活化对球形活性炭性能的影响
3.2.1 气体的活化过程
① 活化剂的选择和应用
常用气体活化剂有水蒸气、CO2、空气和烟道气等。水蒸气活化一般在750∼900℃条件下完成；CO2活化需要850∼1100℃，活化时间也较长；氧活化是放热反应，炉内不易保持确定的温度，尤其很难避免局部过热和活化的不均匀性。
实验时选择水蒸气做活化剂。活化时随着温度的升高，炭化料继续脱挥发分和热分解，只留下极少量的挥发分及非碳元素(如结合牢固的氢)等。活化炉中主要的反应是碳与气体介质之间的反应，即气固相之间的非均相反应，同时也有气体反应物之间的均相反应。气固相反应对孔隙的形成起决定性的作用，这种反应可以分为容积反应和表面反应2类。容积反应主要在内表面进行，而表面反应时，反应气体刚扩散到表面就反应了，不会扩散到内部。显然活化过程希望以容积反应为主，通常当温度较高时，容易发生表面反应(如氧化反应和燃烧反应)。
② 炭化料的活化过程
对炭化料进行活化的过程可分为以下7步：a．气相中的活化剂向炭化料表面扩散(外扩散)；b．活化剂(气体分子)由颗粒表面通过孔隙向内部扩散(内扩散)；C．反应气体分子吸附在固体碳的表面，形成中间络合物；d．吸附的中间络合物之间，或吸附的中间络合物和气相分子之间进行反应；e．吸附态的产物从固体表面脱附；f．发生反应的气体从内部向颗粒表面扩散(内扩散)；g．反应生成的气体不断从表面扩散到气相空间(外扩散)。
活化反应在活性炭细孔形成过程中有3个作用：a．开孔作用。炭化时形成的孔隙由于被焦油或其他分解生成的无定形炭所堵塞，造成了闭孔，使被吸附分子无法进入孔隙，所以无吸附能力。活化时，由于这些焦油或无定形炭与气体活化剂反应而被除去，使闭孔打开，比表面积增大。b．扩孔作用。由于孔隙内表面的一部分碳与活化剂反应生成CO2或CO气体排出，使原有的孔隙直径增大。同时由于孔壁的烧失使孔与孔相通，形成气体通道，有利于气体活化剂向内部扩散。c．某些结构经过选择性活化而生成新孔。由于以上3个作用，使活性炭形成发达的细孔结构，孔隙率和比表面积增加(3)。
3.2.2 水蒸气的活化机理
碳与水蒸气的反应是吸热反应：C+H2O→H2+CO (1)
水蒸气过量时的反应也是吸热反应：C+2H2O→2H2+CO2 (2)
碳与水蒸气的反应机理如下：C+H2O→C(H2O) (3)
C(H2O)→H2+C(O) (4)
C(O)→CO (5)
括号表示化合物与炭表面相结合，可能处于吸附状态。由于反应生成的氢可能结合在活性点上，从而抑制了碳与水蒸气的反应。为了考察活化的效果，即吸附性能，这里用碘吸附值来衡量。不同温度、不同时间活化后的活性炭碘吸附值见图1。碘吸附值越大，说明活化的效果越好。
图1 不同温度下碘吸附值随活化时间的变化趋势
Fig.1 Variation trend of iodine adsorption value with activation time at diferent temperatures
3.2.3 活化反应的分析
① 活化速度决定于气体扩散和化学反应中最慢的那个速度。当总反应受扩散过程的速度控制时，称为扩散控制；反之，当总反应受化学反应速度控制时，称为化学动力学控制。
② 活化应该在颗粒内部均匀地进行，因此希望颗粒内部的气体浓度一致。假如活化温度过高，反应速度过快，颗粒内部气体扩散速度赶不上化学反应速度，那么必然会产生活化气体的浓度梯度，不能均匀地进行活化反应。
③ 气体活化反应的实质就是碳的氧化反应，但碳的氧化反应并不是在炭的整个表面均匀地进行，而仅仅发生在活性点上，即与活化剂亲和力较大的部位才发生反应(如在微晶的边角和有缺陷的位置上的碳原子)。因为原子价未完全饱和，所以反应性大。
④ 活化程度一般以烧失率来衡量。活化初期，吸附能力随烧失率的增加而增加；但烧失率达到一定程度后，继续活化，则吸附能力下降或提高幅度很小。这是因为过分活化后，微孔和过渡孔不断扩大为大孔。此时，活性炭的孔隙率虽然增加，但内表面积却不断减小或增加很少。另外，烧失率增加后，活性炭的灰分增加，从而也降低活性炭的吸附能力。生产不同用途的活性炭常常要控制一定的烧失率，如气相用的防毒炭一般控制烧失率为50％左右，而脱色炭则烧失率要求达到70％左右(4)。
4 实验结果
煤焦油沥青进行预处理后，经不熔化、炭化和用水蒸气在850℃下活化6 h，烧失率为67.5％时制得的活性炭碘吸附值为778.8 mg/g，亚甲蓝值为77.32 mg/g。而掺混少量石油焦的煤焦油沥青混合成型后，在560℃下炭化1 h，经过810℃活化7 h，烧失率为60.40％时碘吸附值为855.4 mg/g，亚甲蓝值为104.9 mg/g，达到了净化用颗粒活性炭质量标准。
