磷酸法制备活性炭的活化机理

磷酸法制备活性炭的活化机理

据相关文献报道，磷酸法制备活性炭的过程中，磷酸与木质纤维素原料的作用机理可分为以下几个方面。

1.润胀作用

在低于200℃的温度下，磷酸的电离作用能使木质纤维素类原料中的生物高聚物发生润胀、胶溶以至于溶解作用，活化剂渗透到原料内部，溶解纤维素而形成孔隙。与此同时，还会发生一些水解反应和氧化反应，使高分子化合物逐渐解聚，形成一种部分聚合物与磷酸组成的均匀塑性物质。

2.加速炭化过程

炭活化需要在一定温度下进行，磷酸药品从根本上改变了木材的热解历程，显著降低活化温度；同时由于磷酸对生物高聚物的润胀作用，他能渗透到原料颗粒内部、使原料受热均匀。因此，浸渍过磷酸的物料升温快而且均匀，不发生局部过热，一般磷酸活化法活化时间均在0.5-1.5h。

3.高温下具有催化脱水作用

木质纤维素原料在炭化时生成大量的焦油而降低碳的得率。经磷酸浸渍的物料，由于磷酸具有很强的脱水作用和催化有机化合物的羟基消去作用，因而，杉木屑在高温分解前其中的氢和氧首先发生脱水反应，以水的形式脱除，使更多的碳得以保留，活性炭的得率较高。同时磷酸能抑制焦油的产生，并导致残留的碳有较高程度的芳构化。

4.氧化作用

磷酸具有氯化锌所没有的氧化性质，它能进一步氧化已形成的炭，起着进一步氧化作用，侵蚀炭体而造孔，形成微孔发达的微晶结构。

5．芳香缩合作用

纤维素是木材的主要成分之一，在质子的催化作用下发生纤维素的解聚，木质纤维素脱水，芳香环状结构的形成，磷酸盐基团的去除等系列反应。当温度升高时（100～200℃），与酸催化乙醇脱水的机理一样，通过磷酸脱水作用和催化有机化合物的羟基消去作用，使碳材料获得较高程度的芳构化；在较高的温度（＞300℃）和无水气氛条件下，磷的氧化物（P₂O₅）能作为路易斯酸，反应形成C-O-P缔合结构，获得大量P-O网状结构、微孔发达及比表面积高的活性炭。在磷酸盐的位置，H的存在形成不饱和缔合，从而去除网状炭上的磷酸盐。

6．炭化时起骨架作用

磷酸在炭化时起骨架作用，在原料被炭化时能给新生的碳提供一个骨架，让碳沉积在骨架的上面；新生的碳具有初生的键，对无机元素有吸附力，能使碳与无机磷元素结合在一起。当用酸和水把无机成分溶解洗净之后，碳的表面便暴露出来，成为具有吸附力的活性炭内表面积，这种作用zui明显地体现在：活性炭的孔隙总容积总是随着浸渍比的变化而呈规律性的变化。当浸渍比大时，可制得过渡孔较发达的活性炭，浸渍比小时，可制得微孔发达的活性炭。但当温度超过600℃，磷酸则不再起到活化剂的作用，且由于热收缩使得活性炭表面积和孔容减小。