Aktiivihiili (AC) viittaa erittäin hiilipitoisiin materiaaleihin, joilla on korkea huokoisuus ja sorptiokyky, ja joita valmistetaan puusta, kookospähkinän kuorista, kivihiilestä ja käpyistä jne. AC on yksi usein käytetyistä adsorbenteista, joita käytetään eri teollisuudenaloilla lukuisten epäpuhtauksien poistamiseen vedestä ja ilmasta. Koska AC syntetisoidaan maatalous- ja jätetuotteista, se on osoittautunut erinomaiseksi vaihtoehdoksi perinteisesti käytetyille uusiutumattomille ja kalliille lähteille. Aktiivihiilen valmistuksessa käytetään kahta perusprosessia: hiilestystä ja aktivointia. Ensimmäisessä prosessissa lähtöaineet altistetaan korkeille lämpötiloille, 400–850 °C, kaikkien haihtuvien komponenttien poistamiseksi. Korkea lämpötila poistaa lähtöaineesta kaikki muut kuin hiilikomponentit, kuten vedyn, hapen ja typen kaasujen ja tervojen muodossa. Tämä prosessi tuottaa hiiltä, jolla on korkea hiilipitoisuus, mutta pieni pinta-ala ja huokoisuus. Toisessa vaiheessa kuitenkin aktivoidaan aiemmin syntetisoitu hiilet. Huokoskoon kasvu aktivointiprosessin aikana voidaan luokitella kolmeen osaan: aiemmin saavuttamattomien huokosten avaaminen, uusien huokosten kehittyminen selektiivisellä aktivoinnilla ja olemassa olevien huokosten laajentaminen.
Yleensä aktivointiin käytetään kahta lähestymistapaa, fysikaalista ja kemiallista, halutun pinta-alan ja huokoisuuden saavuttamiseksi. Fysikaalisessa aktivoinnissa hiiltynyt hiiltu aktivoidaan hapettavien kaasujen, kuten ilman, hiilidioksidin ja höyryn, avulla korkeissa lämpötiloissa (650–900 °C:n välillä). Hiilidioksidia suositaan yleensä sen puhtauden, helpon käsittelyn ja hallittavan aktivointiprosessin vuoksi noin 800 °C:ssa. Hiilidioksidiaktivoinnilla voidaan saavuttaa korkea huokostasaisuus höyryyn verrattuna. Fysikaalisessa aktivoinnissa höyry on kuitenkin paljon parempi kuin hiilidioksidi, koska sillä voidaan tuottaa suhteellisen suuren pinta-alan omaavaa aktiivihiiltä. Veden pienemmän molekyylikoon vuoksi sen diffuusio hiilen rakenteeseen tapahtuu tehokkaasti. Höyryaktivoinnin on havaittu olevan noin kaksi tai kolme kertaa suurempi kuin hiilidioksidilla samalla konversioasteella.
Kemiallisessa lähestymistavassa kuitenkin sekoitetaan esiaste aktivointiaineiden (NaOH, KOH ja FeCl3 jne.) kanssa. Nämä aktivointiaineet toimivat sekä hapettimina että dehydratoivina aineina. Tässä lähestymistavassa hiilestys ja aktivointi suoritetaan samanaikaisesti suhteellisen alhaisemmassa lämpötilassa, 300–500 °C:ssa, verrattuna fysikaaliseen lähestymistapaan. Tämän seurauksena se vaikuttaa pyrolyyttiseen hajoamiseen ja johtaa sitten parantuneen huokoisen rakenteen laajenemiseen ja korkeaan hiilen saantoon. Kemiallisen menetelmän tärkeimmät edut fysikaaliseen lähestymistapaan verrattuna ovat matala lämpötilavaatimus, korkeat mikrohuokoiset rakenteet, suuri pinta-ala ja minimoitu reaktion valmistumisaika.
Kemiallisen aktivointimenetelmän paremmuus voidaan selittää Kimin ja hänen työtovereidensa [1] ehdottaman mallin perusteella, jonka mukaan aktiivihiilessä on erilaisia pallomaisia mikrodomeeneja, jotka vastaavat mikrohuokosten muodostumisesta. Toisaalta mesohuokosia kehittyy mikrodomeenien välisille alueille. Kokeellisesti he muodostivat aktiivihiiltä fenolipohjaisesta hartsista kemiallisella (KOH:lla) ja fysikaalisella (höyryllä) aktivoinnilla (kuva 1). Tulokset osoittivat, että KOH-aktivoinnilla syntetisoidulla aktiivihiilellä oli suuri pinta-ala, 2878 m2/g, verrattuna höyryaktivoinnilla saatuun 2213 m2/g:iin. Lisäksi muiden tekijöiden, kuten huokoskoon, pinta-alan, mikrohuokostilavuuden ja keskimääräisen huokosleveyden, havaittiin olevan parempia KOH-aktivoiduissa olosuhteissa verrattuna höyryaktivoituihin olosuhteisiin.
Höyryaktivoinnista valmistetun AC:n (C6S9) ja KOH-aktivoinnista (C6K9) erot selitettynä mikrorakennemallin avulla.
Hiukkaskoosta ja valmistusmenetelmästä riippuen se voidaan luokitella kolmeen tyyppiin: tehostettu vaihtovirta, rakeinen vaihtovirta ja helmimainen vaihtovirta. Tehostettu vaihtovirta muodostetaan hienoista rakeista, joiden koko on 1 mm ja keskimääräinen halkaisija on 0,15–0,25 mm. Rakeisella vaihtovirtalla on suhteellisen suurempi koko ja pienempi ulkopinta-ala. Rakeista vaihtovirtaa käytetään erilaisissa neste- ja kaasufaasisovelluksissa niiden mittasuhteiden mukaan. Kolmas luokka: helmimainen vaihtovirta syntetisoidaan yleensä maaöljypien läpimitasta, jonka halkaisija on 0,35–0,8 mm. Se tunnetaan korkeasta mekaanisesta lujuudestaan ja alhaisesta pölypitoisuudestaan. Sitä käytetään laajasti leijupetisovelluksissa, kuten veden suodatuksessa, sen pallomaisen rakenteen vuoksi.
Julkaisun aika: 18. kesäkuuta 2022