تحسين بنية مسام الكربون المسامي - الجزء الثاني

مرحباً بكم في موقعنا الإلكتروني للاطلاع على معلومات المنتجات والاستشارات.

موقعنا الإلكتروني:https://www.vet-china.com/

 

طريقة التنشيط الفيزيائي والكيميائي

تشير طريقة التنشيط الفيزيائي والكيميائي إلى طريقة تحضير المواد المسامية من خلال الجمع بين طريقتي التنشيط المذكورتين أعلاه. عادةً، يُجرى التنشيط الكيميائي أولًا، ثم التنشيط الفيزيائي. في البداية، يُنقع السليلوز في محلول حمض الفوسفوريك (H3PO4) بتركيز 68% إلى 85% عند درجة حرارة 85 درجة مئوية لمدة ساعتين، ثم يُكربن في فرن كهربائي لمدة 4 ساعات، ثم يُنشط بثاني أكسيد الكربون. بلغت مساحة السطح النوعية للكربون المنشط الناتج 3700 متر مربع/غرام. عند تجربة استخدام ألياف السيزال كمادة خام، تم تنشيط ألياف الكربون المنشط (ACF) المُحضرة باستخدام حمض الفوسفوريك (H3PO4) مرة واحدة، ثم سُخنت إلى 830 درجة مئوية تحت غطاء من النيتروجين، ثم استُخدم بخار الماء كمنشط للتنشيط الثانوي. وقد تحسنت مساحة السطح النوعية لألياف الكربون المنشط (ACF) بشكل ملحوظ بعد 60 دقيقة من التنشيط.

 

توصيف أداء بنية المسام للمواد المنشطةالكربون

 
يوضح الجدول 2 طرق توصيف أداء الكربون المنشط واتجاهات التطبيق الشائعة الاستخدام. ويمكن اختبار خصائص بنية المسام للمادة من جانبين: تحليل البيانات وتحليل الصور.

 

التقدم البحثي في ​​تكنولوجيا تحسين بنية المسام للكربون المنشط

على الرغم من أن الكربون المنشط يتميز بمسامات غنية ومساحة سطحية نوعية هائلة، إلا أنه يتمتع بأداء ممتاز في العديد من المجالات. مع ذلك، ونظرًا لتنوع المواد الخام المستخدمة فيه وتعقيد ظروف تحضيره، فإن المنتجات النهائية تعاني عمومًا من عيوبٍ تتمثل في بنية مسامية غير منتظمة، ومساحة سطحية نوعية متفاوتة، وتوزيع غير منتظم لأحجام المسام، وخصائص كيميائية سطحية محدودة. لذا، توجد عيوبٌ أخرى، مثل الحاجة إلى جرعات كبيرة ونطاق استخدام محدود، مما لا يلبي متطلبات السوق. لذلك، يُعد تحسين بنية الكربون المنشط وتنظيمها، وتعزيز أدائه الشامل، ذا أهمية عملية بالغة. تشمل الطرق الشائعة لتحسين بنية المسام وتنظيمها: التنظيم الكيميائي، ومزج البوليمرات، والتنشيط التحفيزي.

 

تكنولوجيا تنظيم المواد الكيميائية

تشير تقنية التنظيم الكيميائي إلى عملية التنشيط الثانوي (التعديل) للمواد المسامية التي يتم الحصول عليها بعد تنشيطها بمواد كيميائية، وذلك عن طريق إزالة المسام الأصلية، أو توسيع المسام الدقيقة، أو إنشاء مسام دقيقة جديدة لزيادة مساحة السطح النوعية وبنية المسام للمادة. وبشكل عام، يُغمر المنتج النهائي بعد عملية التنشيط في محلول كيميائي بتركيز يتراوح بين 0.5 و4 أضعاف تركيزه الأصلي لتنظيم بنية المسام وزيادة مساحة السطح النوعية. ويمكن استخدام جميع أنواع المحاليل الحمضية والقلوية كمواد كيميائية للتنشيط الثانوي.

