Влияние свойств угля и параметров активации на качество получаемого активированного угля
2026-02-26
Продукты на основе активированного угля (AC) ценятся в адсорбционных применениях благодаря высокой внутренней пористости, большой удельной поверхности, функциональным свойствам поверхности и сильным адсорбционным характеристикам, что позволяет им улавливать различные ионы и примеси во многих областях, включая извлечение драгоценных металлов, очистку воды и очистку газов. В данном обзоре установлено, что большая часть активированного угля в мире получается из битуминозного и полубитуминозного угля, однако низкосортный уголь обладает более высокой реакционной способностью при активации и большей пористостью по сравнению с высокосортным углем, что делает его более подходящим для производства активированного угля. Активированный уголь на основе угля является предпочтительным выбором для адсорбционных применений благодаря своей поверхностной функциональности, пористой структуре, низкой стоимости, пригодности для одноразового использования без необходимости повторной активации, а также потенциалу регенерации. Установлена положительная корреляция между температурой карбонизации и удельной поверхностью по методу БЕТ (Brunauer-Emmett-Teller), а также влияние процентного содержания KOH и NaOH на выход и удельную поверхность активированного угля. Производство, качество и выход активированного угля зависят от типа угля, его ранга, размера частиц, химического состава, а также технологических условий (таких как метод активации, температура активации, этапы предварительной и последующей обработки). Химически активированный активированный уголь имеет более высокие показатели, такие как удельная поверхность и йодное число, по сравнению с термически активированным активированным углем. Активированный уголь, произведенный с использованием титано-железного руды/оксида железа, подходит для очистки воды благодаря высокому содержанию йода. В угле низких рангов, включая уголь с высоким содержанием золы, содержание золы можно минимизировать с помощью экологически чистых сборщиков или гравитационной сепарации.
1.Введение. Активированный уголь (AC), также известный как активированный уголь, активированный уголь или просто уголь, представляет собой углеродный материал, характеризующийся высокой внутренней пористостью, общим объемом пор и большой внутренней поверхностью (30–3000 м²/г). Кроме того, как отмечается в литературе, функциональная структура активированного угля также играет важную роль в процессах адсорбции. Активированный уголь может производиться из различных видов сырья. Однако материалы с высоким содержанием углерода являются экономически привлекательными для массового производства. Обычно в качестве сырья для производства активированного угля используются уголь, скорлупа кокосовых орехов и другие сельскохозяйственные отходы (продукты на основе угля и кокосовой скорлупы являются наиболее популярными среди этих материалов благодаря своей развитой пористой структуре и высокому качеству).
Уголь — это углеродный материал с содержанием углерода более 40 % (на основе полученного продукта), который легко доступен во многих странах. Ввиду ограниченной доступности других экологически устойчивых сырьевых материалов он считается потенциальным сырьем для производства активированного угля в некоторых странах. Уголь представляет собой сложный, неоднородный материал, химические и физические свойства которого варьируются в зависимости от страны.
Активированный уголь обычно получают из каменного угля путем термической или химической активации. При термической активации каменный уголь активируется при высокой температуре (800–1100 °C) с помощью активирующего газа (например, пара или CO₂). При химической активации уголь смешивают с подходящими химическими реагентами (например, H3PO4, KOH, K2CO3, NaOH или ZnCl2) и активируют при выбранной температуре (>500 °C). Термохимическая активация сочетает в себе термическую активацию и химические процессы для производства активированного угля из угля; как сообщается в литературе, активированный уголь может производиться в качестве побочного продукта при восстановлении титанита или производстве губчатого железа. В настоящее время о производстве активированного угля в процессе восстановления известно очень мало. Информация о свойствах угля и влиянии различных факторов на производство и качество активированного угля ограничена, поскольку производители не раскрывают информацию о своих технологических процессах. Настоящий обзорный обзор призван восполнить этот пробел и способствовать лучшему пониманию производства и качества активированного угля.
На качество активированного угля и продуктов из него влияют несколько технологических параметров. Согласно исследованиям Карамана, параметры термической активации, включая температуру, время активации, время предварительного окисления, скорость потока газа, скорость нагрева и скорость вращения, влияют на удельную поверхность по методу БЕТ (Брунауэр-Эмметт-Теллер). Однако более высокая скорость потока газа и вращение реактора могут увеличить удельную поверхность по методу БЕТ без значительного снижения выхода продукта. В то же время при химической активации такие параметры, как концентрация химического вещества и температура активации, влияют на поверхностные свойства и качество активированного угля.
Бурый уголь и уголь с высоким содержанием золы редко используются для производства активированного угля, поскольку большая часть активированного угля получается из битуминозного и полубитуминозного угля. Недавно опубликованные статьи подтверждают пригодность низкосортного угля для производства активированного угля. В одном из недавних исследований с помощью метода паровой активации под действием калия был получен активированный уголь с высокой удельной поверхностью и поразистой способностью, пригодный для использования в качестве электрода суперконденсаторов. В аналогичном исследовании Oglou и др. доказали, что активированный уголь, полученный из бурого угля с высоким содержанием золы, пропитанного большим количеством KOH, подходит для суперконденсаторов. Однако наличие высокого содержания золы снижает удельную поверхность активированного угля, что влияет на характеристики суперконденсаторов. Активированный уголь, полученный из деминерализованного низкокачественного угля, демонстрирует более высокую удельную поверхность и более низкое содержание золы, что делает его пригодным для адсорбции метиленового синего и фенола. Кроме того, другое исследование показало, что деминерализованный высокосернистый уголь является идеальным выбором для производства высококачественного активированного угля, предназначенного для суперконденсаторов.
В ходе предыдущих исследований было установлено, что активированный уголь на основе каменного угля обладает свойствами, делающими его пригодным для использования в адсорбционных процессах, в том числе: i) функциональность его поверхности, размеры и ширина пор способствуют улавливанию различных типов ионов и примесей при очистке воды; ii) он подходит для очистки газов; iii) его цена значительно ниже, чем у активированного угля из кокосовой скорлупы; а также iv) он демонстрирует превосходные характеристики при однократном применении, не требуя повторной активации. Тем не менее, его регенерация возможна.
Цель данной статьи — дать обзор технологических методов производства активированного угля на основе каменного угля, его характеристик, а также ключевых факторов, влияющих на технологический процесс и качество продукции. На производство активированного угля могут влиять физические и химические свойства угля (тип угля, степень углеродистости, фракция), а также технологические параметры, в частности, метод активации, температура и активатор. Это может помочь определить способы повышения качества активированного угля, получаемого из каменного угля. Насколько известно авторам, это первая обзорная статья, посвященная производству активированного угля из каменного угля.
