Optimización de la estructura porosa del carbono -II

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Método de activación física y química

El método de activación física y química se refiere al método de preparación de materiales porosos mediante la combinación de los dos métodos de activación anteriores. Generalmente, primero se realiza la activación química y luego la activación física. Primero, se sumerge la celulosa en una solución de H₃PO₃ al 68 %-85 % a 85 °C durante 2 h, luego se carboniza en un horno de mufla durante 4 h y finalmente se activa con CO₂. La superficie específica del carbón activado obtenido fue de hasta 3700 m²·g⁻¹. Se intenta utilizar fibra de sisal como materia prima y se activa la fibra de carbón activado (FCA) obtenida mediante activación con H₃PO₃ una vez, se calienta a 830 °C bajo protección de N₂ y luego se utiliza vapor de agua como activador para la activación secundaria. El área superficial específica de la FCA obtenida después de 60 min de activación mejoró significativamente.

 

Caracterización del desempeño de la estructura de poros de los polímeros activados.carbón

 
Los métodos de caracterización del rendimiento del carbón activado y las direcciones de aplicación comúnmente utilizados se muestran en la Tabla 2. Las características de la estructura de los poros del material se pueden probar desde dos aspectos: análisis de datos y análisis de imágenes.

 

Avances en la investigación de la tecnología de optimización de la estructura porosa del carbón activado

Aunque el carbón activado posee una porosidad abundante y una gran superficie específica, ofrece un excelente rendimiento en diversos campos. Sin embargo, debido a la alta selectividad de la materia prima y a las complejas condiciones de preparación, los productos terminados suelen presentar las desventajas de una estructura porosa caótica, diferentes superficies específicas, una distribución desordenada del tamaño de poro y propiedades químicas superficiales limitadas. Por lo tanto, existen desventajas como la alta dosificación y la escasa adaptabilidad en el proceso de aplicación, lo que impide satisfacer las necesidades del mercado. Por lo tanto, resulta de gran importancia práctica optimizar y regular la estructura y mejorar su rendimiento de utilización integral. Los métodos comúnmente utilizados para optimizar y regular la estructura porosa incluyen la regulación química, la mezcla de polímeros y la regulación por activación catalítica.

 

Tecnología de regulación química

La tecnología de regulación química se refiere al proceso de activación secundaria (modificación) de materiales porosos obtenidos tras la activación con reactivos químicos, erosionando los poros originales, expandiendo los microporos o creando nuevos para aumentar la superficie específica y la estructura porosa del material. Generalmente, el producto final de una activación se sumerge en una solución química de 0,5 a 4 veces para regular la estructura porosa y aumentar la superficie específica. Se pueden utilizar todo tipo de soluciones ácidas y alcalinas como reactivos para la activación secundaria.

 

Tecnología de modificación de la oxidación superficial ácida

La modificación por oxidación superficial ácida es un método de regulación comúnmente utilizado. A una temperatura adecuada, los oxidantes ácidos pueden enriquecer los poros del carbón activado, mejorar su tamaño y desobstruir los poros. Actualmente, la investigación nacional e internacional se centra principalmente en la modificación de ácidos inorgánicos. El HN0₃ es un oxidante común, y muchos investigadores lo utilizan para modificar el carbón activado. Tong Li et al. [28] descubrieron que el HN0₃ puede aumentar el contenido de grupos funcionales con oxígeno y nitrógeno en la superficie del carbón activado y mejorar el efecto de adsorción del mercurio.

Modificando carbón activado con HN03, después de la modificación, el área superficial específica del carbón activado disminuyó de 652 m2·g-1 a 241 m2·g-1, el tamaño promedio de poro aumentó de 1.27 nm a 1.641 nm, y la capacidad de adsorción de benzofenona en gasolina simulada aumentó en un 33.7%. Modificando carbón activado de madera con 10% y 70% de concentración de volumen de HN03, respectivamente. Los resultados muestran que el área superficial específica del carbón activado modificado con 10% HN03 aumentó de 925.45 m2·g-1 a 960.52 m2·g-1; después de la modificación con 70% HN03, el área superficial específica disminuyó a 935.89 m2·g-1. Las tasas de remoción de Cu2+ por carbón activado modificado con dos concentraciones de HN03 fueron superiores al 70% y 90%, respectivamente.

