Otrzymywanie węgla aktywnego

Jak wspomniano wcześniej, węgiel aktywny jest otrzymywany w procesie karbonizacji prekursorów organicznych, a następnie aktywacji otrzymanego materiału węglowego. Podczas karbonizacji materiał organiczny poddany jest obróbce cieplnej w atmosferze obojętnej.

Właściwości otrzymanego materiału będą zależały od rodzaju prekursora, jego formy oraz

86 H. Yamada, H. Nakamura, F. Nakahara, I. Moriguchi, T. Kudo, Electrochemical Study of High Electrochemical Double Layer Capacitance of Ordered Porous Carbons with Both Meso/Micropores and Micropores, J. Phys.

Chem. C, 111 (2007) 227-233

87 J. Mi, X. Wang, R. Fan, W. Qu, W. Li, Coconut-Shell-Based Porous Carbons with a Tunable MicroMesopore Ratio for High-Performance Supercapacitors, Energy Fuels, 26 (2012) 531-5329

88 T. Momma, X. Liu, T. Osaka, Y. Ushio, Y. Sawada, Electrochemical modification of active carbon fiber electrode and its application to double-layer capacitor, J. Power Sources, 60 (1996) 249-253

89 K. Jurewicz, E. Frackowiak, Modified carbon materials for electrochemical capacitors, Mol. Phys. Reports, 27 (2000) 36-43

90 M. Ishikawa, A. Sakamoto, M. Moriata, Y. Matsuda, K. Ishida, Effect of activated carbon fiber cloth electrodes with cold plasma upon performance of electric double-layer capacitors, J. Power Sources 60 (1996) 233-238

91 E. Frackowiak, Carbon materials for supercapacitor application, Phys, Chem. Chem. Phys., 9 (2009) 1774-1785

92 Z. Zapata-Benabithe, F. Carrasco-Martin, C. Moreno-Castilla, Preparation, surface characteristic, and electrochemical double-layer of KOH activated carbon aerogels and their O- and N-doped derivatives, J. Power Sources, 219 (2012) 80-88

93 E. Frackowiak, Q. Abbas, F. Beguin, Carbon/carbon supercapacitors, Journal of Energy Chemistry, 22 (2013) 226-240

43 Jakub Menzel

warunków procesu⁹⁴. Najczęściej stosowanymi prekursorami organicznymi są kopaliny⁹⁵, odpady spożywcze⁹⁶,⁹⁷,⁹⁸), drewno⁹⁹ oraz lignina¹⁰⁰. Materiały otrzymane na skutek karbonizacji prekursorów organicznych najczęściej charakteryzują się niską porowatością oraz dużą liczbą zamkniętych porów. W celu polepszenia właściwości stosuje się chemiczną lub fizyczną aktywacje, która ma na celu zwiększenie objętości oraz zmianę średnicy porów¹⁰¹.

Podczas aktywacji fizycznej, karbonizat poddany jest działaniu czynników utleniających.

Są nimi para wodna lub dwutlenek węgla, w środowisku o podwyższonej temperaturze (700-1000ºC). Właściwości otrzymanego węgla aktywnego będą zależały od zastosowanego czynnika utleniającego oraz temperatury procesu.

Węgle aktywne otrzymane w procesie aktywacji CO2 charakteryzują się bardziej rozwiniętą strukturą mikroporowatą niż węgle uzyskane w procesie aktywacji parą wodną.

Zastosowanie CO2 powoduje otwieranie porów, a następnie ich poszerzanie. Natomiast zastosowanie pary wodnej powoduje rozszerzanie mikroporów już we wczesnym etapie procesu aktywacji^102,103. Temperatura natomiast, ma wpływ na szybkość reakcji węgla z czynnikiem utleniającym. W zbyt wysokiej temperaturze reakcja zachodzi tylko na powierzchni materiału w rezultacie dając produkt charakteryzujący się brakiem struktury porowatej.

Zaletą aktywacji fizycznej jest jej niski koszt, jednak otrzymane materiały charakteryzują się niewystarczająco rozwiniętą strukturą mikroporowatą oraz powierzchnią właściwą nieprzekraczającą 2000 m²g^-1.

94 Y. Gogotsi, S. Dimovski, J.A. Libera, Conical crystals of graphite, Carbon, 40 (2002) 2263-2284

95 A. Ahmadpour, D.D. Do, The preparation of active carbons from coal by chemical and physical activation, Carbon ,34 (1996) 471-479

96 Z. Hu, M.P. Srinivasan, Y. Ni, Preparation of Mesoporous High-Surface-Area Activated Carbon, Adv. Mater., 12 (2000) 62-65

97 K.Y. Foo, D.H. Hameed, Preparation, characterization and evaluation of adsorptive properties of orange peel based activated carbon via microwave induced K2CO3 activation, Bioresource Technol., 104 (2012) 679-686

98 E. Yagmur, M. Ozmak, Z. Aktas, A novel method for production of activated carbon from waste tea by chemical activation with microwave energy, Fuel, 87 (2008) 3278-3285