2.Уголь — это анизотропная, неоднородная осадочная органическая горная порода, состоящая из углерода, водорода, кислорода, азота и серы в различных пропорциях. Он также содержит множество примесей в виде минералов, таких как силикаты, карбонаты, фосфаты, селениды, сульфаты, сульфиды, оксиды и гидроксиды. По сути, качество и свойства угля зависят от нескольких факторов, в том числе от типа угля, его степени углеродного содержания и структуры. Свойства угля в основном определяются его ароматичностью.
2.1 Типы угля. Тип угля зависит от происхождения исходного материала и его микросостава, такого как микрокомпоненты и минералы. О'Киф (O'Keefe) выделил два типа угля: гумусовый уголь и иловый уголь. Гумусовый уголь является наиболее распространенным, образуется преимущественно из растительного сырья, имеет неоднородную структуру и прослоения. Иловый уголь образуется из карбонатных илов, имеет однородный вид и не содержит прослоений.
Неоднородность угля видна невооруженным глазом по его полосатости и блеску. Однако для выявления деталей органического состава, таких как микрокомпоненты и типы микролитофацилей, а также дискретные неорганические минералы, требуется микроскопическое исследование. Микрокомпоненты состоят из различных типов микрочастиц, образованных в результате альтерации исходного растительного материала и его побочных продуктов. Угольные геологи подразделяют эти микрокомпоненты на зеркальную, оболочечную и инертную фракции. Зеркальная фракция богата полимерами, целлюлозой (C6H10O5) и лигнином (C30H35O11) и быстро сгорает при горении. Оболочечная фракция содержит больше летучих веществ и водорода, что придает углю высокую реакционную способность, в то время как инертная фракция состоит из микрокомпонентов с наименьшей реакционной способностью. Состав микрокомпонентов угля изменчив, что приводит к значительным различиям в теплотворной способности (CV), содержании летучих веществ (VM) и содержании фиксированного углерода (FC).
2.2 Класс угля. Согласно стандарту классификации угля ASTM International (ранее — Американское общество по материалам и испытаниям), в зависимости от теплотворной способности, содержания летучих веществ и процентного содержания фиксированного углерода выделяют четыре группы угля и три класса. Эти виды угля далее подразделяются в зависимости от изменений их свойств, как показано в таблице 1. Угольный класс является полезным параметром, который предоставляет информацию о степени графитизации исходного материала (т. е. степени присутствия графитовой углеродной структуры в исходном материале). Это означает, что повышение угольного класса свидетельствует о наличии кристаллической структуры и более низкой пористости. Различные исследователи отмечают, что уголь низких классов характеризуется более высокой скоростью газификации и более низкой кажущейся энергией реакции.
2.3 Структура угля. Степень трансформации структуры угля зависит от его степени зрелости; содержание фиксированного углерода увеличивается от низкосортного угля к высокосортному. Бурый уголь (также называемый низкосортным коричневым углем) имеет более сложную структуру по сравнению с твердыми видами угля, такими как антрацит. Он состоит из щелочерастворимых гуминовых и фуминовых кислот, нерастворимого гуминового вещества и гидрофобного асфальта. Уголь, образовавшийся в разные геологические периоды, имеет разный химический состав и, следовательно, разную химическую структуру.
2.4 Свойства угля Свойства различных видов угля, включая содержание влаги, летучих веществ и золы, плотность, химический состав и поверхностную химию, играют чрезвычайно важную роль в различных поверхностных явлениях и различаются у разных типов угля. Кроме того, такие свойства, как твердость, измельчаемость и температура плавления золы, влияют на получение фракций, подходящих для производства активированного угля, а также на выбор температуры активации. Уголь с высоким содержанием влаги и летучих веществ образует поры в процессе удаления влаги и летучих веществ. В процессе активации поры еще больше расширяются. Уголь с высоким содержанием летучих веществ, водорода и кислорода сгорает быстрее и лучше реагирует на активацию, что приводит к образованию пор. Такая высокая реакционная способность влияет на выход продукта — активированного угля. Уголь с высоким содержанием минералов приводит к высокому содержанию золы в активированном угле, а некоторые минералы могут препятствовать адсорбции. В недавнем сравнительном исследовании было изучено влияние поверхности угля на свойства и выход активированного угля. Была обнаружена возможная зависимость, указывающая на возможность оценки йодного числа активированного угля на основе площади поверхности угля. Свойства угля влияют на качество и количество получаемого активированного угля; смешивание различных типов угля может уменьшить потери углерода, повысить эффективность процесса и улучшить качество.
3 Активированный уголь
3.1 Мировое производство активированного угля Данные о мировом производстве активированного угля показывают, что во многих странах в качестве сырья для его производства используется уголь, как показано в таблице 2. Основными странами-производителями активированного угля являются Китай, США (Соединенные Штаты Америки) и Индия. В связи с ограниченной доступностью кокосовой скорлупы, древесины, пальмовой скорлупы, опилок и других возобновляемых материалов, Европа и США увеличивают объемы производства активированного угля на основе угля. В связи с ростом спроса на активированный уголь мировое производство активированного угля продолжает расти.
Как показано в таблице 3, большая часть мирового производства активированного угля приходится на добычу из битуминозного и полубитуминозного углей. Битуминозный уголь пользуется большим спросом благодаря более высокой производительности и низкому содержанию золы, хотя полубитуминозный уголь является несколько более экономически выгодным. Антрацит — это уголь высокого сорта, который редко используется для производства активированного угля. Вероятно, это связано с тем, что антрацит считается углем высокого качества, что делает его относительно дорогостоящим сырьем для производства активированного угля. Антрацит также представляет собой плотно упакованный материал, содержащий сгущенные ароматические структуры, и обладает более низкой реакционной способностью по сравнению с низкосортными углями, что приводит к развитию его пористости, значительно уступающей другим видам угля. С другой стороны, бурый уголь является низкосортным углем и представляет собой высокореактивный материал, идеально подходящий для производства активированного угля. Однако одним из его основных недостатков является высокое содержание влаги и летучих веществ, что приводит к низкому выходу продукта. Содержание золы в буром угле также сильно варьируется в зависимости от источника.
Четыре основных вида угля располагаются в следующем порядке: битуминозный уголь > полубитуминозный уголь > бурый уголь > антрацит.
