วิธีการเตรียมคาร์บอนพรุนจากถ่านกัมมันต์?

ถ่านกัมมันต์ เป็นวัสดุคาร์บอนที่มีรูพรุนทั่วไปชนิดหนึ่ง มีโครงสร้างรูพรุนที่พัฒนาอย่างดี พื้นผิวจำเพาะขนาดใหญ่ และประสิทธิภาพการดูดซับที่ยอดเยี่ยม จึงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในด้านการดูดซับ ตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยา และการกักเก็บพลังงาน. คาร์บอนที่มีรูพรุน เป็นแนวคิดที่กว้างกว่า ซึ่งรวมถึงวัสดุคาร์บอนที่มีรูพรุนขนาดเล็ก ขนาดกลาง และขนาดใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง คาร์บอนที่มีรูพรุนแบบลำดับชั้นแสดงให้เห็นถึงโครงสร้างรูพรุนที่ซับซ้อนกว่าและประสิทธิภาพที่เหมาะสมที่สุด ในทางทฤษฎีแล้ว ถ่านกัมมันต์ก็จัดอยู่ในประเภทของคาร์บอนที่มีรูพรุนอยู่แล้ว อย่างไรก็ตาม ทั้งในงานวิจัยและการใช้งานจริง มักใช้ถ่านกัมมันต์เชิงพาณิชย์หรือวัสดุคาร์บอนที่ผ่านกระบวนการคาร์บอนไนเซชันเบื้องต้นเป็นสารตั้งต้น เพื่อเตรียมคาร์บอนที่มีรูพรุน ด้วยโครงสร้างขั้นสูง วัสดุเหล่านี้ได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมผ่านการกระตุ้นหรือการดัดแปลงขั้นที่สอง เพื่อผลิตคาร์บอนพรุนแบบลำดับชั้นที่มีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงขึ้นและการกระจายขนาดรูพรุนที่เหมาะสมยิ่งขึ้น แนวทางนี้ช่วยให้สามารถพัฒนาโครงสร้างพรุนระดับไมโคร เมโซ และมาโครได้ ส่งผลให้ประสิทธิภาพการถ่ายโอนมวลและประสิทธิภาพโดยรวมดีขึ้นอย่างมากในการใช้งานต่างๆ เช่น ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ ตัวเร่งปฏิกิริยาทางไฟฟ้า และการดูดซับ.

บทความนี้แนะนำวิธีการหลัก กลไก ขั้นตอนการประมวลผล และแนวโน้มการประยุกต์ใช้ในการเตรียมคาร์บอนพรุนโดยใช้ถ่านกัมมันต์เป็นพื้นฐาน.

ความแตกต่างระหว่างคาร์บอนพรุนและคาร์บอนกัมมันต์

ถ่านกัมมันต์: โดยทั่วไปเตรียมโดยวิธีทางกายภาพหรือ เคมี กระบวนการกระตุ้นการทำงานส่วนใหญ่เกิดจากรูพรุนขนาดเล็ก พื้นที่ผิวจำเพาะโดยทั่วไปอยู่ในช่วง 500 ถึง 3000 ตารางเมตรต่อกรัม แม้ว่าจะมีรูพรุนสูง แต่การกระจายขนาดรูพรุนค่อนข้างเรียบง่าย.
คาร์บอนที่มีรูพรุน: คาร์บอนเป็นคำทั่วไปที่ใช้เรียกวัสดุคาร์บอนที่มีโครงสร้างรูพรุนหลากหลายรูปแบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งคาร์บอนที่มีโครงสร้างรูพรุนแบบลำดับชั้น ซึ่งประกอบด้วยรูพรุนขนาดเล็ก (<2 นาโนเมตร ให้พื้นที่ผิวสูง) รูพรุนขนาดกลาง (2–50 นาโนเมตร ช่วยในการถ่ายเทมวล) และรูพรุนขนาดใหญ่ (>50 นาโนเมตร ทำหน้าที่เป็นช่องทางการขนส่ง) วัสดุดังกล่าวโดยทั่วไปจะมีพื้นที่ผิวสูงกว่าและมีเครือข่ายรูพรุนที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมยิ่งขึ้น.

