通过结合水热炭化和热解自活化工艺，从生物质中绿色合成高性能活性炭

《Industrial Crops and Products》：Green synthesis of high-performance activated carbon from biomass by coupling hydrothermal carbonization and pyrolysis self-activation

竹材通过耦合水热碳化-热解自激活制备高比表面积活性炭，采用响应面法优化得到182℃水热碳化、1000℃热解0.6小时的最佳条件，成品比表面积达1556 m2/g，苯吸附容量141.6 mL/g·，证实了内部水分与热解CO?协同活化机制的有效性，无需外部活化剂和原料粉碎预处理，为生物质基活性炭绿色制备提供新方案。

　　这是一篇关于利用一种新型的耦合水热碳化-热解自活化（HTC-PSA）方法，从竹子废弃物中制备高性能活性炭的研究论文。文章详细描述了该方法的原理、实验设计、过程优化以及材料特性分析，并探讨了其在吸附性能方面的应用潜力。该研究的核心目标是解决传统活性炭制备过程中对外部活化剂的依赖和对原料预粉碎的需要，从而提供一种更环保、更高效的生产方式。

活性炭是一种广泛应用于气体吸附、水处理、空气净化等领域的材料，其性能主要由比表面积、孔隙结构和表面化学特性决定。然而，传统的活性炭制备方法通常需要使用外部活化剂，如蒸汽或二氧化碳，这不仅增加了生产成本，还可能带来环境污染。此外，许多方法要求对原料进行预粉碎处理，以提高热传递效率和活化效果，这在一定程度上增加了能耗和操作难度。

为了解决这些问题，研究人员提出了一种基于水热碳化（Hydrothermal Carbonization, HTC）和热解自活化（Pyrolysis Self-Activation, PSA）的耦合方法。该方法通过在水热碳化过程中保留原料内部的水分，并在后续热解过程中利用这些水分以及热解过程中产生的二氧化碳作为内部活化剂，从而实现无需外部活化剂的自活化过程。这种方法不仅减少了对化学试剂的依赖，还避免了对原料进行预粉碎处理，为活性炭的绿色制备提供了一种新的思路。

在实验过程中，研究人员选择了竹子废弃物作为原料，并通过响应面法（Response Surface Methodology, RSM）对HTC-PSA过程的关键参数进行了系统优化。这些参数包括水热温度、热解温度和热解时间。通过优化，研究人员获得了比表面积达到1556平方米/克的活性炭材料，并且其吸附能力在特定条件下达到了141.6毫升/克。这些性能指标表明，该方法能够有效提升活性炭的吸附能力，同时保持较高的碳产率。

为了进一步理解该方法的机理，研究人员对活性炭的微观结构、孔隙分布以及表面化学性质进行了详细表征。通过扫描电子显微镜（SEM）和高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）观察到活性炭具有不规则的开放通道结构和明显的孔隙分布。红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）分析显示，活性炭的表面化学性质主要由羟基、醚键和芳香族结构组成，且随着热解温度的升高，这些含氧官能团的含量显著减少，表明活性炭的表面极性降低，有利于吸附非极性物质如苯。

热解过程中产生的气体，如氢气（H?）和二氧化碳（CO?），在活性炭的形成过程中起到了关键作用。研究表明，内部水分的存在可以显著提高热解反应的效率，并促进孔隙结构的形成。而二氧化碳则在高温下与碳材料发生反应，进一步扩大孔隙结构。这种协同作用使得活性炭的比表面积和孔隙体积得到显著提升，从而增强了其吸附能力。

在吸附性能方面，研究团队使用苯作为模型挥发性有机化合物（VOCs），评估了活性炭的吸附效果。实验结果显示，活性炭在25摄氏度和648.1帕的条件下，具有较高的苯吸附容量，且吸附过程是自发进行的，具有放热性质，并且主要由物理吸附机制主导。这些结果表明，该活性炭在吸附VOCs方面表现出良好的性能，有望应用于工业废气处理和室内空气净化等场景。

此外，研究还对比了不同活化方法的性能，包括外部水分活化（H?O-Py）和传统热解自活化（PSA）方法。结果表明，HTC-PSA方法在比表面积和吸附容量方面均优于其他方法。例如，H?O-Py方法虽然能产生更多的气体产物，但其活性炭的比表面积较低，而PSA方法虽然能够形成较多的微孔，但由于热解效率较低，其吸附能力有限。相比之下，HTC-PSA方法通过水热碳化和热解自活化的协同作用，实现了高效的活性炭制备，同时保持了较高的比表面积和吸附性能。

综上所述，该研究提出了一种基于水热碳化和热解自活化耦合的新方法，成功制备了高性能的竹子活性炭。该方法不仅避免了对外部活化剂的依赖，还减少了原料预处理的需求，为活性炭的绿色制备提供了一种可行的路径。研究结果表明，该活性炭在吸附苯等VOCs方面表现出优异的性能，具有广阔的应用前景。未来的研究方向可能包括该方法的工业化应用和长期稳定性测试，以验证其在实际环境中的可行性。