活性碳材

回炭博士專欄

    活性碳為一多孔性碳體之集合性名稱,其製造可經由碳體之反應性氣體處理,或將含碳物質碳化,然後以物理方法或化學處理活化而得。目前主要之原料為生煤(泥煤、褐煤、煙煤)和椰子殼,其他已知之原料則為木材(以松木最多)、褐炭、木屑(Sawdust)、堅果殼、廢水處理污泥、重油渣、廢輪胎、石油焦等。所有的活性碳皆具有相當特殊的孔洞結構,比表面積可高達1000 m2/g以上,且其表面僅附著少量的化學鍵結性之氧和氫,故活性碳可說是一種疏水性表面,此外,活性碳上含有少量礦物質,即為灰分。

    基本上活性碳可分為粒狀活性碳(GAC)和粉狀活性碳(PAC),GAC主要用於淨化空氣和吸附揮發性有機物(Volatile organic compounds, VOCs);PAC則用於淨化水質、食品工業等。

    為了將木材碳化製造成活性碳,必須進行碳化物之活化(Activation)程序,目的在提高孔洞體積或比表面積,並擴大在碳化程序時所產生孔洞之直徑,以及創造一些新的孔洞。即活化程序之效果在於將碳化物被吸著質除去,使閉塞細孔開放,更進一步的擴大現有細孔之通路,且碳元素構造反應性高的部分,因為選擇性氧化結果,會形成微細孔,因而提高吸著性能。活化程序主要分為物理活化(氣體活化法)與化學活化(藥品活化法)。

  1. 物理活化法:碳化物(即木炭)在高溫(850∼1150℃)下,與各種氧化氣體(水蒸汽、二氧化碳氣體、氧氣等)反應進行活化,故物理活化與碳化是在兩個不同步驟完成的。

  2. 化學活化法:將原料(主要為木粉)充分的浸漬在活化藥品(氯化鋅、磷酸、氯化鈣、硫酸、亞硫酸鉀等)中,於400∼800℃之加熱溫度下碳化,由於藥品之脫水作用與氧化反應而進行活化程序。此法中碳化與活化是同時進行的。

   落葉松碳化物在500℃下碳化3小時,顯示活化溫度愈高,比表面積愈大,但達到某活化時間以上時,比表面積則有減少之傾向。而學者Lopez等亦利用熱帶產之針葉樹材(Tabebuia rosae),及闊葉樹材(Hymenaea courbaril)以化學活化法進行木材活性碳之製造。首先在80℃以40%磷酸及25%氯化鋅,分別處理木材,然後在450℃進行碳化與化學活化,並探討藥劑注入時間與比表面積之關係,顯示注入時間與比表面積成高度正相關。

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