На основе оценок мирового производства на графике 1 показан объем производства активированного угля из угля и возобновляемых материалов (древесины, кокосовой скорлупы и других углесодержащих материалов). В 2012 году 74 % производства приходилось на возобновляемые углесодержащие материалы, а на активированный уголь на основе угля — 26 %. После 2012 года во многих странах, включая Китай, Европейский союз (ЕС), Японию и США, произошли значительные изменения, направленные на защиту окружающей среды, что привело к увеличению спроса на активированный уголь в рамках мер по борьбе с загрязнением и защите воды, воздуха и окружающей среды. Резкое изменение политики привело к росту производства активированного угля на угольной основе с 26% до 61% за пять лет. Китай значительно увеличивал производство активированного угля на угольной основе, превысив производственные мощности по возобновляемым альтернативам. Например, завод компании Datong Coal Industry с годовой мощностью 100 000 тонн, запущенный в 2012 году, превзошел по мощности завод Jacobi Carbons на основе кокосовой скорлупы с годовой мощностью 20 000 тонн (крупнейший в мире), построенный в 2015 году. По состоянию на 2017 год между производством активированного угля на основе угля и возобновляемых источников существовал значительный разрыв. Прогнозы показывают, что активированный уголь на основе угля будет играть ключевую роль в удовлетворении растущего глобального рыночного спроса в ближайшем будущем.
Согласно данным Roskill, в 2016 году мировой объем производства активированного угля достиг 2,3 млн тонн, а его потребление за последнее десятилетие удвоилось. Прогнозируется, что к 2025 году спрос на эти продукты будет расти на 5,3 % в год, что в основном обусловлено все более широким использованием активированного угля в системах водоочистки в Азии, Европе и Центральной Америке, а также принятием законодательных мер по решению экологических проблем во всем мире. В Канаде законодательство, касающееся выбросов ртути и вредного загрязнения воздуха, подчеркивает приверженность делу защиты окружающей среды. Минаматская конвенция — это глобальное соглашение, которое, решая проблему выбросов ртути и ее соединений во всем мире, подчеркивает приверженность делу защиты здоровья человека и окружающей среды. Китайская программа «Десять мер по охране водных ресурсов» отражает строгие меры по предотвращению и контролю загрязнения, а Япония и ЕС уже приняли комплексные законы, направленные на решение проблем загрязнения воды и охраны окружающей среды. В США нормативные акты Агентства по охране окружающей среды (EPA), а также аналогичные законы в Индии и других странах подчеркивают коллективные усилия по защите воды, воздуха и окружающей среды в целом посредством строгих мер по контролю загрязнения. Таким образом, ожидается, что рост давления на предложение продукции к концу текущего десятилетия будет способствовать тенденции к росту цен на продукцию из активированного угля.
3.2 Свойства активированного угля Согласно определению Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC), активированный уголь содержит три типа пор: макропоры (>50 нм), мезопоры (2–50 нм) и микропоры (<2 нм). Различия в размерах пор и их распределении играют важную роль в адсорбционных свойствах активированного угля, что определяет его ценность как продукта. Благодаря наличию микро-, средне- и крупнопористых пор активированный уголь, используя их совокупный объем, способен обрабатывать молекулы различного размера, что позволяет эффективно удалять из жидкостей различные органические соединения. Продукты из активированного угля, предназначенные для применения в жидкой фазе, отличаются от продуктов для применения в газовой фазе большим объемом крупнопористых пор, что способствует быстрой адсорбции крупных молекул в среднепористых порах и мелких молекул в микропорах в различных применениях.
Основными характеристиками, влияющими на качество активированного угля, являются его физические и адсорбционные свойства, как показано в таблице 4. Показатели активности по бутану и по четыреххлористому углероду (CCl₄) обычно используются в газофазных применениях, тогда как показатель по йоду предпочтительнее использовать в жидкофазных применениях, таких как очистка сточных вод. В последнее время активность по бутану получила признание в качестве альтернативного метода, в частности из-за экологических проблем, связанных с использованием четыреххлористого углерода. Показатель CCl4 можно получить, умножив значение активности по бутану на 2,55. Показатель мелассы отражает обесцвечивающую способность и объемную пористость; для угольного активированного угля это значение превышает 200, тогда как для заменителей на основе кокосовой скорлупы оно ниже. Показатель метиленового синего очень ценен при оценке объемной пористости и адсорбции макромолекул. Различные адсорбционные свойства активированного угля играют ключевую роль в газофазных и жидкофазных применениях.
Активированный уголь по своей природе обладает гигроскопичностью, и его влажность со временем, как правило, увеличивается; общепринятым максимальным значением считается 5 %. Зола в активированном угле в основном состоит из неорганических минералов, таких как силикаты (кварц, каолин, иллит), карбонаты (кальцит), сульфиды (пирит), сульфаты (гипс), оксиды, гидроксиды, фосфаты и селениды, которые обычно встречаются в угле. Высокое содержание золы ограничивает содержание углерода в активированном угле и может влиять на адсорбционные свойства. Например, железо приводит к образованию накипи при фильтрации воды, а кальций влияет на качество умягчения воды; некоторые оксиды металлов подавляют адсорбцию. Обычно содержание золы в угольном активированном угле не превышает 15 %, однако на рынке имеются продукты с содержанием золы до 20 %, цена которых, как правило, несколько ниже, чем у активированного угля стандартного качества.
Другие свойства, такие как насыпная плотность, твердость, износостойкость, уровень pH и размер частиц, играют важную роль при выборе активированного угля, поскольку необходимо учитывать такие факторы, как наполнение, транспортировка, целостность, сопротивление потоку частиц, а также пригодность для применения в кислотных или щелочных средах. Кроме того, химия поверхности имеет большое значение в процессах адсорбции, системах с усредненной энергией и других применениях, где гидрофобные или гидрофильные свойства поверхности в значительной степени определяют ее функциональные характеристики.
3.3 Типы продуктов из активированного угля Активированный уголь выпускается в различных формах, видах и размерах для удовлетворения промышленных потребностей. Ведущий производитель активированного угля, компания Calgon Carbon, отмечает, что на мировом рынке представлено более 100 типов продуктов из активированного угля для различных целей. Однако в коммерческих применениях наиболее распространены четыре типа продуктов из активированного угля (включая активированный уголь). К ним относятся гранулированный активированный уголь (GAC), порошкообразный активированный уголь (PAC), активированное угольное волокно (ACF) и прессованный (гранулированный) активированный уголь (EAC). Каждый тип продукта имеет определенный размер частиц, подходящий для конкретных целей, как показано в таблице 5. GAC обычно используется для адсорбции золота из суспензий, содержащих цианозолотые ионы.