การใช้ถ่านกัมมันต์เป็นสารตั้งต้นในการเตรียมคาร์บอนที่มีรูพรุนนั้น โดยพื้นฐานแล้วเป็นกระบวนการกระตุ้นครั้งที่สองหรือการกระตุ้นซ้ำ โดยมีเป้าหมายเพื่อกัดเซาะและปรับแต่งโครงสร้างรูพรุนให้ดียิ่งขึ้น.

การเตรียมสารตั้งต้น: การเจียรแบบ Ultrafine

ก่อนการกระตุ้นถ่านกัมมันต์ครั้งที่สอง การบดละเอียดมากเป็นขั้นตอนการเตรียมการที่สำคัญ ซึ่งสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการกระตุ้นและประสิทธิภาพของถ่านกัมมันต์ที่มีรูพรุนได้อย่างมีนัยสำคัญ.

หลักการ:

ถ่านกัมมันต์เชิงพาณิชย์มักมีลักษณะเป็นเม็ด โดยมีขนาดอนุภาคตั้งแต่หลายสิบถึงหลายร้อยไมโครเมตร แม้ว่าโครงสร้างรูพรุนภายในจะพัฒนาได้ดี แต่การแพร่กระจายของสารกระตุ้น (เช่น KOH) นั้นมีจำกัด การบดละเอียดมากจะช่วยลด ขนาดอนุภาค การลดขนาดโครงสร้างให้เหลือระดับไมครอนหรือแม้แต่ระดับซับไมครอน (<10 μm) จะเพิ่มพื้นที่ผิวภายนอก ทำให้มีจุดที่เกิดปฏิกิริยามากขึ้น และช่วยให้การแทรกซึมและการทำปฏิกิริยากับสารกระตุ้นเป็นไปอย่างสม่ำเสมอ นอกจากนี้ แรงทางกลยังทำให้เกิดข้อบกพร่องในโครงสร้างคาร์บอน ซึ่งช่วยเพิ่มปฏิกิริยาของโครงสร้างอีกด้วย.

อุปกรณ์ทั่วไป:

เครื่องบดลูกบอล: เครื่องบดลูกบอลแบบดาวเคราะห์หรือแบบสั่นสะเทือน นิยมใช้ในระดับห้องปฏิบัติการและระดับอุตสาหกรรม.
โรงสีเจ็ท หรือ เครื่องแยกอากาศ: ใช้สำหรับการบดละเอียดพิเศษเพื่อให้ได้อนุภาคขนาดไมครอนหรือนาโน.

ผลกระทบและข้อดี:

อนุภาคที่ละเอียดกว่าจะทำให้การแทรกซึมของ KOH มีความสม่ำเสมอมากขึ้น หลังจากการกระตุ้น พื้นที่ผิวจำเพาะสามารถเพิ่มขึ้นได้ 20–501 TP3T โดยมีสัดส่วนของรูพรุนขนาดกลางสูงขึ้น.
ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่า การปรับสภาพเบื้องต้นด้วยการบดด้วยลูกบอลสามารถปรับปรุงโครงสร้างรูพรุนแบบลำดับชั้นและเพิ่มประสิทธิภาพการขนส่งไอออนได้.

วิธีการเตรียม

วิธีการหลักในการเตรียมคาร์บอนพรุนจากสารตั้งต้นคาร์บอนกัมมันต์ ได้แก่ การกระตุ้นทางเคมี การใช้แม่แบบช่วย และการกระตุ้นแบบผสมผสานระหว่างทางกายภาพและเคมี โดยในบรรดาวิธีการเหล่านี้ การกระตุ้นทางเคมีด้วย KOH เป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด.

การกระตุ้นปฏิกิริยาทางเคมีด้วย KOH (วิธีที่พบมากที่สุด)

หลักการ:
ที่อุณหภูมิสูง KOH จะทำปฏิกิริยากับคาร์บอนเพื่อสร้างก๊าซ (เช่น CO และ CO₂) และสารประกอบที่มีโพแทสเซียม ซึ่งจะกัดเซาะโครงสร้างคาร์บอนและสร้างรูพรุนใหม่ ในขณะเดียวกัน ไอโพแทสเซียมจะแทรกตัวเข้าไปในระหว่างชั้นคาร์บอน ทำให้โครงสร้างรูพรุนขยายตัวมากขึ้น.