En el caso del carbón activado utilizado en la adsorción, el efecto de adsorción depende no solo de la estructura porosa, sino también de las propiedades químicas superficiales del adsorbente. La estructura porosa determina el área superficial específica y la capacidad de adsorción del carbón activado, mientras que las propiedades químicas superficiales afectan la interacción entre el carbón activado y el adsorbato. Finalmente, se descubrió que la modificación ácida del carbón activado no solo puede ajustar la estructura porosa interna y despejar los poros bloqueados, sino también aumentar el contenido de grupos ácidos en la superficie del material y mejorar la polaridad e hidrofilicidad de la superficie. La capacidad de adsorción del EDTA por el carbón activado modificado con HCl aumentó un 49,5 % en comparación con la anterior a la modificación, lo que fue mejor que la de la modificación con HNO₃.

Carbón activado comercial modificado con HNO₃ y H₂O₂, respectivamente. Las áreas superficiales específicas después de la modificación fueron del 91,3 % y el 80,8 % de las obtenidas antes de la modificación, respectivamente. Se añadieron a la superficie nuevos grupos funcionales oxigenados, como carboxilo, carbonilo y fenol. La capacidad de adsorción de nitrobenceno mediante la modificación con HNO₃ fue la mejor, 3,3 veces superior a la obtenida antes de la modificación. Se ha observado que el aumento del contenido de grupos funcionales oxigenados en el carbón activado tras la modificación ácida condujo a un aumento del número de puntos tensioactivos, lo que influyó directamente en la mejora de la capacidad de adsorción del adsorbato objetivo.

En comparación con los ácidos inorgánicos, existen pocos informes sobre la modificación del carbón activado con ácidos orgánicos. Compare los efectos de la modificación con ácidos orgánicos en las propiedades de la estructura porosa del carbón activado y la adsorción de metanol. Después de la modificación, el área superficial específica y el volumen poroso total del carbón activado disminuyeron. Cuanto más fuerte es la acidez, mayor es la disminución. Después de la modificación con ácido oxálico, ácido tartárico y ácido cítrico, el área superficial específica del carbón activado disminuyó de 898,59 m²·g-1 a 788,03 m²·g-1, 685,16 m²·g-1 y 622,98 m²·g-1 respectivamente. Sin embargo, la microporosidad del carbón activado aumentó después de la modificación. La microporosidad del carbón activado modificado con ácido cítrico aumentó del 75,9 % al 81,5 %.

La modificación con ácido oxálico y ácido tartárico favorece la adsorción de metanol, mientras que el ácido cítrico tiene un efecto inhibidor. Sin embargo, J. Paul Chen et al. [35] descubrieron que el carbón activado modificado con ácido cítrico puede mejorar la adsorción de iones de cobre. Lin Tang et al. [36] modificaron carbón activado comercial con ácido fórmico, ácido oxálico y ácido aminosulfónico. Tras la modificación, se redujeron la superficie específica y el volumen de poro. Se formaron grupos funcionales con oxígeno, como O-HC-O, C-O y S=O, en la superficie del producto terminado, y aparecieron canales grabados irregulares y cristales blancos. La capacidad de adsorción en equilibrio de acetona e isopropanol también aumentó significativamente.

