi clasificate în trei tipuri: AC push-pulverizat, AC granular și AC în sfere. AC push-pulverizat este format din granule fine cu dimensiunea de 1 mm, cu un diametru mediu cuprins între 0,15-0,25 mm. AC granular are o dimensiune relativ mai mare și o suprafață externă mai mică. AC granular este utilizat pentru diverse aplicații în fază lichidă și gazoasă, în funcție de raporturile lor dimensionale. A treia clasă: AC în sfere este în general sintetizat din smoală de petrol cu un diametru cuprins între 0,35 și 0,8 mm. Este cunoscut pentru rezistența sa mecanică ridicată și conținutul redus de praf. Este utilizat pe scară largă în aplicații în pat fluidizat, cum ar fi filtrarea apei, datorită structurii sale sferice.
Data publicării: 18 iunie 2022