กลไกปฏิกิริยาแบบย่อ:

6KOH + 2C → 2K + 3H₂ + 2K₂CO₃
K₂CO₃ → K₂O + CO₂
ปฏิกิริยารีดักชันที่เกิดขึ้นภายหลังจะสร้างโลหะ K ซึ่งทำให้รูพรุนขยายใหญ่ขึ้นอีก.

ขั้นตอนการผลิต (รวมกับการบดละเอียดพิเศษ):

การบดถ่านกัมมันต์ให้ละเอียดมากจนได้ผงละเอียด.
นำผงถ่านกัมมันต์ละเอียดพิเศษมาผสมกับสารละลาย KOH (อัตราส่วนมวล KOH ต่อถ่านโดยทั่วไป: 1:1 ถึง 4:1) แล้วคนหรือบดให้ละเอียด.
อบแห้ง ตามด้วยการกระตุ้นด้วยอุณหภูมิสูงภายใต้บรรยากาศเฉื่อย (N₂ หรือ Ar) ที่อุณหภูมิ 600–900 °C เป็นเวลา 1–3 ชั่วโมง.
ทำให้เย็นลง จากนั้นล้างด้วยกรดเจือจาง (เช่น HCl) เพื่อขจัดสารประกอบโพแทสเซียมที่ตกค้าง ตามด้วยการล้างด้วยน้ำจนกระทั่งเป็นกลาง.
การทำให้แห้งเพื่อให้ได้คาร์บอนที่มีโครงสร้างรูพรุนแบบลำดับชั้น.

ปัจจัยสำคัญที่มีอิทธิพล:

อัตราส่วน KOH: อัตราส่วนที่สูงขึ้นจะเพิ่มพื้นที่ผิว แต่ KOH ที่มากเกินไปอาจทำให้โครงสร้างพังทลายได้.
อุณหภูมิในการเปิดใช้งาน: โดยทั่วไปอุณหภูมิประมาณ 800 °C ถือว่าเหมาะสมที่สุด อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะส่งเสริมการเกิดรูพรุนขนาดกลาง.
เวลาเปิดใช้งาน: ระยะเวลาที่นานเกินไปอาจกัดกร่อนคาร์บอนมากเกินไปและลดผลผลิตลงได้.
การเตรียมการบดเบื้องต้น: ช่วยปรับปรุงความสม่ำเสมอในการเปิดใช้งานได้อย่างมีนัยสำคัญ.

ประสิทธิภาพโดยทั่วไป:
สามารถผลิตคาร์บอนที่มีโครงสร้างรูพรุนแบบลำดับชั้น โดยมีพื้นที่ผิวจำเพาะ >2000 m²/g และปริมาตรรูพรุน >1 cm³/g ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะอิเล็กโทรดของซูเปอร์คาปาซิเตอร์.

สารกระตุ้นทางเคมีอื่นๆ

ZnCl₂ หรือ H₃PO₄: เหมาะสำหรับการพัฒนาโครงสร้างเมโซพอรัสต่อไป แม้ว่าจะได้ผลผลิตต่ำกว่าก็ตาม.

K₂CO₃: สารกระตุ้นที่มีฤทธิ์อ่อนกว่า เหมาะสำหรับการเตรียมคาร์บอนพรุนที่มีระดับกราไฟต์สูงขึ้น.

การเปิดใช้งานใหม่โดยใช้เทมเพลตช่วย

ถ่านกัมมันต์สามารถนำมาผสมกับแม่แบบแข็ง (เช่น อนุภาคนาโน SiO₂, MgO) หรือแม่แบบอ่อน (สารลดแรงตึงผิว) จากนั้นจึงทำการกระตุ้นด้วย KOH.

กระบวนการ: การเคลือบถ่านกัมมันต์ด้วยแม่แบบและ KOH → การเผาไหม้ที่อุณหภูมิสูง → การกำจัดแม่แบบ (การล้างด้วย HF หรือกรด).
ข้อดี: โครงสร้างรูพรุนที่เป็นระเบียบมากขึ้นและการควบคุมอัตราส่วนของรูพรุนขนาดกลางและขนาดใหญ่ได้ดีขึ้น.

