行政院環境保護署九十四年度「環保科技育成中心計畫」

廢 麥 粕 合 成 奈 米 孔 徑 吸 附 劑 之 技 術 開 發 與 應 用
3.3.2 碳 化 (carbonization)
所 謂 的 碳 化 即 是 將 有 機 化 合 物 藉 由 熱 處 理 轉 換 成 多 孔 性 的 碳 質 (Lewis,
1982), 亦 可 稱 為 熱 裂 解 反 應 (pyrolysis), 在 惰 性 氣 氛 下 加 熱 , 使 物 質 中 之 非 碳 原 子 ,
主 要 是 氫 、 氧 、 氮 、 硫 以 揮 發 物 (volatile) 和 焦 油 (char) 形 式 釋 出 。 當 非 碳 原 子 釋 出
後 , 此 物 質 就 形 成 由 芳 香 族 頁 片 和 鏈 條 (aromatic sheets and strips) 所 構 成 的 焦 炭 結
構 , 而 焦 炭 的 孔 隙 就 是 由 介 於 層 間 的 切 縫 (gap) 所 造 的 ; 由 此 得 知 , 經 過 碳 化 步 驟
後 所 得 之 焦 碳 產 物 已 具 備 了 基 本 的 孔 隙 結 構 。 而 影 響 碳 化 的 主 要 因 素 包 括 : 原 料
的 性 質 、 升 溫 速 率 、 碳 化 溫 度 、 爐 內 停 留 時 間 , 這 些 因 素 都 會 影 響 活 性 碳 熱 裂 解
的 程 度 、 焦 炭 的 基 本 結 構 以 及 產 率 。 碳 化 過 程 可 依 溫 度 分 為 三 階 段 (Caturla et al.,
1991):
Step 1:25~200℃, 此 階 段 之 碳 化 主 要 是 水 分 的 損 失 。
Step 2:200~500℃, 此 階 段 的 重 量 損 失 主 要 是 揮 發 物 與 焦 油 開 始 釋 出 , 使 得 整 個
密 度 下 降 , 形 成 基 本 的 焦 碳 結 構 。
Step 3:500~900℃, 由 於 焦 碳 的 結 構 已 鞏 固 , 因 此 重 量 損 失 非 常 微 量 , 整 體 的 密
度 會 有 些 微 的 上 升 。
隨 著 碳 化 溫 度 的 提 高 或 是 時 間 的 延 長 , 特 別 是 在 Step 2, 活 性 碳 重 量 會 有 明 顯
的 損 失 , 所 以 密 度 會 降 低 , 但 當 整 體 密 度 降 低 至 一 定 程 度 之 後 , 就 會 有 些 許 的 增
加 , 這 可 能 是 由 於 焦 結 現 象 (caking) (Unger et al., 1981) 導 致 孔 隙 度 降 低 , 或 者 是
因 為 焦 油 沉 澱 或 分 解 填 充 孔 隙 所 造 成 的 影 響 。
綜 合 上 述 觀 點 得 知 , 碳 化 反 應 為 芳 香 族 形 成 加 上 聚 合 作 用 (polymerization) 的 程
序 ( 圖 3-5)。 較 小 的 芳 香 族 結 構 被 聚 合 成 芳 香 族 高 分 子 , 最 後 形 成 三 次 元 的 石 墨 結
構 , 整 個 碳 化 過 程 是 極 為 複 雜 的 反 應 , 首 先 由 鏈 狀 分 子 轉 換 為 環 狀 芳 香 族 , 整 個
反 應 機 制 如 下 :
(1) C-H、C-C 鍵 斷 裂 , 形 成 自 由 基
(2) 分 子 重 新 排 列
(3) 熱 聚 合 作 用
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