Ativação química
O método de ativação química consiste em preparar carvão ativado misturando uniformemente diversas matérias-primas carbonáceas com produtos químicos e submetendo-as a processos como carbonização, ativação, reciclagem dos produtos químicos, lavagem e secagem a uma determinada temperatura. Ácido fosfórico, cloreto de zinco, hidróxido de potássio, hidróxido de sódio, ácido sulfúrico, carbonato de potássio, ácido polifosfórico e ésteres de fosfato, entre outros, podem ser utilizados como agentes ativadores. Embora as reações químicas que ocorrem sejam diferentes, algumas apresentam efeitos corrosivos, hidrolíticos ou desidratantes sobre as matérias-primas. Outras têm efeito oxidante, mas todos esses produtos químicos podem exercer um certo efeito promotor na ativação das matérias-primas. Dentre eles, os ativadores mais comumente utilizados são o ácido fosfórico, o cloreto de zinco e o hidróxido de potássio. O princípio de ativação do método de ativação química não é totalmente compreendido. Geralmente se acredita que o ativador químico tem o efeito de corroer e dissolver a celulose, podendo decompor e separar o hidrogênio e o oxigênio contidos nos hidrocarbonetos da matéria-prima, liberando-os na forma de pequenas moléculas como H₂O, CH₄, etc., e criando muitos poros. Além disso, o ativador químico pode inibir a formação de subprodutos de alcatrão e impedir que o alcatrão bloqueie os poros gerados durante o processo de pirólise, aumentando assim o rendimento de carvão ativado.
Método de ativação física
O método físico, geralmente chamado de método de ativação gasosa, consiste em combinar as matérias-primas carbonizadas com vapor de água, gases de combustão (mistura gasosa de vapor de água, CO2, N2, etc.), CO ou ar a uma temperatura elevada de 800 a 1000 °C. O contato entre as matérias-primas promove o processo de reação de ativação. O processo básico do método de ativação física inclui principalmente carbonização, ativação, remoção de impurezas, trituração (moagem em moinho de bolas), refino e outras etapas. O processo de preparação é limpo e gera pouca contaminação da fase líquida.
Durante o processo de preparação, o gás ativado em alta temperatura, ao oxidar os átomos de carbono desordenados e os heteroátomos, reage inicialmente para abrir os poros originalmente fechados. Em seguida, a superfície dos cristalitos básicos é exposta e o gás ativado continua a reagir com os átomos de carbono presentes na superfície desses cristalitos, promovendo uma reação de oxidação que expande continuamente os poros. Parte do carbono instável é gasificado, gerando CO, CO₂, H₂ e outros compostos de carbono, criando novos poros. Simultaneamente, alcatrão e materiais não carbonizados são removidos, resultando na obtenção do carvão ativado. A área superficial específica do carvão ativado resulta do aumento do volume de mesoporos e macroporos, bem como da interconexão entre macroporos, mesoporos e microporos. Devido à relativa simplicidade do processo físico, o gás de exaustão produzido é composto principalmente por CO₂ e vapor de água, causando baixa poluição ambiental. O produto final, o carvão ativado, apresenta alta área superficial específica, estrutura porosa desenvolvida e ampla gama de aplicações. Portanto, na produção mundial de carvão ativado, mais de 70% dos fabricantes utilizam métodos físicos. Uma grande quantidade de calor residual é gerada durante o processo de ativação do carvão, o qual pode suprir a energia térmica necessária para a secagem da matéria-prima, a produção de vapor em caldeiras de recuperação de calor, a lavagem e secagem do produto, etc.
Método de ativação físico-química
O método de ativação físico-química, como o próprio nome indica, é uma combinação de ativação física e química, ou seja, o carbono é primeiro tratado quimicamente e, em seguida, ativado fisicamente (vapor ou CO2). Pesquisadores estrangeiros prepararam carbono superativado com uma área superficial específica de até 3700 m²/g por meio do método de ativação combinada de H3PO4 e CO2. As etapas específicas consistem em imergir a matéria-prima de madeira em H3PO4 a 85 °C, carbonizá-la a 450 °C por 4 horas e, em seguida, ativá-la com CO2. Os métodos físico e químico são combinados, e o gás residual da carbonização do método físico é utilizado para fornecer calor para a produção química, de modo a não consumir carvão durante o processo de produção e obter carbono ativado física e quimicamente simultaneamente.