PAC получают путем измельчения GAC до частиц размером не более 180 мкм и используют в основном для удаления ртути из дымовых газов, выбрасываемых электростанциями и промышленными металлургическими заводами. Он играет важнейшую роль в водоочистке, удаляя различные органические примеси, вредные вещества, а также растворенные или взвешенные твердые частицы. GAC обычно применяется в качестве дополнительного или заключительного этапа при очистке сточных вод для достижения высокого качества воды. PAC эффективно очищает почву, загрязненную ртутью, как доказано в ходе исследований, особенно в случае почвы с содержанием ртути ниже 200 мг/кг. Сравнительное исследование по удалению ртути с помощью обычного PAC и PAC, пропитанного йодом, на электростанциях показало, что эффективность зависит от типа угля и оборудования для контроля загрязнения воздуха. По сравнению с обычным PAC, при впрыске бромированного PAC в дымовые газы электростанций наблюдалась более высокая степень улавливания ртути. Это, вероятно, связано с улучшенной реакционной способностью бромированного PAC, что повышает эффективность удаления ртути при относительно низких уровнях впрыска.
3.4 Применение активированного угля В таблице 6 показаны области применения активированного угля в различных промышленных отраслях. Он играет важнейшую роль в улавливании токсинов, присутствующих в дымовых газах (включая аммиак, цианистый водород, формальдегид и кротоновый альдегид). Активированный уголь эффективно улавливает пары из топливных баков и карбюраторов в системах контроля выбросов автомобилей, а также удаляет окраску из мелассы и продуктов разложения в процессе производства сахара. Кроме того, гранулированный активированный уголь играет важную роль в извлечении драгоценных металлов (таких как золото и серебро) из цианидных растворов с помощью методов, таких как углеродная суспензия, а также используется в системах регенерации дорогостоящих растворителей.
4.Производство активированного угля
4.1 Термическая или физическая активация
На рисунке 2 показан процесс производства активированного угля из каменного угля посредством термической активации (также называемой физической активацией). Этот метод включает три основных технологических операции: сушку, карбонизацию и активацию. Сначала из измельченного угля удаляют свободную влагу путем нагрева при температуре от 100 до 200 °C. Затем высушенный уголь подвергается карбонизации в инертной атмосфере при температуре от 200 до 500 °C в течение 6–72 часов. Это позволяет удалить низкотемпературные органические вещества и летучие компоненты. В-третьих, проводится активация с использованием H₂O (пара) или CO₂ при температуре 850–1100 °C. После охлаждения активированного угля до комнатной температуры выполняются дополнительные этапы дробления или сепарации для достижения требуемых характеристик конечного продукта.
Карбонизация имеет решающее значение для производства высококачественного активированного угля, поскольку она представляет собой этап удаления летучих компонентов, в ходе которого удаляется большая часть малолетучих элементов. При нагревании уголь подвергается деполимеризации и разложению, что приводит к выделению газов и конденсирующихся паров. Этот этап позволяет значительно увеличить содержание фиксированного углерода с 40 % до 95 %. Карбонизация также приводит к образованию угля с повышенной внутренней пористостью. Это необходимая технологическая операция, поскольку активация может происходить только на карбонизированном материале. При термической активации происходит частичное газирование (удаление) углерода в результате реакции углерода с диоксидом углерода (CO₂) или паром (H₂O). В результате остается пористый остаточный уголь, то есть активированный уголь. Термическая активация обычно проводится при температуре 850–1100 °C. В предыдущих исследованиях сообщалось, что количество микропор в продуктах термической активации угля меньше, чем в продуктах химической активации. Это связано с тем, что в процессе химической активации скорость активации контролируется лучше. Реакции, которые могут происходить в процессе физической активации, показаны ниже:
В таблице 7 приведены свойства продуктов термической активации активированного угля. Австралийский уголь, активированный с помощью H₂O (газ) при температуре 1000 °C, продемонстрировал йодную способность >1300 мг/г. Тот факт, что австралийский уголь показал йодную способность выше 1000 мг/г, свидетельствует о воспроизводимости его свойств. Кроме того, китайский уголь, активированный аналогичным образом, продемонстрировал йодную способность, сопоставимую с показателями австралийского образца. Иранский уголь, активированный с помощью H₂O (газ) при более низкой температуре 860 °C, имеет площадь поверхности 1163 м²/г, тогда как использование CO₂ при 1110 °C приводит к небольшому снижению площади поверхности. В целом, более высокая температура активации способствует более высокой степени активации, и результаты показывают, что H₂O является лучшим активатором, чем CO₂, даже даже при температурах ниже 900 °C. Активированный H₂O (газ) американский битуминозный уголь продемонстрировал высокий показатель йода, превышающий 1000 мг/г. В сравнении с этим образцы антрацита из Южной Кореи и США показали различия в условиях активации и более низкие показатели йода, что подчеркивает сложную взаимосвязь между типом исходного материала, активатором и параметрами активации, влияющими на конечные свойства активированного угля. Согласно отчетам, активированный уголь, произведенный из бурого угля из Китая и Турции, имеет несколько более низкие значения удельной поверхности, при этом не наблюдается заметной разницы между активаторами H₂O и CO₂. В целом, активированный уголь, полученный с использованием воздуха, имеет более низкую внутреннюю удельную поверхность, тогда как активированный уголь, полученный с использованием пара или CO₂, демонстрирует более высокие значения йодного числа и внутренней удельной поверхности.
По сравнению с химической активацией, термическая активация обладает одним ключевым преимуществом: она требует меньшего количества технологических операций, не требует использования химических реагентов и не нуждается в дополнительных этапах промывки, что позволяет обеспечить более экономичное производство активированного угля. Однако выход продукта при термической активации ниже, чем при химической. Это в некоторой степени сказывается на себестоимости продукции. Коммерческие продукты активированного угля обычно имеют йодную стойкость 1000 мг/г, что соответствует минимальным требованиям для применения в водоочистке (500 мг/г). Как показано в таблице 7, свойства этих активированных углей схожи со стандартными или коммерческими типами. Однако зарегистрированная площадь поверхности активированного угля составляет менее 800 м²/г, что ниже ожидаемых рыночных стандартов. Несмотря на это, эти продукты по-прежнему пригодны для некоторых применений, не требующих более высокой площади поверхности или йодной стойкости.