J. Acharynam J. N.Sahu C.R. Mohanty, B.C. Meikap, Removal of lead (II) from wastewater by activated carbon developed from Tamarind wood by zinc chloride activation, Chem. Eng. J., 149 (2009) 249-262

100 A.V. Maldhure, J.D. Ekhe, Preparation and characterization of microwave assisted activated carbons from industrial waste lignin for Cu(II) sorption, Chem. Eng. J., 168 (2011) 1103-1111

101 H. Marsh, F.R. Reinoso Activated Carbon, Elsevier Science, Oxford (2005)

102 F. Rodriguez-Reinoso, M. Molina-Sabio, M.T. Gonzalez, The use of steam and CO2 activating agents in the preparation of the activated carbons, Carbon, 33 (1995) 15-23

103 M. Molina-Sabio, M.T. Gonzalez, F. Rodriguez-Reinoso, A. Sepulveda-Escribano, Effect of steam and carbon dioxide activation in the micropore size distribution of activated carbon, Carbon, 34 (1996) 505-509

44 Jakub Menzel

Aby otrzymać węgle aktywne, charakteryzujące się bardziej rozwiniętą powierzchnią właściwą z kontrolowanym rozkładem porów, stosuje się aktywację chemiczną. Proces ten zachodzi w niższych temperaturach (400-700ºC), w wyniku reakcji karbonizatu z czynnikami chemicznymi takimi jak KOH¹⁰⁴, ZnCl2105, H3PO4106, K2CO3107.

Obecnie, materiały o bardzo rozwiniętej powierzchni właściwej: ponad 2500 m² g^-1 oraz strukturze mikroporowatej, otrzymuje się przez zastosowanie aktywacji z udziałem wodorotlenku potasu¹⁰⁸. Podczas aktywacji chemicznej dochodzi do zniszczenia struktury wewnętrznej prekursora na skutek insercji metalu pomiędzy warstwy grafenowe węgla, a następnie jego gwałtownego usunięcia w wysokiej temperaturze^109,110.

Właściwości fizykochemiczne produktów, otrzymanych podczas aktywacji wodorotlenkiem potasu, zależą od stosunku czynnika aktywującego do prekursora węglowego.

Najlepsze właściwości otrzymano przy stosunku KOH/C 4/1¹¹¹.

Najczęściej proces produkcji węgla jest dwuetapowy: najpierw przeprowadzona zostaje karbonizacja prekursora, a następnie jego aktywacja. W celu zmniejszenia kosztów produkcji węgla aktywnego zaproponowano zastosowanie prekursorów o składzie bogatym w metale takie jak potas, sód, magnez oraz wapń. Wymogi te spełniają algi oraz łodygi tytoniu, które w procesie karbonizacji ulegają samoaktywacji ^112,113.

104 B. Cardoso, A.S. Mestre, A.P. Carvalho, J. Pires, Activated carbon derived from cork powder waste by KOH activation: preparation, characterization, and VOCs adsorption, Ind. Eng. Chem. Res., 47 (2008) 5841-5841

105 Z. Hu, M.P. Srinivasan, Y. Ni, Novel activation process for preparing highly microporous and mesoporous activated carbons, Carbon, 39 (2001) 877-886

106 M. Molina-Sabio, F. Rodriguez-Reinoso, F. Caturla, M.J. Selles, Porosity in granular carbons activated with phosphoric acid, Carbon, 33 (1995) 1105-1113

107 H. Schmieder, J. Abeln, N. Boukis, E. Dinjus, A. Kruse, M. Kluth, G. Petrich, E. Sadri, M. Schancht, Hydrothermal gasification of biomass and organic wastes, The Journal of Supercritical Fluids, 17 (2000) 145-153

108 D. Lozano-Castello, D. Cazorla-Amoros, A. Linares-Solano, S. Shiraishi, H. Kurihara, A. Oya, Influence of pore structure and Surface chemistry on electric double layer capacitance in non-aqueous electrolyte, Carbon, 41 (2003) 1765-1775

109 H. Marsh, D.S. Yan, T.M. O’Grady, A. Wennerberg, Formation of active carbons from cokes using potassium hydroxide, Carbon, 22 (1984) 603-611

110 H. Marsh, D. Crawford, T.M. O’Grady A. Wennerberg, Carbons of high surface area. A study by adsorption and high resolution electron microscopy, Carbon, 20 (1982) 419-426

111 K. Labus, S. Gryglewicz, J. Machnikowski, Granular KOH – activated carbons from coal-based cokes and their CO2 adsorption capacity, Fuel 118 (2014) 9-15

112 M.P. Bichat, E. Raymundo-Pinero, F. Beguin, High voltage capacitor built with seaweed carbons in neutral aqueous electrolyte, Carbon, 48 (2010) 4351-4361

45 Jakub Menzel

W procesie jednostopniowej aktywacji alg otrzymano węgle o umiarkowanej powierzchni właściwej, wysokiej gęstości oraz regulowanej porowatości. Badania elektrochemiczne wykazały, że węgle tego typu idealnie nadają się do kondensatorów elektrochemicznych zawierających elektrolity organiczne i wodne¹¹⁴.