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Diese Arbeit analysiert den aktuellen Markt für Aktivkohle, führt eine eingehende Analyse der Rohstoffe für Aktivkohle durch, stellt die Methoden zur Charakterisierung der Porenstruktur, die Produktionsmethoden, die Einflussfaktoren und die Anwendungsentwicklung von Aktivkohle vor und gibt einen Überblick über die Forschungsergebnisse zur Optimierung der Porenstruktur von Aktivkohle, mit dem Ziel, Aktivkohle eine größere Rolle bei der Anwendung grüner und kohlenstoffarmer Technologien zu verleihen.
Herstellung von Aktivkohle
Im Allgemeinen lässt sich die Herstellung von Aktivkohle in zwei Phasen unterteilen: Karbonisierung und Aktivierung.
Karbonisierungsprozess
Die Karbonisierung bezeichnet den Prozess, bei dem Rohkohle unter Schutzgasatmosphäre auf hohe Temperaturen erhitzt wird, um ihre flüchtigen Bestandteile zu zersetzen und karbonisierte Zwischenprodukte zu gewinnen. Durch die Anpassung der Prozessparameter lässt sich das gewünschte Ergebnis erzielen. Studien haben gezeigt, dass die Aktivierungstemperatur ein entscheidender Prozessparameter ist, der die Karbonisierungseigenschaften beeinflusst. Jie Qiang et al. untersuchten den Einfluss der Aufheizrate auf die Eigenschaften von Aktivkohle in einem Muffelofen und stellten fest, dass eine niedrigere Aufheizrate die Ausbeute an karbonisierten Materialien erhöht und zu qualitativ hochwertigeren Produkten führt.
Aktivierungsprozess
Durch Karbonisierung können die Rohstoffe eine mikrokristalline Struktur ähnlich Graphit bilden und eine primäre Porenstruktur erzeugen. Diese Poren sind jedoch ungeordnet oder durch andere Substanzen verstopft, was zu einer geringen spezifischen Oberfläche führt und eine weitere Aktivierung erforderlich macht. Die Aktivierung ist der Prozess der weiteren Anreicherung der Porenstruktur des karbonisierten Produkts. Sie erfolgt hauptsächlich durch die chemische Reaktion zwischen dem Aktivator und dem Rohmaterial und kann die Bildung einer porösen mikrokristallinen Struktur fördern.
Die Aktivierung erfolgt im Wesentlichen in drei Phasen, wobei die Poren des Materials angereichert werden:
(1) Öffnen der ursprünglich geschlossenen Poren (Durchgangsporen);
(2) Vergrößerung der ursprünglichen Poren (Porenerweiterung);
(3) Bildung neuer Poren (Porenbildung);
Diese drei Effekte treten nicht isoliert, sondern gleichzeitig und synergistisch auf. Im Allgemeinen begünstigen die Bildung von Poren und deren Erzeugung die Erhöhung der Porenanzahl, insbesondere der Mikroporen. Dies ist vorteilhaft für die Herstellung poröser Materialien mit hoher Porosität und großer spezifischer Oberfläche. Eine übermäßige Porenerweiterung hingegen führt zum Zusammenfließen und Verbinden der Poren, wodurch Mikroporen in größere Poren umgewandelt werden. Um Aktivkohlematerialien mit gut ausgebildeten Poren und großer spezifischer Oberfläche zu erhalten, ist es daher notwendig, eine übermäßige Aktivierung zu vermeiden. Gängige Aktivierungsmethoden für Aktivkohle sind chemische, physikalische und physikochemische Verfahren.
Chemische Aktivierungsmethode
Die chemische Aktivierungsmethode bezeichnet ein Verfahren, bei dem Rohstoffe mit chemischen Reagenzien versetzt und anschließend in einem Ofen unter Zufuhr von Schutzgasen wie N₂ und Ar erhitzt werden, um sie gleichzeitig zu karbonisieren und zu aktivieren. Gängige Aktivatoren sind NaOH, KOH und H₃PO₄. Die chemische Aktivierungsmethode zeichnet sich durch niedrige Aktivierungstemperaturen und hohe Ausbeuten aus, birgt aber auch Nachteile wie starke Korrosion, Schwierigkeiten bei der Entfernung von Oberflächenreagenzien und erhebliche Umweltbelastung.
Physikalische Aktivierungsmethode
Die physikalische Aktivierungsmethode bezeichnet die direkte Karbonisierung der Rohstoffe im Ofen und die anschließende Reaktion mit Gasen wie CO₂ und H₂O bei hoher Temperatur, um die Porengröße zu erhöhen und zu erweitern. Allerdings bietet diese Methode nur eine geringe Kontrollierbarkeit der Porenstruktur. CO₂ wird aufgrund seiner Reinheit, leichten Verfügbarkeit und geringen Kosten häufig zur Herstellung von Aktivkohle verwendet. Als Rohmaterial diente karbonisierte Kokosnussschale, die mit CO₂ aktiviert wurde. So konnte Aktivkohle mit ausgeprägten Mikroporen, einer spezifischen Oberfläche von 1653 m²·g⁻¹ und einem Gesamtporenvolumen von 0,1045 cm³·g⁻¹ hergestellt werden. Die Eigenschaften der Aktivkohle erfüllen die Anforderungen für Doppelschichtkondensatoren.
Durch Aktivierung von Mispelkernen mit CO₂ wurde superaktivierte Kohle hergestellt. Nach 30-minütiger Aktivierung bei 1100 °C erreichten die spezifische Oberfläche und das Gesamtporenvolumen Werte von bis zu 3500 m²·g⁻¹ bzw. 1,84 cm³·g⁻¹. Kommerzielle Aktivkohle aus Kokosnussschalen wurde ebenfalls mit CO₂ sekundär aktiviert. Nach der Aktivierung verengten sich die Mikroporen des Endprodukts, das Mikroporenvolumen erhöhte sich von 0,21 cm³·g⁻¹ auf 0,27 cm³·g⁻¹, die spezifische Oberfläche stieg von 627,22 m²·g⁻¹ auf 822,71 m²·g⁻¹ und die Adsorptionskapazität für Phenol erhöhte sich um 23,77 %.
Andere Wissenschaftler haben die wichtigsten Kontrollfaktoren des CO₂-Aktivierungsprozesses untersucht. Mohammad et al. [21] fanden heraus, dass die Temperatur der Haupteinflussfaktor bei der Aktivierung von Gummisägemehl mit CO₂ ist. Die spezifische Oberfläche, das Porenvolumen und die Mikroporosität des Endprodukts nahmen mit steigender Temperatur zunächst zu und dann wieder ab. Cheng Song et al. [22] analysierten den CO₂-Aktivierungsprozess von Macadamianussschalen mithilfe der Response-Surface-Methodik. Die Ergebnisse zeigten, dass Aktivierungstemperatur und -zeit den größten Einfluss auf die Entwicklung der Mikroporen in Aktivkohle haben.
Veröffentlichungsdatum: 27. August 2024