4.2. Химическая активация На рис. 3 показана блок-схема процесса производства активированного угля путем химической активации. Обычно используемые активаторы при химической активации приведены в табл. 8. Выбор подходящего химического реагента зависит от наличия целлюлозного материала в сырье. Активаторы, действуя как дегидраторы и окислители, оказывают положительное влияние на разложение угля. Кроме того, эти реагенты предотвращают образование смолы или золы, тем самым повышая выход углерода. После химической активации этап промывки включает удаление остаточных химических веществ из пористой структуры угля с помощью кислоты или щелочи (в зависимости от используемого активатора). Затем проводится промывка водой для удаления любых остатков кислоты или щелочи из продукта — активированного угля.
Химическая активация может проводиться при более низких температурах (около 500–600 °C), чем при термической активации. Однако некоторые авторы сообщают о температурах обработки, достигающих 1000 °C. В нескольких исследованиях было продемонстрировано влияние различных химических реагентов и температур активации, как показано в таблице 9. Данные свидетельствуют о различиях.
4.3 Термохимическая активация Термохимическая активация представляет собой сочетание термической и химической активации. Эта технология активации схожа с химической активацией, однако процесс протекает при более высоких температурах. При термохимической активации прекурсор пропитывают подходящим химическим веществом, способным растворять структуру целлюлозы, после чего материал сушат и активируют в присутствии пара в вращающейся печи или на псевдоожиженном слое. Термохимический метод позволяет получать высококачественный активированный уголь с широким диапазоном распределения пор. Недавнее исследование было посвящено производству активированного угля из бурого угля с использованием метода паровой активации с калийным катализатором, при котором были достигнуты высокие значения удельной поверхности и объема пор при температуре активации 758 °C и соотношении KOH к углю 5,1:1. Полученный активированный уголь демонстрирует высокую удельную поверхность 2380 м²/г и большой объем пор 1,1 см³/г, что делает его пригодным для применения в высокоэффективных суперконденсаторах. Термохимическая активация является относительно новым и дорогостоящим процессом, но она обладает преимуществом создания высокого объема пор в углеродных продуктах.
4.4 Побочный продукт процесса восстановления — уголь — играет важную роль в процессах восстановления (таких как восстановление титанита, восстановление железа и другие процессы). Он выступает в качестве топлива и восстановителя в процессе восстановления. Производство искусственного рутила из титанита включает этап восстановления, на котором титанит смешивают с углем и нагревают в вращающейся печи до 1100 °C. Для обеспечения достаточной энергии процесса в ротационную печь подается дополнительный воздух с помощью кожуховентилятора. При высоких температурах в результате реакции углерода с оксидами углерода образуется газ оксид углерода (CO). Реакция между оксидом железа и CO в фазе «твердое вещество-газ» является ключевым фактором восстановления титаножелезистой руды или железной руды. В ходе этого процесса уголь превращается в уголь, который активируется воздухом или CO₂, что приводит к производству активированного угля в качестве побочного продукта (). Активированный уголь, произведенный таким способом, является побочным продуктом, обладающим микропористостью и йодным числом более 800, что делает его пригодным для применения в водоочистке. По данным Roskill, в Австралии с помощью этого метода было произведено около 27 800 тонн активированного угля. В настоящее время нет достоверных данных о объемах производства активированного угля в качестве побочного продукта при производстве губчатого железа.
На рисунке 4 представлены изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), для суббитуминозного угля и гранулированного активированного угля. Данные получены в ходе недавнего исследования, в котором активированный уголь производился в качестве побочного продукта. Наблюдаемый суббитуминозный уголь в основном имеет размер частиц менее 5 миллиметров. Изображения СЭМ демонстрируют хрупкий вид сырого угля (рис. 4а), который характеризуется четко видимыми минералами на поверхности. На рисунке 4б показан гранулированный активированный уголь, произведенный из суббитуминозного угля, с размером частиц 2 миллиметра. Активированный уголь выглядит чистым и демонстрирует микротрещины, обеспечивающие пористость. Эта уникальная пористая структура повышает его эффективность в применении для очистки воды за счет эффективного улавливания загрязняющих веществ.
Использование экологически устойчивых возобновляемых углеродных материалов позволяет эффективно сократить образование твердых углеродных отходов в процессе восстановления. Исследование, посвященное изучению возможности использования биотоплива, такого как биомасса, древесный уголь, древесина и ветки эвкалипта, для восстановления титановой руды, дало положительные результаты. Результаты исследования показывают, что использование биомассы позволяет получать более качественный искусственный рутин и большее количество активированного угля с более высоким йодным числом. Напротив, при использовании угля в качестве восстановителя йодное число и выход активированного угля оказываются ниже. Аналогичные результаты были получены в другом исследовании с использованием биомассы и низкосортной железной руды, где йодное число активированного угля оказалось выше. На рис. 5 представлены SEM-изображения гранулированного активированного угля, полученного из биомассы в процессе восстановления. На рис. 5а биомасса активирована вместе с титанитом, а на рис. 5b — вместе с железной рудой. Изображения показывают, что активированный уголь обладает хорошо заметной пористостью, что делает его ценным для различных применений. Текущие исследования в области устойчивого использования показывают, что применение возобновляемых углеродных материалов будет расти в различных отраслях.
5. Влияние свойств угля и параметров активации
5.1 Влияние класса угля
Guillema и др. исследовали влияние различных классов угля на физическую активацию. Они использовали низкосортный и высокосортный уголь, включая битуминозный уголь с высоким содержанием летучих веществ, полуантрацит и антрацит, содержание летучих веществ и фиксированного углерода в которых составляло 40 % и 86 % соответственно. Результаты исследования показали, что низкосортный уголь демонстрирует более высокую скорость выжигания и лучшую реакционную способность по сравнению с высокосортным углем. Постепенное выжигание низкокачественного угля приводит к увеличению пористости и увеличению площади поверхности, в то время как у высококачественного угля пористость очень низкая, а площадь поверхности также небольшая. В недавних научных публикациях подчеркивается, что низкокачественный уголь (например, бурый уголь) подходит для производства активированного угля, в частности, при термической активации достигается площадь поверхности по БЭТ выше 500 м²/г, а при химической активации — выше 1000 м²/г. Эти виды активированного угля имеют широкий спектр применений, включая десульфуризацию дымовых газов, улавливание загрязняющих веществ в фармацевтической промышленности, использование в суперконденсаторах, удаление йода, а также удаление метиленового синего, фенола и цианидов из воды.
5.2 Влияние пористой структуры
Различные исследователи изучали влияние пористой структуры исходного угля на процесс активации. При наличии пор размером менее 1000 Å (особенно в диапазоне 30 Å) эти поры могут определять скорость диффузии газа в процессе активации. Однако по сравнению с порами диаметром 100 000 Å поры размером 1000 Å не замедляют скорость диффузии газа значительно.