 

تقنية تعديل أكسدة الأسطح الحمضية

يُعدّ تعديل سطح الكربون المنشط بالأكسدة الحمضية طريقة شائعة الاستخدام. عند درجة حرارة مناسبة، تُثري المؤكسدات الحمضية المسام داخل الكربون المنشط، وتُحسّن حجمها، وتُزيل المسام المسدودة. حاليًا، تُركّز الأبحاث المحلية والدولية بشكل أساسي على تعديل الكربون المنشط باستخدام الأحماض غير العضوية. يُعدّ حمض النيتريك (HNO3) مؤكسدًا شائع الاستخدام، ويستخدمه العديد من الباحثين لتعديل الكربون المنشط. وقد وجد تونغ لي وآخرون [28] أن حمض النيتريك يزيد من محتوى المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين والنيتروجين على سطح الكربون المنشط، ويُحسّن من قدرة امتصاص الزئبق.

بعد تعديل الكربون المنشط باستخدام حمض النيتريك (HNO3)، انخفضت مساحة السطح النوعية للكربون المنشط من 652 م²/غ إلى 241 م²/غ، وزاد متوسط ​​حجم المسام من 1.27 نانومتر إلى 1.641 نانومتر، وارتفعت قدرة امتصاص البنزوفينون في البنزين المُحاكى بنسبة 33.7%. كما تم تعديل الكربون المنشط المُستخلص من الخشب بتركيز حجمي من حمض النيتريك (HNO3) بنسبة 10% و70% على التوالي. أظهرت النتائج أن مساحة السطح النوعية للكربون المنشط المُعدّل بتركيز 10% من حمض النيتريك (HNO3) زادت من 925.45 م²/غ إلى 960.52 م²/غ؛ بينما انخفضت مساحة السطح النوعية بعد التعديل بتركيز 70% من حمض النيتريك (HNO3) إلى 935.89 م²/غ. وبلغت معدلات إزالة أيونات النحاس (Cu²⁺) بواسطة الكربون المنشط المُعدّل بالتركيزين المذكورين من حمض النيتريك (HNO3) أكثر من 70% و90% على التوالي.

بالنسبة للكربون المنشط المستخدم في مجال الامتزاز، لا يعتمد تأثير الامتزاز على بنية المسام فحسب، بل يعتمد أيضًا على الخصائص الكيميائية السطحية للمادة المازة. تحدد بنية المسام المساحة السطحية النوعية وقدرة الامتزاز للكربون المنشط، بينما تؤثر الخصائص الكيميائية السطحية على التفاعل بين الكربون المنشط والمادة الممتزة. وقد وُجد أن تعديل الكربون المنشط بالحمض لا يُحسّن بنية المسام داخله ويزيل المسام المسدودة فحسب، بل يزيد أيضًا من محتوى المجموعات الحمضية على سطح المادة، ويعزز قطبية السطح ومحبته للماء. وقد زادت قدرة امتزاز EDTA بواسطة الكربون المنشط المُعدّل بحمض الهيدروكلوريك بنسبة 49.5% مقارنةً بما قبل التعديل، وهو ما يفوق قدرة الامتزاز بعد التعديل بحمض النيتريك.

تم تعديل الكربون المنشط التجاري باستخدام حمض النيتريك (HNO3) وبيروكسيد الهيدروجين (H2O2) على التوالي! بلغت مساحة السطح النوعية بعد التعديل 91.3% و80.8% من مساحتها قبل التعديل، على التوالي. أُضيفت مجموعات وظيفية جديدة تحتوي على الأكسجين، مثل الكربوكسيل والكربونيل والفينول، إلى السطح. كانت قدرة امتزاز النيتروبنزين بعد التعديل بحمض النيتريك هي الأفضل، حيث بلغت 3.3 أضعاف قدرتها قبل التعديل. وُجد أن زيادة محتوى المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين في الكربون المنشط بعد التعديل الحمضي أدت إلى زيادة عدد نقاط النشاط السطحي، مما كان له تأثير مباشر على تحسين قدرة امتزاز المادة المستهدفة.

