活性炭の導入

活性炭（AC）とは、木材、ヤシの殻、石炭、球果などから生成される、高い多孔性と吸着能力を備えた炭素質の高い材料を指します。AC は、さまざまな産業で多数の汚染物質を除去するために頻繁に使用される吸着剤の 1 つです。水体や空気体から。 ACは農産物や廃棄物から合成されるため、伝統的に使用されてきた再生不可能で高価な資源に代わる優れた代替品であることが証明されています。 AC の調製には、炭化と活性化という 2 つの基本プロセスが使用されます。最初のプロセスでは、前駆体を 400 ～ 850°C の高温にさらして、すべての揮発性成分を追い出します。高温により、水素、酸素、窒素などの非炭素成分がすべて前駆体からガスやタールの形で除去されます。このプロセスにより、炭素含有量は高いが表面積と多孔性が低いチャーが生成されます。ただし、2 番目のステップには、以前に合成された char の活性化が含まれます。活性化プロセス中の細孔サイズの拡大は、以前はアクセスできなかった細孔の開口、選択的活性化による新しい細孔の発達、および既存の細孔の拡大の 3 つに分類できます。
通常、望ましい表面積と多孔性を得るために、物理的および化学的という 2 つのアプローチが活性化に使用されます。物理的活性化には、高温 (650 ～ 900°C) で空気、二酸化炭素、水蒸気などの酸化性ガスを使用して炭化炭を活性化することが含まれます。二酸化炭素は、その純粋な性質、取り扱いの容易さ、および約 800°C での制御可能な活性化プロセスのため、通常は好まれます。二酸化炭素による活性化では、水蒸気に比べて高い細孔均一性が得られます。ただし、物理的活性化の場合は、比較的大きな表面積を持つ AC を生成できるため、二酸化炭素と比較して蒸気の方がはるかに好まれます。水の分子サイズが小さいため、チャーの構造内での水の拡散が効率的に起こります。水蒸気による活性化は、同じ程度の変換率の二酸化炭素よりも約 2 ～ 3 倍高いことがわかっています。
ただし、化学的アプローチには、前駆体と活性化剤 (NaOH、KOH、FeCl3 など) の混合が含まれます。これらの活性化剤は、酸化剤としても脱水剤としても作用します。物理的手法に比べて300～500℃という比較的低温で炭化と活性化を同時に行う手法です。その結果、熱分解が起こり、多孔質構造が拡大し、炭素収率が向上します。物理的アプローチよりも化学的アプローチの主な利点は、低温要件、高い微細孔構造、大きな表面積、および最小限の反応完了時間です。
化学的活性化法の優位性は、Kim とその共同研究者によって提案されたモデル [1] に基づいて説明できます。このモデルによれば、AC には微細孔の形成に関与するさまざまな球状のミクロドメインが見つかります。一方、マイクロドメイン間領域ではメソ細孔が発達します。実験的に、彼らは化学的（KOHを使用）および物理的（蒸気を使用）活性化によってフェノールベースの樹脂から活性炭を形成しました（図1）。結果は、ＫＯＨ活性化によって合成されたＡＣが、水蒸気活性化による２２１３ｍ２／ｇと比較して、２８７８ｍ２／ｇの高い表面積を有することを示した。さらに、孔径、表面積、微細孔容積、平均孔幅などの他の要素はすべて、蒸気活性化条件と比較して KOH 活性化条件の方が優れていることが判明しました。

水蒸気賦活法（C6S9）とKOH賦活法（C6K9）のACの違いを微細構造モデルで説明します。

粒径と製法により、パワードAC、粒状AC、ビーズACの3種類に分類されます。パワード AC は、サイズ 1 mm、平均直径範囲 0.15 ～ 0.25 mm の細粒から形成されます。粒状ACは比較的サイズが大きく、外表面積が小さくなります。粒状ACは、寸法比に応じてさまざまな液相および気相用途に使用されます。第 3 クラス: ビーズ AC は通常、直径 0.35 ～ 0.8 mm の石油ピッチから合成されます。機械的強度が高く、粉塵が少ないことで知られています。球状構造のため、水の濾過などの流動層用途に広く利用されています。