Aktivkohle (AC) ist ein stark kohlenstoffhaltiges Material mit hoher Porosität und Sorptionsfähigkeit, das aus Holz, Kokosnussschalen, Kohle, Zapfen usw. hergestellt wird. AC ist eines der häufig verwendeten Adsorptionsmittel und wird in verschiedenen Industrien zur Entfernung zahlreicher Schadstoffe aus Wasser und Luft eingesetzt. Da AC aus landwirtschaftlichen Produkten und Abfallprodukten synthetisiert wird, hat es sich als hervorragende Alternative zu den traditionell verwendeten nicht erneuerbaren und teuren Quellen erwiesen. Zur Herstellung von AC werden zwei grundlegende Prozesse eingesetzt: Karbonisierung und Aktivierung. Im ersten Prozess werden Vorläufersubstanzen 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 Vorläufersubstanz entfernt. Bei diesem Prozess entsteht Kohle mit hohem Kohlenstoffgehalt, aber geringer Oberfläche und Porosität. Im zweiten Schritt wird die zuvor synthetisierte Kohle aktiviert. Die Porengrößenvergrößerung 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 Methoden verwendet, eine physikalische und eine chemische, 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, der einfachen Handhabung und des kontrollierbaren Aktivierungsprozesses bei etwa 800 °C bevorzugt. Mit der Aktivierung durch Kohlendioxid kann im Vergleich zur Dampfaktivierung eine hohe Porengleichmäßigkeit erreicht werden. Für die physikalische Aktivierung wird Dampf jedoch Kohlendioxid vorgezogen, da damit eine Kohle mit einer relativ großen Oberfläche erzeugt werden kann. Aufgrund der kleineren Molekülgröße von Wasser erfolgt seine 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 Entwässerungsmittel. 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 porösen Struktur 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 in der Aktivkohle verschiedene sphärische Mikrodomänen vorhanden sind, die für die Bildung von Mikroporen verantwortlich sind. In den Bereichen zwischen den Mikrodomänen entwickeln sich dagegen Mesoporen. Experimentell bildeten sie Aktivkohle aus Phenolharz durch chemische (mit KOH) und physikalische (mit Dampf) Aktivierung (Abbildung 1). Die Ergebnisse zeigten, dass die durch KOH-Aktivierung synthetisierte Aktivkohle 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 AC, hergestellt durch Dampfaktivierung (C6S9) und KOH-Aktivierung (C6K9), erklärt anhand eines Mikrostrukturmodells.
Je nach Partikelgröße und Herstellungsverfahren kann es in drei Typen kategorisiert werden: pulverisierter AC, körniger AC und perlförmiger AC. Pulverisierter AC besteht aus feinen Körnchen mit einer Größe von 1 mm und einem durchschnittlichen Durchmesser von 0,15–0,25 mm. Granulierter AC ist vergleichsweise größer und hat eine kleinere äußere Oberfläche. Granulierter AC wird je nach Dimensionsverhältnis für verschiedene Anwendungen in der Flüssig- und Gasphase verwendet. Dritte Klasse: Perlförmiger AC wird im Allgemeinen aus Petroleumpech mit einem Durchmesser von 0,35 bis 0,8 mm synthetisiert. Er ist für seine hohe mechanische Festigkeit und seinen geringen Staubgehalt bekannt. Er wird aufgrund seiner sphärischen Struktur häufig in Wirbelschichtanwendungen wie der Wasserfiltration eingesetzt.
Veröffentlichungszeit: 18. Juni 2022