气体活化（蒸汽、CO₂）

要点速览（TL;DR）

活化方法分两大类：化学活化（ZnCl₂、H₃PO₄ 等）与气体活化（蒸汽、CO₂）。前者低温高产率但需洗涤回收；后者更“干净”但需要 800–1000°C 的高温供热与严控气氛。
ZnCl₂ 经典工艺高效简单，但因锌污染问题逐渐衰退；H₃PO₄ 路线更普及，关键成本项是酸回收与洗涤系统。
气体活化的反应本质是温和氧化/气化：H₂O 或 CO₂ 先吸附并形成表面氧化物 C(O)，随后表面氧化步骤控速；H₂ 与 CO 会形成表面络合物阻碍活化，因此常在炉内引入空气/氧燃烧掉它们以“再生活化气体”并补热。
纯氧不能直接做活化气体：反应速率过快（可比 CO₂ 快 ~100 倍），容易变成失控燃烧并产生大孔；含钾盐原料会进一步放大失控风险。
小剂量无机盐（尤其 KOH、K₂CO₃）可作为“活化促进剂”加速气体活化，典型用量 0.1–5%，但会改变孔结构与强度窗口。

经典 ZnCl₂ 工艺常以泥炭/锯末等为原料：用浓 ZnCl₂ 溶液按一定比例混合、干燥后在 600–700°C 加热，随后酸洗/水洗去除锌盐并回收。部分工艺会在化学活化后追加蒸汽活化以获得更多细孔。该路线因锌化合物环境污染问题逐渐衰退。

磷酸可以处理未炭化或已炭化原料。典型思路是把细粉原料与磷酸溶液混成浆料，干燥后在 400–600°C 加热，随后萃取/洗涤去除酸（或先中和生成磷酸盐再洗出），得到活性炭。该路线同样具有“反应温度低、产率高、速度快”的优势，但酸回收与洗涤系统的成本与经验（know-how）往往决定工厂竞争力。

气体活化常用蒸汽、CO₂ 或其混合物。实验显示蒸汽对碳的反应性可显著高于 CO₂（典型口径约 8 倍）。主要反应可用下式概括：

H₂O + C → CO + H₂ ΔH = +117 kJ
2H₂O + C → CO₂ + 2H₂ ΔH = −75 kJ
CO₂ + C → 2CO ΔH = +159 kJ

这些反应总体上对供热要求高，温度低于 800°C 时速率会急剧下降，工程上几乎无法继续活化。因此炉内需要让碳颗粒与活化气体充分接触，并提供足够热通量。

气体活化会生成 CO 与 H₂。它们不仅带走能量，还会明显抑制活化速率：CO 与 H₂ 会形成 C(CO)、C(H) 等表面络合物，占据活性位点，尤其 C(H) 更稳定，会阻断 C(O) 的形成与反应。工程上常在反应器合适位置引入空气/氧燃烧掉 CO 与 H₂：

CO + 0.5O₂ → CO₂ ΔH = −285 kJ
H₂ + 0.5O₂ → H₂O ΔH = −238 kJ

这样既补充了热量，也把抑制剂转成活化气体（CO₂、H₂O），形成工艺闭环。

氧与碳的反应速度可比 CO₂ 快两个数量级，在混入蒸汽或惰性气体时少量氧会导致更大孔结构；若原料含钾盐等促进剂，更可能直接进入不可控燃烧而不是受控活化。因此氧/空气更多被用作“局部燃烧补热与气体再生”，而不是作为主活化剂。

小剂量无机盐可显著加速气体活化，工业上最重要的促进剂包括 KOH 与 K₂CO₃，典型用量 0.1–5%。它们可以以固体混合或溶液浸渍方式加入，必要时先成形并低温炭化再活化。促进剂能提高速率，但会改变孔结构与强度窗口，且对气氛选择有影响（例如部分煤基体系更偏好含 CO₂ 的混合气而非纯蒸汽）。

图1. 蒸汽活化回转窑结构示意（原始图 9.7）

图2. 多膛炉结构示意（原始图 9.8）

图3. 连续流化床炉示意（原始图 9.9）

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