Исследование, в котором в качестве исходного материала использовался графит, а поры размером, сопоставимым с размером микрокристаллов, были получены путем контролируемого торцевого сжигания, показало, что активация углеродных структур, содержащих микрокристаллы определенного диапазона размеров, может быть одним из способов получения активированного угля с порами данного размера. Увеличение объема микропор происходит в основном при низкой скорости выжигания. Поэтому рекомендуется максимальная скорость выжигания около 15–20 %.
5.3. Влияние размера частиц
Механизмы, определяющие влияние размера частиц на активацию угля, до конца не изучены. Предыдущие исследования показали, что активация порошкообразных/мелких частиц угля происходит быстрее, чем крупных/гранулообразных. Более мелкие частицы обладают более высоким соотношением площади поверхности к объему по сравнению с крупными, поэтому крупные частицы чаще подвержены недостаточной активации. В исследовании Zou и др. по химической активации китайского угля были изучены тенденции активации для частиц размером 850 мкм, 300 мкм, 90 мкм и <90 мкм. Их результаты показывают, что выход активированного угля увеличивается с увеличением размера частиц, но адсорбционная способность активированного угля снижается с увеличением размера частиц. Относительно мало литературы посвящено определению оптимального размера частиц для хорошей активации. Однако результаты показывают, что размер частиц угля может влиять на активацию и качество активированного угля.
5.4. Влияние температуры
Различные исследователи изучали влияние температуры карбонизации на качество активированного угля. Ранее проведенные исследования антрацита были направлены на оценку влияния процента выжигания и температуры карбонизации. Результаты исследований показали, что максимальная площадь поверхности по методу БЕТ достигается при температуре карбонизации ниже 850 °C, тогда как при температуре карбонизации выше 850 °C и проценте выжигания выше 50 % наблюдается снижение площади поверхности по методу БЕТ. Исследования Ванга показали, что китайский бурый уголь и австралийский куриный уголь, активированные при 900 °C, демонстрируют более высокую площадь поверхности по БЕТ, чем активированные при 1100 °C. Снижение площади поверхности при более высоких температурах объясняется увеличением выжигания частиц, связанным с рангом угля при таких повышенных температурах, в сочетании с разрушением внутренней сети пор и уменьшением поровой емкости, что оказывает негативное влияние на дальнейшее развитие площади поверхности в продуктах активированного угля.
В ходе многих исследований изучалось влияние температуры карбонизации и активации на получение активированного угля из каменного угля путем химической активации. Ганан исследовал влияние температуры карбонизации на BET-площадь поверхности активированного угля KOH в диапазоне температур от 375 °C до 900 °C при соотношении KOH к битуму бурого угля 3:1. Данные, представленные на рисунке 6а, показывают сильную корреляцию между температурой карбонизации и площадью поверхности по методу БЕТ в диапазоне от 375 °C до 850 °C. По мере повышения температуры от 375 °C до 900 °C площадь поверхности увеличивается, достигая пика при 850 °C. При температурах выше 850 °C наблюдается значительное снижение площади поверхности по методу БЕТ образцов активированного угля. Эти результаты согласуются с аналогичными данными, полученными Хсу при исследовании битуминозного угля, активированного KOH. Cuhadaroglu исследовал влияние температуры активации на йодную способность образцов угля, активированных с использованием химических реагентов в соотношении 2:1 по отношению к массе угля. Как показано на рис. 6b, на графике отображены изменения йодной способности при различных температурах активации. В данном исследовании особое внимание уделялось влиянию двух различных химических реагентов: NaOH и KOH. Примечательно, что результаты показывают четкую тенденцию для каждого химического реагента: максимальные значения йодного числа для активированного угля KOH и NaOH составляют 1070 и 1010 мг/г соответственно, что наблюдается при 900 °C и 1000 °C. Данные указывают на то, что температура активации и выбор химического реагента влияют на производство и качество активированного угля.
Предыдущие исследования показали, что низкая температура активации не способствует активации угля. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) изучило различные комбинации температур карбонизации и активации в разных атмосферах. В одном из исследований по регенерации углерода карбонизация проводилась при 840 °C, а затем следовала активация при 927 °C, в результате чего полученный углерод имел йодное число 950 мг/г. Было отмечено, что повышение температуры карбонизации и понижение температуры активации оказывают негативное влияние на развитие пористости и приводят к снижению йодного числа.
5.5. Влияние концентрации активирующего реагента
В предыдущих исследованиях сравнивалось влияние химических реагентов (в частности, KOH и NaOH) на угольную смолу при различных соотношениях (2:1, 4:1, 6:1 и 8:1) при неизменной температуре активации 750 °C и времени активации 1 час. Анализ данных выявил кубическую полиномиальную зависимость между массовой долей химического реагента и удельной поверхностью по методу БЕТ, а также выходом активированного угля (рис. 7). Данные предыдущего исследования, проведенного Macià-Agulló, как показано на рис. 7, свидетельствуют о том, что активированный уголь, полученный с помощью NaOH, демонстрирует более высокую удельную поверхность по методу БЕТ, чем активированный уголь, полученный с помощью KOH. Однако выход активированного угля, полученного с помощью KOH, выше, чем у активированного угля, активированного с помощью NaOH, и он имеет более узкие поры. Кроме того, активированный уголь, активированный с помощью NaOH, обладает большей площадью поверхности благодаря большему количеству межпористых пор. Данные показывают, что KOH и NaOH оказывают различное влияние на исходный материал для получения активированного угля (особенно на каменноугольную смолу), что влияет на площадь поверхности по БЕТ, процентный выход и распределение пор, а значит, и на качество получаемого активированного угля.
Согласно исследованию Хсу, кислотные химические реагенты, такие как ZnCl₂ и H₃PO₄, демонстрируют низкую эффективность активации угля при испытаниях на битуминозном угле. В рамках данного сравнительного исследования изучалось влияние химических реагентов ZnCl₂, H₃PO₄ и KOH на производство активированного угля из австралийского битуминозного угля. При соотношении угля и химического реагента 1:4,25 результаты показали, что каждый из реагентов дает разные результаты. Площадь поверхности по БЕТ активированного угля, полученного с помощью KOH, превышала 1200 м²/г, в то время как площадь поверхности активированного угля, полученного с помощью ZnCl₂ и H₃PO₄, была ниже 1000 м²/г. Каракан показал, что химическая активация турецкого бурого угля с помощью K₂CO₃ позволяет достичь приемлемой площади поверхности по БЕТ. Эти результаты согласуются с другими исследованиями, в которых было показано, что щелочные реагенты являются более предпочтительными активаторами.
