Aktivkohle (AK) ist ein stark kohlenstoffhaltiges Material mit hoher Porosität und Sorptionsfähigkeit, das aus Holz, Kokosnussschalen, Kohle, Zapfen usw. hergestellt wird. AK ist ein häufig verwendetes Adsorptionsmittel und wird in verschiedenen Industrien zur Entfernung zahlreicher Schadstoffe aus Gewässern und Luft eingesetzt. Da AK aus landwirtschaftlichen Produkten und Abfallprodukten synthetisiert wird, ist sie eine hervorragende Alternative zu den traditionell verwendeten nicht erneuerbaren und teuren Quellen. Zur Herstellung von AK werden zwei grundlegende Verfahren eingesetzt: Karbonisierung und Aktivierung. Im ersten Verfahren werden die Vorläuferverbindungen hohen Temperaturen zwischen 400 und 850 °C ausgesetzt, um alle flüchtigen Bestandteile auszutreiben. Durch die hohe Temperatur werden alle nicht kohlenstoffhaltigen Bestandteile wie Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff in Form von Gasen und Teer aus der Vorläuferverbindung entfernt. Bei diesem Verfahren entsteht Kohle mit hohem Kohlenstoffgehalt, aber geringer Oberfläche und Porosität. Im zweiten Schritt wird die zuvor synthetisierte Kohle aktiviert. Die Vergrößerung der Poren während des Aktivierungsprozesses kann in drei Kategorien eingeteilt werden: Öffnung zuvor unzugänglicher Poren, Entwicklung neuer Poren durch selektive Aktivierung und Erweiterung vorhandener Poren.
Normalerweise werden zur Aktivierung zwei Ansätze verwendet, ein physikalischer und ein chemischer, um die gewünschte Oberfläche und Porosität zu erreichen. Bei der physikalischen Aktivierung wird verkohlte Holzkohle mit oxidierenden Gasen wie Luft, Kohlendioxid und Dampf bei hohen Temperaturen (zwischen 650 und 900 °C) aktiviert. Kohlendioxid wird normalerweise wegen seiner Reinheit, einfachen Handhabung und des kontrollierbaren Aktivierungsprozesses bei etwa 800 °C bevorzugt. Mit der Aktivierung durch Kohlendioxid kann eine höhere Porengleichmäßigkeit erzielt werden als mit Dampf. Für die physikalische Aktivierung ist Dampf jedoch Kohlendioxid vorzuziehen, da damit eine Kohle mit einer relativ großen Oberfläche erzeugt werden kann. Aufgrund der kleineren Molekülgröße von Wasser erfolgt dessen Diffusion innerhalb der Struktur der Holzkohle effizient. Die Aktivierung durch Dampf ist bei gleichem Umwandlungsgrad etwa zwei- bis dreimal höher als bei Kohlendioxid.
Beim chemischen Verfahren wird der Vorläufer mit Aktivierungsmitteln (NaOH, KOH, FeCl3 usw.) vermischt. Diese Aktivierungsmittel wirken sowohl als Oxidationsmittel als auch als Dehydratationsmittel. Bei diesem Verfahren werden Karbonisierung und Aktivierung gleichzeitig bei vergleichsweise niedrigeren Temperaturen (300–500 °C) durchgeführt als beim physikalischen Verfahren. Dies bewirkt die pyrolytische Zersetzung und führt zur Ausdehnung der verbesserten Porenstruktur und zu einer hohen Kohlenstoffausbeute. Die Hauptvorteile des chemischen gegenüber dem physikalischen Verfahren sind der niedrige Temperaturbedarf, die hohe Mikroporosität der Strukturen, die große Oberfläche und die verkürzte Reaktionszeit.
Die Überlegenheit der chemischen Aktivierungsmethode lässt sich anhand eines von Kim und seinen Mitarbeitern [1] vorgeschlagenen Modells erklären, wonach sich in der AC verschiedene sphärische Mikrodomänen befinden, die für die Bildung von Mikroporen verantwortlich sind. Dagegen entwickeln sich in den Intermikrodomänenregionen Mesoporen. Experimentell bildeten sie Aktivkohle aus Phenolharz durch chemische (mit KOH) und physikalische (mit Dampf) Aktivierung (Abbildung 1). Die Ergebnisse zeigten, dass durch KOH-Aktivierung synthetisierte AC eine große Oberfläche von 2878 m2/g besaß, verglichen mit 2213 m2/g bei Dampf-Aktivierung. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass andere Faktoren wie Porengröße, Oberfläche, Mikroporenvolumen und durchschnittliche Porenweite unter KOH-Aktivierungsbedingungen besser waren als unter Dampf-Aktivierung.
Unterschiede zwischen durch Dampfaktivierung (C6S9) und KOH-Aktivierung (C6K9) hergestelltem AC, erklärt anhand eines Mikrostrukturmodells.
Je nach Partikelgröße und Herstellungsverfahren kann es in drei Typen kategorisiert werden: pulverisiertes AC, körniges AC und perlenförmiges AC. Pulverisiertes AC besteht aus feinen Körnchen mit einer Größe von 1 mm und einem durchschnittlichen Durchmesser von 0,15–0,25 mm. Granuliertes AC ist vergleichsweise größer und hat eine kleinere äußere Oberfläche. Granuliertes AC wird je nach Dimensionsverhältnis für verschiedene Anwendungen in der Flüssig- und Gasphase verwendet. Dritte Klasse: Perlenförmiges AC wird im Allgemeinen aus Petroleumpech mit einem Durchmesser von 0,35 bis 0,8 mm synthetisiert. Es ist für seine hohe mechanische Festigkeit und seinen geringen Staubgehalt bekannt. Es wird aufgrund seiner sphärischen Struktur häufig in Wirbelschicht-Anwendungen wie der Wasserfiltration eingesetzt.
Veröffentlichungszeit: 18. Juni 2022