 

Tecnología de modificación de soluciones alcalinas

Algunos investigadores también han utilizado soluciones alcalinas para la activación secundaria del carbón activado. Impregnan carbón activado casero a base de carbón con soluciones de Na2O2H de diferentes concentraciones para controlar la estructura porosa. Los resultados mostraron que una menor concentración de álcali favorece el aumento y la expansión de los poros. El mejor efecto se logró con una concentración másica del 20 %. El carbón activado presentó la mayor superficie específica (681 m²·g⁻¹) y volumen poroso (0,5916 cm³·g⁻¹). Cuando la concentración másica de Na2O2H supera el 20 %, la estructura porosa del carbón activado se destruye y sus parámetros comienzan a disminuir. Esto se debe a que la alta concentración de Na2O2H corroe el esqueleto del carbón y colapsa una gran cantidad de poros.

Preparación de carbón activado de alto rendimiento mediante mezcla de polímeros. Los precursores fueron resina de furfural y alcohol furfurílico, y el etilenglicol fue el agente poroso. La estructura porosa se controló ajustando el contenido de los tres polímeros, obteniéndose un material poroso con un tamaño de poro entre 0,008 y 5 μm. Algunos investigadores han demostrado que la película de poliuretano-imida (PUI) puede carbonizarse para obtener una película de carbono, y que la estructura porosa puede controlarse modificando la estructura molecular del prepolímero de poliuretano (PU) [41]. Al calentar el PUI a 200 °C, se generan PU y poliimida (PI). Al alcanzar la temperatura del tratamiento térmico los 400 °C, la pirólisis del PU produce gas, lo que da lugar a la formación de una estructura porosa en la película de PI. Tras la carbonización, se obtiene una película de carbono. Además, el método de mezcla de polímeros puede mejorar en cierta medida algunas propiedades físicas y mecánicas del material.

 

Tecnología de regulación de activación catalítica

La tecnología de regulación por activación catalítica combina el método de activación química con el método de activación por gas a alta temperatura. Generalmente, se añaden sustancias químicas a las materias primas como catalizadores, que se utilizan para facilitar el proceso de carbonización o activación y obtener materiales de carbono porosos. En general, los metales suelen tener efectos catalíticos, pero estos varían.

De hecho, no suele existir una frontera clara entre la regulación de la activación química y la regulación de la activación catalítica de materiales porosos. Esto se debe a que ambos métodos añaden reactivos durante el proceso de carbonización y activación. La función específica de estos reactivos determina si el método pertenece a la categoría de activación catalítica.

La estructura del propio material de carbono poroso, las propiedades físicas y químicas del catalizador, las condiciones de reacción catalítica y el método de carga del catalizador pueden tener diferentes grados de influencia en el efecto de regulación. Usando carbón bituminoso como materia prima, Mn(N03)2 y Cu(N03)2 como catalizadores pueden preparar materiales porosos que contienen óxidos metálicos. La cantidad apropiada de óxidos metálicos puede mejorar la porosidad y el volumen de poro, pero los efectos catalíticos de diferentes metales son ligeramente diferentes. Cu(N03)2 puede promover el desarrollo de poros en el rango de 1.5~2.0nm. Además, los óxidos metálicos y las sales inorgánicas contenidas en la ceniza de la materia prima también desempeñarán un papel catalítico en el proceso de activación. Xie Qiang et al. [42] creían que la reacción de activación catalítica de elementos como calcio y hierro en materia inorgánica puede promover el desarrollo de poros. Cuando el contenido de estos dos elementos es demasiado alto, la proporción de poros medianos y grandes en el producto aumenta significativamente.

 

Conclusión

Si bien el carbón activado, el material de carbón poroso ecológico más utilizado, ha desempeñado un papel importante en la industria y la vida cotidiana, aún presenta un gran potencial de mejora en términos de expansión de materias primas, reducción de costos, mejora de la calidad, aumento del consumo energético, prolongación de la vida útil y aumento de la resistencia. Encontrar materias primas de carbón activado de alta calidad y bajo costo, desarrollar tecnologías de producción limpias y eficientes, y optimizar y regular la estructura porosa del carbón activado según sus diferentes campos de aplicación será un paso clave para mejorar la calidad de los productos de carbón activado y promover el desarrollo de alta calidad de la industria del carbón activado.