Хотя единого мнения относительно необходимой концентрации химических веществ для химической активации не существует, большинство исследователей отмечают, что более высокие дозы химических реагентов приводят к увеличению развития пористости. Более высокая удельная поверхность по методу БЕТ наблюдается при соотношении угля и KOH 1:2, однако высокая концентрация химических реагентов снижает твердость получаемого активированного угля. Увеличение пористости и удельной поверхности активированного угля по мере повышения концентрации активирующих химикатов, вероятно, связано с газификацией углерода и изменением его реакционной способности. Как KOH, так и NaOH могут проникать в угольную матрицу, вызывая отделение слоев графита и образование новых пор, что приводит к увеличению пористости и удельной поверхности.
5.6. Влияние кислотной промывки
При химической активации этот процесс обычно включает в себя смешивание химических реагентов с частицами угля или древесного угля и их сушку перед активацией. Процесс активации способствует развитию пористости внутри частиц углерода. В ходе химической активации углерод поглощает или удерживает некоторые щелочные химические вещества и загрязнения, такие как минералы и зола. Поэтому продукты активированного угля, полученные путем химической активации, обычно подвергаются этапу кислотной промывки. Такая промывка удаляет из активированного угля некоторые растворенные загрязнения, снижая содержание золы в конечном продукте.
5.7. Влияние предварительной обработки и газа для активации
В предыдущих исследованиях изучалось влияние предварительной обработки соляной кислотой (HCl) на термическую активацию. Образцы, прошедшие предварительную обработку, показали увеличение йодного числа с 940 до 1040 мг/г. Это связано с тем, что предварительная обработка удаляет некоторые примеси, которые не могут быть удалены в процессе активации. С другой стороны, при активации активированного угля CO₂ йодный показатель увеличился с 840 мг/г для необработанных образцов до 940 мг/г для предварительно обработанных образцов. Результаты показывают, что пар является лучшим активатором, чем газ CO₂, и обеспечивает более высокое йодное число.
Бергна отмечает, что скорость потока пара влияет на активацию углерода и выход активированного угля. Это может быть связано с тем, что молекулы воды меньше молекул CO₂, что приводит к их более быстрой диффузии в пористую структуру и лучшему проникновению в микропоры. В процессе реакции углерод-пар пар удаляет атомы углерода из внутренней структуры углеродного материала. Таким образом, либо образуются новые поры, либо очищаются заблокированные поры. Было показано, что при температуре 800 °C и давлении 10 кПа реакция углерод-пар протекает в три раза быстрее, чем реакция углерод-CO₂.
Исследователи предполагают, что высокая скорость нагрева и высокая скорость потока пара повышают уровень кислорода в угле, что улучшает активацию и качество угля. Активированный уголь, полученный путем паровой активации, показал значительные различия в йодном числе между углем из каменного угля (800–1100 мг/г) и бурого угля (700 мг/г).
6.Устойчивые и ответственные источники сырья для производства активированного угля
6.1. Возобновляемые источники сырья
Производство активированного угля из древесины, биомассы, сельскохозяйственных отходов и возобновляемых источников углерода описывается во многих обзорных статьях. Для производства активированного угля из биомассы требуются физические и химические методы, аналогичные тем, которые используются при производстве активированного угля на основе угля. Физическая активация требует температуры от 800 до 1100 °C и использования газов, таких как H₂O, CO₂ или смеси CO₂ и N₂, а также воздуха. При химической активации биомасса и сельскохозяйственные отходы обрабатываются химическими реагентами, такими как H₃PO₄, ZnCl₂, NaOH, KOH и K₂CO₃. Некарбонизированные древесные целлюлозные материалы обрабатывают H3PO4 и ZnCl2, а биоуголь активируют KOH и NaOH. Химическая активация обычно проводится в диапазоне температур от 400 до 1000 °C. Температура активации зависит от состояния углеродного прекурсора, например, от степени карбонизации и типа используемых химических реагентов. Обзор литературы показывает, что активизация биомассы и сельскохозяйственных отходов с помощью KOH или NaOH увеличивает микро- и мезопористость, а также удельную поверхность активированного угля. Активированный уголь, полученный из возобновляемых углеродных материалов, демонстрирует эффективные адсорбционные свойства и подходит для различных областей, таких как извлечение ценных металлов, очистка воды и другие применения.
Глобальные требования в области устойчивого развития диктуют необходимость перехода к использованию возобновляемых источников углерода для производства активированного угля, однако в некоторых странах по-прежнему отдается предпочтение углю (табл. 2). В то же время, если правительства ограничат использование угля, доступные в мире запасы древесины, сельскохозяйственных отходов и других возобновляемых материалов могут стать более привлекательными для производства активированного угля. Однако одним из недостатков использования возобновляемых ресурсов является то, что из них получается меньше активированного угля, чем из угля, и для удовлетворения будущего спроса на активированный уголь потребуется больше сырья. Химическая активация более эффективна, чем физическая, с точки зрения повышения выхода активированного угля, и процесс активации может осуществляться при более низких температурах.
6.2. Уголь с высоким содержанием золы и отходы угледобычи
В настоящее время производство активированного угля основано на использовании битуминозного и полубитуминозного угля (табл. 3). Использование других видов угля, таких как низкокачественный уголь и уголь с высоким содержанием золы, представляет собой перспективную возможность, однако такие виды угля редко применяются в производстве активированного угля. На сегодняшний день в ряде исследований изучались возможности производства активированного угля из угля с высоким содержанием минеральных веществ, отходов угледобычи, угольных шлаков и золы от сжигания мазута. Недавнее исследование было направлено на оценку возможности использования отходов угля из Южной Африки (содержащих 49 % углерода и 35 % золы) для производства активированного угля. Отходы угля обрабатывали KOH и NaOH при соотношении уголь к химическому реагенту 1:2,5 и температуре активации 600 °C. Результаты оказались положительными: активированный уголь продемонстрировал удельную поверхность по методу БЭТ 671 м²/г при использовании KOH и 252 м²/г при использовании NaOH. При повышении температуры активации до 800 °C и увеличении соотношения угля к химическим реагентам до 1:4 площадь поверхности по БЭТ значительно возросла: 1374 м²/г для NaOH и 1826 м²/г для KOH. Активированный уголь, полученный из отходов угледобычи, обладает качествами, схожими со стандартным активированным углем, однако в конечном продукте содержание золы выше. Однако, поскольку для применения в водоочистке требуется низкий уровень зольности, лабораторные испытания показали, что активированный уголь, изготовленный из угольных отходов, может обладать адсорбционными качествами, пригодными для эффективного хранения природного газа.
