Einführung von Aktivkohle

Unter Aktivkohle (AC) versteht man hochkohlenstoffhaltige Materialien mit hoher Porosität und Sorptionsvermögen, die aus Holz, Kokosnussschalen, Kohle, Zapfen usw. hergestellt werden. AC ist eines der häufig verwendeten Adsorptionsmittel, die in verschiedenen Branchen zur Entfernung zahlreicher Schadstoffe eingesetzt werden aus Gewässern und Luftkörpern. Da AC aus Agrar- und Abfallprodukten synthetisiert wird, hat es sich als großartige Alternative zu den traditionell verwendeten, nicht erneuerbaren und teuren Quellen erwiesen. Zur Herstellung von AC werden zwei grundlegende Prozesse verwendet: Karbonisierung und Aktivierung. Im ersten Prozess werden die Vorläufer hohen Temperaturen zwischen 400 und 850 °C ausgesetzt, um alle flüchtigen Bestandteile auszutreiben. Durch die hohe Temperatur werden alle Nichtkohlenstoffbestandteile wie Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff in Form von Gasen und Teeren aus dem Vorläufer entfernt. Bei diesem Verfahren entsteht Holzkohle mit hohem Kohlenstoffgehalt, aber geringer Oberfläche und Porosität. Der zweite Schritt beinhaltet jedoch die Aktivierung zuvor synthetisierter Kohle. Die Vergrößerung der Porengröße 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, physikalische und chemische, um die gewünschte Oberfläche und Porosität zu erhalten. Bei der physikalischen Aktivierung wird karbonisierte Kohle mit oxidierenden Gasen wie Luft, Kohlendioxid und Dampf bei hohen Temperaturen (zwischen 650 und 900 °C) aktiviert. Kohlendioxid wird aufgrund seiner Reinheit, einfachen Handhabung und seines kontrollierbaren Aktivierungsprozesses bei etwa 800 °C in der Regel bevorzugt. Mit der Kohlendioxid-Aktivierung kann im Vergleich zur Dampfaktivierung eine hohe Porengleichmäßigkeit erreicht werden. Für die physikalische Aktivierung ist jedoch Dampf im Vergleich zu Kohlendioxid weitaus bevorzugter, da Wechselstrom mit relativ großer Oberfläche erzeugt werden kann. Aufgrund der kleineren Molekülgröße von Wasser erfolgt seine Diffusion innerhalb der Kohlestruktur effizient. Es wurde festgestellt, dass die Aktivierung durch Wasserdampf bei gleichem Umwandlungsgrad etwa zwei- bis dreimal höher ist als die durch Kohlendioxid.
Der chemische Ansatz beinhaltet jedoch das Mischen des Vorläufers mit Aktivierungsmitteln (NaOH, KOH und FeCl3 usw.). Diese Aktivierungsmittel wirken sowohl als Oxidationsmittel als auch als Dehydratisierungsmittel. Bei diesem Ansatz werden Karbonisierung und Aktivierung gleichzeitig bei vergleichsweise niedrigeren Temperaturen von 300–500 °C im Vergleich zum physikalischen Ansatz durchgeführt. Dies führt zu einer pyrolytischen Zersetzung und damit zu einer Erweiterung der porösen Struktur und einer hohen Kohlenstoffausbeute. Die Hauptvorteile des chemischen gegenüber dem physikalischen Ansatz sind der niedrige Temperaturbedarf, Strukturen mit hoher Mikroporosität, eine große Oberfläche und eine minimierte Reaktionszeit.
Die Überlegenheit der chemischen Aktivierungsmethode kann auf der Grundlage eines von Kim und seinen Mitarbeitern [1] vorgeschlagenen Modells erklärt werden, wonach im AC verschiedene kugelförmige Mikrodomänen gefunden werden, die für die Bildung von Mikroporen verantwortlich sind. Andererseits werden Mesoporen in den Intermikrodomänenregionen entwickelt. Experimentell stellten sie durch chemische (mit KOH) und physikalische (mit Dampf) Aktivierung Aktivkohle aus phenolbasiertem Harz her (Abbildung 1). Die Ergebnisse zeigten, dass durch KOH-Aktivierung synthetisiertes AC eine große Oberfläche von 2878 m2/g aufwies, verglichen mit 2213 m2/g durch Dampfaktivierung. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass andere Faktoren wie Porengröße, Oberfläche, Mikroporenvolumen und durchschnittliche Porenweite unter KOH-aktivierten Bedingungen im Vergleich zu dampfaktivierten Bedingungen besser sind.

Unterschiede zwischen AC, hergestellt durch Dampfaktivierung (C6S9) bzw. KOH-Aktivierung (C6K9), werden anhand des Mikrostrukturmodells erklärt.

Abhängig von der Partikelgröße und der Zubereitungsmethode kann es in drei Typen eingeteilt werden: angetriebener Wechselstrom, körniger Wechselstrom und Perlen-Wechselstrom. Powered AC wird aus feinen Körnchen mit einer Größe von 1 mm und einem durchschnittlichen Durchmesserbereich von 0,15–0,25 mm hergestellt. Granulat-AC hat eine vergleichsweise größere Größe und eine geringere äußere Oberfläche. Granulat-AC werden abhängig von ihren Abmessungsverhältnissen für verschiedene Flüssigphasen- und Gasphasenanwendungen verwendet. Dritte Klasse: AC-Perlen werden im Allgemeinen aus Erdölpech mit einem Durchmesser von 0,35 bis 0,8 mm synthetisiert. Es ist bekannt für seine hohe mechanische Festigkeit und seinen geringen Staubgehalt. Aufgrund seiner kugelförmigen Struktur wird es häufig in Wirbelschichtanwendungen wie der Wasserfiltration eingesetzt.