مقارنةً بالأحماض غير العضوية، توجد تقارير قليلة حول تعديل الكربون المنشط بالأحماض العضوية. تقارن هذه الدراسة تأثيرات تعديل الكربون المنشط بالأحماض العضوية على خصائص بنية المسام وامتصاص الميثانول. بعد التعديل، انخفضت مساحة السطح النوعية وحجم المسام الكلي للكربون المنشط، وكلما زادت الحموضة، زاد الانخفاض. بعد التعديل بحمض الأكساليك، وحمض الطرطريك، وحمض الستريك، انخفضت مساحة السطح النوعية للكربون المنشط من 898.59 م²/غ إلى 788.03 م²/غ، و685.16 م²/غ، و622.98 م²/غ على التوالي. مع ذلك، زادت المسامية الميكروية للكربون المنشط بعد التعديل، حيث ارتفعت من 75.9% إلى 81.5% في حالة الكربون المنشط المُعدَّل بحمض الستريك.

يُعدّ تعديل الكربون المنشط بحمض الأكساليك وحمض الطرطريك مفيدًا لامتزاز الميثانول، بينما يُثبّط حمض الستريك هذه العملية. مع ذلك، وجد ج. بول تشين وآخرون [35] أن الكربون المنشط المُعدّل بحمض الستريك يُحسّن امتزاز أيونات النحاس. قام لين تانغ وآخرون [36] بتعديل الكربون المنشط التجاري بحمض الفورميك وحمض الأكساليك وحمض الأمينوسلفونيك. بعد التعديل، انخفضت مساحة السطح النوعية وحجم المسام. تشكّلت مجموعات وظيفية حاوية على الأكسجين، مثل 0-HC-0 وC-0 وS=0، على سطح المنتج النهائي، وظهرت قنوات محفورة غير منتظمة وبلورات بيضاء. كما زادت سعة امتزاز الأسيتون والإيزوبروبانول عند التوازن بشكل ملحوظ.

 

تقنية تعديل المحلول القلوي

استخدم بعض الباحثين أيضًا المحلول القلوي لإجراء تنشيط ثانوي للكربون المنشط. حيث تم تشريب الكربون المنشط المصنوع محليًا من الفحم بمحلول هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) بتراكيز مختلفة للتحكم في بنية المسام. وأظهرت النتائج أن التركيز المنخفض للقلويات يُسهم في زيادة حجم المسام وتوسعها. وقد تحققت أفضل النتائج عند تركيز كتلي قدره 20%. وتميز الكربون المنشط بأعلى مساحة سطحية نوعية (681 م²/غ) وأعلى حجم مسام (0.5916 سم³/غ). وعندما يتجاوز التركيز الكتلي لهيدروكسيد الصوديوم 20%، تتلف بنية مسام الكربون المنشط وتبدأ معاييرها بالانخفاض. ويعود ذلك إلى أن التركيز العالي لمحلول هيدروكسيد الصوديوم يُؤدي إلى تآكل هيكل الكربون وانهيار عدد كبير من المسام.

تحضير الكربون المنشط عالي الأداء عن طريق مزج البوليمرات. كانت المواد الأولية المستخدمة هي راتنج الفرفورال وكحول الفرفوريل، بينما كان الإيثيلين جليكول هو عامل تكوين المسام. تم التحكم في بنية المسام عن طريق ضبط محتوى البوليمرات الثلاثة، وتم الحصول على مادة مسامية بحجم مسام يتراوح بين 0.008 و 5 ميكرومتر. أثبت بعض الباحثين إمكانية تكربن غشاء البولي يوريثان-إيميد (PUI) للحصول على غشاء كربوني، كما يمكن التحكم في بنية المسام عن طريق تغيير التركيب الجزيئي للبوليمر الأولي من البولي يوريثان (PU) [41]. عند تسخين PUI إلى 200 درجة مئوية، يتكون كل من PU والبولي إيميد (PI). وعند ارتفاع درجة حرارة المعالجة الحرارية إلى 400 درجة مئوية، ينتج عن التحلل الحراري لـ PU غاز، مما يؤدي إلى تكوين بنية مسامية على غشاء PI. بعد التكربن، يتم الحصول على غشاء كربوني. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لطريقة مزج البوليمرات تحسين بعض الخصائص الفيزيائية والميكانيكية للمادة إلى حد ما.