Недавно Лю исследовал возможность производства волокон активированного угля из отходов сжижения угля. Этот метод включает термическую активацию отходов угля при высокой температуре 900 °C в течение 3 часов, в результате чего площадь поверхности по БЕТ превышает 1400 м²/г. Увеличение удельной поверхности и адсорбционных свойств волокон активированного угля позволяет эффективно улавливать CO₂ из дымовых газов. По словам Лю, в Китае ежегодно образуется около 450 000 тонн отходов. Этот материал считается ценным ресурсом для производства активированного угля, способного удовлетворить будущие потребности.
Летучая зола и зола от сжигания тяжелого топлива являются распространенными отходами угольных электростанций. В недавнем исследовании была изучена зола от сжигания тяжелого топлива с содержанием углерода 43 % и золы 45 %. После предварительной обработки HCl и HF содержание золы в летучей золе снизилось до 8 %. При активации летучей золы CO₂ в течение 6 часов при температуре 900 °C была получена удельная поверхность по методу БЕТ 156 м²/г, однако низкая пористость и удельная поверхность объясняются разрушением внутренней пористой сети и удалением минералов. Тем не менее, проводимые исследования показывают перспективы использования летучей золы для производства активированного угля, а также потенциальные применения в области сокращения выбросов SO₂ и удаления тяжелых металлов из водных растворов. Сокращение углеродных отходов посредством устойчивого управления отходами способствует снижению воздействия на окружающую среду и поддерживает циркулярную экономику, что соответствует глобальным усилиям по защите окружающей среды.
Из угля с высоким содержанием золы можно производить высококачественный активированный уголь с помощью различных доступных технологий обогащения полезных компонентов, таких как сепарация в тяжелой среде, гравитационная сепарация, магнитная сепарация и флотация. Благодаря технологии сепарации в тяжелой среде (DMS) достигнуты значительные успехи в повышении качества угля с низкокачественного до высококачественного. Этот процесс использует разницу в плотности угольных частиц для отделения частиц, содержащих тяжелые минералы, от более легких частиц угля. Использование технологии тяжелой фракции позволяет эффективно снизить содержание золы в угле с высоким содержанием минералов до приемлемого уровня, поскольку такие угли приводят к повышению содержания золы. Однако сепарация тяжелой фракцией эффективна для частиц немного более крупных размеров (>500 мкм), тогда как флотация становится приемлемым выбором для более мелких частиц.
Недавние исследования показывают, что экологически безопасные сборщики, такие как отработанное пищевое масло и эмульгированное отработанное масло для жарки, могут эффективно использоваться в качестве флотационных реагентов для обогащения низкокачественного угля и угля с высоким содержанием золы. Согласно исследованию Ченга, недавно разработанный альтернативный эмульгированный отработанный масло для жарки позволил сократить расход сборщика на 70%, что повысило выход обогащенного угля и снизило содержание золы. Исследование Чжана показало, что по сравнению с традиционными сборщиками для флотации отработанное пищевое масло способствует снижению содержания золы в угле. Оба этих материала являются экологически чистыми сборщиками и играют ключевую роль в снижении содержания золы в угле.
Другой альтернативный метод удаления минеральных веществ и снижения зольности угля предполагает предварительную обработку химическими веществами, такими как HCl, HF, HNO₃, H₂SO₄, NaOH и др. Удаление минеральных веществ зависит от таких факторов, как концентрация химических веществ, температура, время и этапы промывки. Выбор подходящих химических веществ зависит от типа и массовой доли минеральных веществ в угле.
7.Заключение
Активированный уголь (AC) является ценным продуктом благодаря своей большой удельной поверхности, общему объёму пор (микро-, мезо- и макропоры), функциональности поверхности и развитой внутренней пористости, что делает его пригодным для многих применений, таких как очистка сточных вод, очистка газов, промышленные процессы, улавливание токсинов, контроль выбросов автомобилей, производство сахара и процессы рекуперации драгоценных металлов. Уголь подходит для производства активированного угля, поскольку он обладает внутренней пористостью, а методы активации увеличивают его пористость. Физические и химические свойства угля, такие как тип угля, степень углеродистости, размер частиц, химический состав и технологические параметры, влияют на производство, качество и выход активированного угля. Для активации углеродных материалов обычно используется термическая или химическая активация. Активированный уголь, полученный методом термической активации с использованием CO₂ или H₂O, имеет гораздо меньшую внутреннюю поверхность, чем уголь, активированный KOH или NaOH. Современные данные показывают, что H₂O и KOH являются предпочтительными физическими и химическими активаторами.
В данном обзоре было установлено, что между температурой карбонизации и удельной поверхностью по методу БЕТ (в диапазоне от 375 °C до 850 °C) существует положительная корреляция, которая достигает пика при 850 °C, а затем снижается. Изменения показателя йода при различных температурах активации подчеркивают роль температуры активации в обеспечении качества активированного угля. Процентная доля KOH и NaOH в каменноугольном дегте напрямую влияет на получаемую площадь поверхности по БЕТ и выход активированного угля. Увеличение доли химических реагентов приводит к увеличению площади поверхности по БЕТ, но снижает процентный выход активированного угля.
Термохимическая активация и активация с использованием титанита/оксида железа представляют собой новые методы производства активированного угля. В процессе восстановления титанита для получения искусственного рубина уголь выступает в качестве топлива и восстановителя, подвергаясь физической активации, в результате чего в качестве побочного продукта образуется активированный уголь. Данный активированный уголь подходит для применения в водоочистке, поскольку он обладает высоким йодным числом (свыше 800 мг/г) и высокой микропористостью.
Устойчивые углеродные ресурсы, включая древесину, биомассу и сельскохозяйственные отходы, обрабатываются с помощью физических или химических методов, аналогичных тем, которые применяются при производстве активированного угля на основе каменного угля. Химическая активация, в частности с использованием KOH или NaOH, повышает микро- и мезопористость, а также увеличивает площадь поверхности, что делает этот материал эффективным для различных применений, таких как рекуперация металлов и очистка воды.
В данном обзоре установлено, что производство активированного угля в основном зависит от битуминозного и полубитуминозного угля. Однако низкосортный уголь и уголь с высоким содержанием золы обладают потенциалом, открывая возможности для устойчивого управления отходами и использования ресурсов. Кроме того, инновационные методы, такие как использование экологически безопасных сборщиков, могут применяться для повышения эффективности производства активированного угля и минимизации воздействия на окружающую среду.