การฟื้นฟูร่างกาย

การกระตุ้นขั้นที่สองโดยใช้ CO₂ หรือไอน้ำที่อุณหภูมิสูงสามารถช่วยพัฒนาไมโครพอรัสได้มากขึ้น แต่โดยทั่วไปแล้วประสิทธิภาพจะต่ำกว่าวิธีการทางเคมี.

กรณีทั่วไปและผลการดำเนินงาน

ถ่านกัมมันต์ที่ได้จากถ่านหิน เมื่อนำมาบดละเอียดมากและกระตุ้นด้วย KOH อีกครั้ง จะได้คาร์บอนที่มีโครงสร้างรูพรุนแบบลำดับชั้น โดยมีพื้นที่ผิวสูงถึง 3000 ตารางเมตรต่อกรัม เหมาะสำหรับการเร่งปฏิกิริยาลดออกซิเจน (ORR) ด้วยกระบวนการทางไฟฟ้า.
ถ่านกัมมันต์ที่ได้จากชีวมวล (เช่น ถ่านกะลามะพร้าว) เมื่อผ่านกระบวนการกระตุ้นใหม่ สามารถผลิตถ่านที่มีรูพรุนแบบลำดับชั้น โดยมีค่าความจุจำเพาะ 300–400 ฟารัด/กรัม ในซูเปอร์คาปาซิเตอร์ได้.
ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าวัสดุที่ถูกนำกลับมาใช้งานใหม่มักมีโครงสร้างรูพรุนแบบลำดับชั้นคล้ายรังผึ้ง ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการขนส่งไอออนและการแพร่กระจายของก๊าซ.

โอกาสในการสมัครงาน

การเก็บพลังงาน: ซูเปอร์คาปาซิเตอร์, ขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียม/โซเดียมไอออน.
ปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้า: ปฏิกิริยาการเกิดออกซิเจน (OER) และปฏิกิริยาลดออกซิเจน (ORR).
การดูดซับและการแยก: การดักจับ CO₂ การกำจัดโลหะหนัก การดูดซับสีย้อม.
ความยั่งยืนด้านสิ่งแวดล้อม: การนำถ่านกัมมันต์ที่ใช้แล้วกลับมาใช้ใหม่เพื่อการรีไซเคิลทรัพยากร.

บทสรุป

การใช้ถ่านกัมมันต์เป็นสารตั้งต้นในการเตรียมคาร์บอนพรุนเป็นวิธีการแปรรูปขั้นที่สองที่มีประสิทธิภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อรวมกับการบดละเอียดมากและการกระตุ้นทางเคมีด้วย KOH การบดละเอียดมากมีบทบาทสำคัญในการปรับปรุงความสม่ำเสมอของการกระตุ้นและการพัฒนาโครงสร้างรูพรุน.

ผงมหากาพย์’อุปกรณ์บดละเอียดพิเศษของบริษัท รวมถึงเครื่องบดลูกบอลและ ลักษณนามอากาศ เครื่องบดสามารถลดขนาดถ่านกัมมันต์ให้มีขนาดไมครอนหรือต่ำกว่าไมครอน ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการแพร่กระจายและการเกิดปฏิกิริยาของ KOH ทำให้สามารถผลิตถ่านกัมมันต์ที่มีโครงสร้างรูพรุนแบบลำดับชั้นที่มีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงและการกระจายขนาดรูพรุนที่เหมาะสมได้อย่างเสถียร.

ด้วยโซลูชันการแปรรูปผงที่เชื่อถือได้และปรับขนาดได้ Epic Powder สนับสนุนการเตรียมคาร์บอนพรุนประสิทธิภาพสูงในระดับอุตสาหกรรมสำหรับการใช้งานด้านการจัดเก็บพลังงาน การเร่งปฏิกิริยา และการดูดซับ.

ขอบคุณที่อ่านนะคะ หวังว่าบทความของฉันจะเป็นประโยชน์นะคะ แสดงความคิดเห็นไว้ด้านล่างได้เลยค่ะ หรือหากมีข้อสงสัยเพิ่มเติม สามารถติดต่อตัวแทนฝ่ายบริการลูกค้าออนไลน์ของ Zelda ได้ค่ะ
— โพสต์โดย เอมิลี่ เฉิน