 

تقنية تنظيم التنشيط التحفيزي

تُعدّ تقنية تنظيم التنشيط التحفيزي مزيجًا من التنشيط الكيميائي والتنشيط بالغاز عند درجات حرارة عالية. تُضاف المواد الكيميائية عادةً إلى المواد الخام كمحفزات، وتُستخدم هذه المحفزات للمساعدة في عملية التفحيم أو التنشيط للحصول على مواد كربونية مسامية. وبشكل عام، تتمتع المعادن بتأثيرات تحفيزية، إلا أن هذه التأثيرات تختلف من مادة لأخرى.

في الواقع، لا يوجد عادةً حد فاصل واضح بين تنظيم التنشيط الكيميائي وتنظيم التنشيط التحفيزي للمواد المسامية. ويعود ذلك إلى أن كلتا الطريقتين تضيفان مواد كيميائية أثناء عملية التفحيم والتنشيط. ويُحدد الدور المحدد لهذه المواد الكيميائية ما إذا كانت الطريقة تنتمي إلى فئة التنشيط التحفيزي.

تؤثر بنية مادة الكربون المسامية نفسها، والخصائص الفيزيائية والكيميائية للمحفز، وظروف التفاعل التحفيزي، وطريقة تحميل المحفز، بدرجات متفاوتة على فعالية التنظيم. باستخدام الفحم البيتوميني كمادة خام، يمكن تحضير مواد مسامية تحتوي على أكاسيد معدنية باستخدام Mn(NO3)2 وCu(NO3)2 كمحفزات. تُحسّن الكمية المناسبة من أكاسيد المعادن المسامية وحجم المسام، إلا أن التأثيرات التحفيزية للمعادن المختلفة تتباين قليلاً. يُعزز Cu(NO3)2 نمو المسام في نطاق 1.5 إلى 2.0 نانومتر. إضافةً إلى ذلك، تلعب أكاسيد المعادن والأملاح غير العضوية الموجودة في رماد المادة الخام دورًا تحفيزيًا في عملية التنشيط. يعتقد شي تشيانغ وآخرون [42] أن تفاعل التنشيط التحفيزي لعناصر مثل الكالسيوم والحديد في المواد غير العضوية يُعزز نمو المسام. وعندما يكون محتوى هذين العنصرين مرتفعًا جدًا، تزداد نسبة المسام المتوسطة والكبيرة في المنتج بشكل ملحوظ.

 

خاتمة

على الرغم من الدور المهم الذي يلعبه الكربون المنشط، باعتباره أكثر مواد الكربون المسامية الخضراء استخدامًا، في الصناعة والحياة اليومية، إلا أنه لا يزال يتمتع بإمكانات هائلة للتحسين من خلال توسيع نطاق المواد الخام، وخفض التكاليف، وتحسين الجودة، وكفاءة الطاقة، وإطالة العمر الافتراضي، وتعزيز المتانة. وسيكون إيجاد مواد خام عالية الجودة ومنخفضة التكلفة للكربون المنشط، وتطوير تقنيات إنتاج نظيفة وفعالة له، وتحسين بنية مسامه وتنظيمها بما يتناسب مع مختلف مجالات التطبيق، اتجاهًا هامًا لتحسين جودة منتجات الكربون المنشط وتعزيز التطور عالي الجودة لهذه الصناعة.