采用物理或化学方法活化柳木：不同活化机制对活性炭产率和孔隙特性的影响

《Materials Today Chemistry》：Activation of willow wood with physical or chemical activation method: Influence of varied activating mechanisms on mass yields and pore characteristics of activated carbon

本文系统研究了不同活化剂（H?O、CO?、H?PO?、ZnCl?、K?C?O?）对柳木活化碳（AC）孔隙结构、产率及吸附性能的影响。结果表明，酸性活化剂（H?PO?、ZnCl?）通过催化脱水与缩合反应形成更多介孔（56.6%、53.0%），显著提高碳产率（34.2%、30.9%）和比表面积（1145.2、1073.6 m2/g），并增强对四环素的吸附能力；而物理活化剂（H?O、CO?）主要产生微孔，碳产率较低（11.4%、18.2%）。生命周期评估表明物理活化更环保

　　这项研究聚焦于通过不同活化剂对柳树木材进行活化，以探索其对活性炭（AC）孔结构和元素组成的影响。活性炭是一种广泛应用的碳材料，常用于气体和有机物的吸附以及电极材料。通过使用不同类型的活化剂，如水（H?O）、二氧化碳（CO?）、磷酸（H?PO?）、氯化锌（ZnCl?）和草酸钾（K?C?O?），研究人员分析了不同活化条件下AC的产率、孔隙结构和吸附性能的变化。结果表明，活化过程中不同反应机制对AC的产率和孔结构有着显著的影响，这为后续的吸附性能优化和环境影响评估提供了基础。

在实验中，物理活化和化学活化分别采用了不同的条件。物理活化通常使用CO?或H?O作为活化剂，温度设定为800℃，而化学活化则使用更复杂的活化剂，如K?C?O?、ZnCl?和H?PO?，这些活化剂的使用温度较低，通常在300-600℃之间。研究发现，使用气体化反应为主的活化剂，如H?O、CO?和K?C?O?，导致AC的产率较低，分别为11.4%、18.2%和15.4%，而使用化学活化剂如H?PO?或ZnCl?则能够生成更高产率的AC，达到约42%和43.6%。这说明化学活化剂在形成高产率AC方面具有优势，尤其是在促进碳结构的形成和减少副产物的生成方面。

研究还关注了不同活化剂对AC孔隙结构的影响。通过使用不同的活化方法，研究人员发现，酸性活化剂如H?PO?和ZnCl?在较低温度下通过脱水和缩聚反应促进了更有效的孔隙形成，从而获得了更高的比表面积（S_BET）和更多的中孔。相比之下，使用K?C?O?进行活化则主要依赖裂解反应，导致AC的比表面积较低，同时生成的中孔比例也显著低于其他活化剂。此外，通过脱水和缩聚形成的中孔结构不仅提高了AC的吸附能力，还减少了吸附过程中的空间位阻，从而增强了对四环素的吸附效率。

AC的吸附性能测试结果显示，所有样品均表现出良好的四环素吸附能力，其中AC-ZnCl?的吸附能力最强，这与它的高比表面积和丰富的中孔结构密切相关。相比之下，AC-CO?和AC-K?C?O?由于主要为微孔结构，吸附能力相对较弱。吸附动力学研究表明，四环素在AC上的吸附过程符合伪一级动力学方程，说明吸附行为主要依赖于化学吸附。此外，吸附等温线分析表明，AC-K?C?O?和AC-CO?的吸附过程更接近单层吸附，而AC-ZnCl?和AC-H?PO?则显示出更高的吸附容量和更强的吸附能力。

在生命周期评估（LCA）方面，研究发现，物理活化方法在能量消耗、环境污染和温室效应方面具有明显优势。物理活化方法所需的能源较少，产生的污染物和温室气体排放也更低。相比之下，化学活化方法虽然能够生成更高产率的AC，但可能带来额外的环境负担，尤其是化学活化剂的副产物处理问题。此外，LCA分析还揭示了酸化、呼吸影响、致癌性、生态毒性、臭氧消耗、化石燃料枯竭、富营养化、全球变暖和雾霾等环境影响因素。其中，酸化的影响最大，其次是呼吸影响和致癌性，而富营养化、雾霾和全球变暖的影响相对较小。这些发现表明，在选择活化方法时，需要综合考虑其对环境的影响，以实现更环保的活性炭生产。

此外，研究还探讨了不同活化剂对AC结构和元素组成的影响。通过红外光谱（FT-IR）和原位红外漫反射傅里叶变换光谱（DRIFTS）技术，研究人员发现，H?O活化过程中碳骨架发生了氧化反应，生成了丰富的羰基物种和含氧AC，而H?PO?和ZnCl?则通过缩聚反应促进了碳结构的形成，使其更加富碳。K?C?O?活化过程中则主要通过裂解反应，导致AC中含氧和含氢的物质减少，同时生成的中孔比例较低。这些变化对AC的吸附性能和物理性质有重要影响，例如AC-ZnCl?和AC-H?PO?由于较高的比表面积和更多的中孔，表现出更强的吸附能力。

研究还分析了AC的形态和微观结构。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像显示，物理活化生成的AC具有较规则的纤维结构，而化学活化则导致了更复杂的孔隙分布和形态变化。例如，使用ZnCl?和H?PO?进行活化时，由于缩聚反应的促进，AC的表面结构发生了显著变化，形成了更多的颗粒结构。相比之下，K?C?O?活化生成的AC虽然纤维结构被破坏，但其表面特征与生物炭相似。这些结果表明，不同的活化方法对AC的微观结构有显著影响，进而影响其吸附性能。

在实验方法上，研究人员采用了系统化的分析手段，包括对AC的比表面积、孔隙体积、孔径分布、元素组成、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等。这些分析方法能够全面揭示AC的物理和化学特性，为优化活化工艺提供了数据支持。此外，研究还考虑了AC在不同活化条件下对四环素的吸附能力，发现中孔结构在吸附过程中起到了关键作用，而微孔结构则主要影响吸附的速率和效率。

综上所述，这项研究系统地分析了不同活化剂对柳树木材活化过程的影响，揭示了活化剂类型、反应温度和反应机制对AC的产率、孔隙结构和吸附性能的关键作用。研究结果表明，物理活化方法在环境友好性和能源效率方面具有优势，而化学活化方法则能够生成更高产率和更高比表面积的AC，但可能带来额外的环境负担。此外，不同活化剂对AC的结构和元素组成的影响也各不相同，这为后续的活性炭开发和应用提供了理论依据。未来的研究可以进一步优化这些活化方法，以实现更高效、更环保的活性炭生产。