活性炭气体活化的基本原理

成型颗粒在隔绝空气和不加化学药剂的条件下炭化（380～550℃）得到所谓的炭化料，它实际上是一种比表面积为数平方米每克级的几乎无活性的材料。炭化料只有经过活化才能制成具有高度发达孔除结构和巨大比表面积的活性炭。

活化过程是炭化料获得活性的过程，具有重大的实践意义，因此人们都以极大的兴趣对气体活化法的原理进行多方面的研究。在早期活性炭仅用植物原料制造的时候，人们曾企图在物原料和活性炭的结构之间找出一种联系，并把活化仅仅解释是植物的各种成分（纤维素，木质素等）的反应性不同的结果。后来，人们的兴趣集中到对以下问题的研究；微孔结构究竟在多大程度上仅是在活化时由于炭的烧失而形成的或者还是在炭化期间孔隙实际上已形成只是被炭化焦油产物成无定形碳堵塞或封闭，而在活化期间这些孔除因同活化剂反应才被打开并排除掉那些堵富物质面成的呢。由于这时大部分研究是建立在分析活性炭吸附值的结果上，还设有发展或一种定量的活化理论，所以未能对活化过程作出令人满意的和有根据的解释，而且对活化机理的见解也不完全一致，比如，克尼弗特（Knight）等人认为，炭的表面积是在活化过程中急剧增长，只有表面积的增长才说明活性炭活性的提高，而卡尼（Chany）认为，原料在炭化过程中就形成了需要的表面积和孔醇，它们是活性炭具有吸附能力的原因，不过由于吸附了炭化时生成的一些焦油与碳氢化合物，比表面积小，活化只是烧去被吸附的碳氧化合物而不烧掉活性炭本身.阿尔曼特（Allmand）和卡普林（Chaplin）则认为活化过程是炭表面氧化物被烧坏。生成少量的一氧化碳和二氧化碳的作用清除了炭的表面杂物。

尽管活化机理还只是些零散的见解，尚不能作出明确的结论，但现在的知识极有可能描述炭化和活化期间活性炭的孔隙结构是如何形成的，可以认为所有的活化过程都包括除去炭中的焦油、碳氧化合物以及被炭表面吸附的气体等没有吸附活性的物质，除去的方法是氧化作用。

炭化期间大部分非碳元素-氧和氧因原料受热分解首先以气体形式脱除，碳原子则组合成类似石墨基本微晶结构的基本微品结构。基本微品的相互排列是不规则的，微品之间留有空隙，虽然由于焦油物质的析出和分解，这些空隙被占据或被所谓无定形碳充填或堵塞，因此炭化料只有很小的吸附量，据推测至少在低温炭化期一部分焦油留在微晶之间孔隙内和其表面上，然后在情性气体流中加热、用适宜的溶剂（如氯氧化硒）提取和利用化学反应（例如在比同炭发生反应时的温度低的条件下于硫蒸气中进行加热）等三种方法中之一种方法除去焦油产物，则这种炭化料至少可以得到部分的活化。

但是，要制造出高吸附能力的活性炭，只有在活化剂同炭发生反应的条件下活化炭化料。

活化分两个阶段进行。当进行气体活化时，在开始阶段烧失率不高于10％情况下，空隙中的油物质和无序碳首先被除去，微晶之间封闭和堵塞的孔隙即被打开，这时基本微品的表面就是露出来。在活化继续进行的第二阶段中暴露的基本微晶表面与活化剂作用，基本微品中的质做烧掉，微品的烧失是以不同速度在表面不同部分进行。据认为，微品燃烧的速度在同炭层平面平行的方向比垂直的方向大。有人认为，在基本微品边角上的和有缺陷位置上的那些碳原子更为活泼，因为它们的化合价没有被相邻的碳原子所饱和，这些地方就是所谓的活性点，同活化剂的反应往往发生在活性点上，在气体活化剂同炭反应的过程中，在活性点上暂时生成了表面配合物。当它们分解时，以一氧化碳或二氧化碳从表面逸出，结果新的不完全饱和的碳原子则暴露微晶表面，于是活性点又能同活化剂的另外的分子进行反应。微晶的这种不均匀的燃烧就导致新的孔脉的出现，在随后的活化过程中，孔隙不断加宽，相邻微孔之间壁的完全被烧毁而形成较大的孔隙，结果导致微孔容积减少，而次微孔容积增加。因此，常用三种过程来解释活化过程中产生孔隙的活化机理，即：①原来闭塞孔的开放；②原有孔隙的扩大，孔壁被烧失；③某些结构经选择性活化而产生新孔。

孔隙的生成与炭的氧化程度有密切关系，而炭的氧化必然要消耗炭，因此，常使用烧失率（活化期间炭质量减少的百分率）这个词来度量炭的活化程度，有时也使用活化得率，所谓活化得率是指最后获得的活性炭质量，以活化前炭化半成品的百分率表示。烧失率（B）和活化得率（A）的关系是：

B=100%-A                 

根据杜比宁的观点，当烧失率小于50％时，得到的是微孔活性炭；烧失率大于75％时，得到的是具有较大孔隙的活性炭；烧失率在50％～75％时，活性炭孔隙具有混合结构。