Optimización de la estructura de poros del carbono poroso - II

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Método de activación física y química

El método de activación físico-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 física. Primero se sumerge la celulosa en una solución de H3PO4 al 68%~85% a 85℃ durante 2 h, luego se carboniza en un horno de mufla durante 4 h y luego se activa con CO2. El área superficial específica del carbón activado obtenido fue tan alta como 3700 m2·g-1. Intentamos usar fibra de sisal como materia prima, y ​​activamos la fibra de carbón activado (ACF) obtenida por activación con H3PO4 una vez, la calentamos a 830℃ bajo protección de N2, y luego usamos vapor de agua como activador para la activación secundaria. El área superficial específica de la ACF obtenida después de 60 min de activación mejoró significativamente.

 

Caracterización del rendimiento de la estructura de poros de activadocarbón

 
En la Tabla 2 se muestran los métodos de caracterización del rendimiento del carbón activado más utilizados y sus aplicaciones. Las características de la estructura porosa del material se pueden analizar desde dos perspectivas: análisis de datos y análisis de imágenes.

 

Avances en la investigación de la tecnología de optimización de la estructura de poros del carbón activado.

Aunque el carbón activado posee una gran cantidad de poros y una enorme superficie específica, ofrece un rendimiento excelente en diversos campos. Sin embargo, debido a la amplia selectividad de sus materias primas y a las complejas condiciones de preparación, los productos finales suelen presentar desventajas como una estructura de poros caótica, una superficie específica variable, una distribución desordenada del tamaño de poro y propiedades químicas superficiales limitadas. Por consiguiente, existen inconvenientes como la necesidad de una dosificación elevada y una escasa adaptabilidad en el proceso de aplicación, lo que impide satisfacer las exigencias del mercado. Por lo tanto, resulta de gran importancia práctica optimizar y regular su estructura y mejorar su rendimiento de utilización integral. Los métodos comúnmente utilizados para optimizar y regular la estructura de poros incluyen la regulación química, la mezcla con polímeros y la regulación mediante 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 microporos 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 su volumen original 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 por oxidación de superficie ácida

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

Modificar carbón activado con HN03, después de la modificación, el área superficial específica del carbón activado disminuyó de 652m2·g-1 a 241m2·g-1, el tamaño promedio de poro aumentó de 1,27nm a 1,641nm, y la capacidad de adsorción de benzofenona en gasolina simulada aumentó en un 33,7%. Modificar carbón activado de madera con una concentración volumétrica de HN03 del 10% y 70%, respectivamente. Los resultados muestran que el área superficial específica del carbón activado modificado con 10% de HN03 aumentó de 925,45m2·g-1 a 960,52m2·g-1; después de la modificación con 70% de HN03, el área superficial específica disminuyó a 935,89m2·g-1. Las tasas de eliminación 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 el campo de la adsorción, el efecto de adsorción depende no solo de la estructura de poros, sino también de las propiedades químicas superficiales del adsorbente. La estructura de poros 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 de poros interna y desobstruir los poros, 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 de EDTA por el carbón activado modificado con HCl aumentó un 49,5 % en comparación con la anterior a la modificación, lo que resultó mejor que 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 del 80,8 % de las anteriores a la modificación, respectivamente. Se añadieron nuevos grupos funcionales que contienen oxígeno, como carboxilo, carbonilo y fenol, a la superficie. La capacidad de adsorción de nitrobenceno con la modificación con HNO3 fue la mejor, siendo 3,3 veces mayor que antes de la modificación. Se observó que el aumento en el contenido de grupos funcionales que contienen oxígeno en el carbón activado después de la modificación ácida condujo a un aumento en el número de puntos activos superficiales, lo que tuvo un efecto directo 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. Se comparan los efectos de la modificación con ácidos orgánicos en las propiedades de la estructura de poros del carbón activado y la adsorción de metanol. Tras la modificación, el área superficial específica y el volumen total de poros del carbón activado disminuyeron. Cuanto mayor es la acidez, mayor es la disminución. Tras 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 tras 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 es beneficiosa para la adsorción de metanol, mientras que el ácido cítrico tiene un efecto inhibidor. Sin embargo, J.Paul Chen et al. [35] encontraron 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. Después de la modificación, el área superficial específica y el volumen de poros se redujeron. Se formaron grupos funcionales que contienen oxígeno, como 0-HC-0, C-0 y S=0, en la superficie del producto final, 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 utilizaron una solución alcalina para realizar una activación secundaria en carbón activado. Impregnaron carbón activado casero a base de carbón con una solución de NaOH de diferentes concentraciones para controlar la estructura de poros. Los resultados mostraron que una menor concentración de álcali favorecía 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 de poros (0,5916 cm³·g⁻¹). Cuando la concentración másica de NaOH supera el 20%, la estructura de poros del carbón activado se destruye y los parámetros de la estructura de poros comienzan a disminuir. Esto se debe a que la alta concentración de la solución de NaOH corroe el esqueleto de carbono y un gran número de poros colapsan.

Preparación de carbón activado de alto rendimiento mediante mezcla de polímeros. Los precursores fueron resina de furfural y alcohol furfurílico, y etilenglicol como agente formador de poros. La estructura de poros se controló ajustando el contenido de los tres polímeros, y se obtuvo 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) se puede carbonizar para obtener una película de carbono, y la estructura de poros se puede controlar cambiando la estructura molecular del prepolímero de poliuretano (PU) [41]. Cuando la PUI se calienta a 200 °C, se generan PU y poliimida (PI). Cuando la temperatura del tratamiento térmico aumenta a 400 °C, la pirólisis del PU produce gas, lo que da como resultado la formación de una estructura de poros en la película de PI. Después de la carbonización, se obtiene una película de carbono. Además, el método de mezcla de polímeros también puede mejorar algunas propiedades físicas y mecánicas del material hasta cierto punto.

 

Tecnología de regulación de la activación catalítica

La tecnología de regulación por activación catalítica es, en realidad, una combinación de métodos de activación química y activación por gas a alta temperatura. Generalmente, se añaden sustancias químicas a las materias primas como catalizadores, los cuales se utilizan para facilitar el proceso de carbonización o activación y así obtener materiales de carbono porosos. En general, los metales suelen tener efectos catalíticos, aunque estos efectos varían.

De hecho, no suele existir una distinción clara entre la regulación por activación química y la regulación por 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 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. Utilizando carbón bituminoso como materia prima, Mn(NO3)2 y Cu(NO3)2 como catalizadores pueden preparar materiales porosos que contienen óxidos metálicos. La cantidad adecuada de óxidos metálicos puede mejorar la porosidad y el volumen de poros, pero los efectos catalíticos de los diferentes metales son ligeramente diferentes. Cu(NO3)2 puede promover el desarrollo de poros en el rango de 1,5~2,0 nm. 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 el calcio y el hierro en la 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, como el material de carbono poroso ecológico más utilizado, ha desempeñado un papel importante en la industria y la vida cotidiana, aún presenta un gran potencial de mejora en cuanto a la ampliación de la gama de materias primas, la reducción de costes, la mejora de la calidad, el ahorro energético, la prolongación de la vida útil y el aumento de la resistencia. Encontrar materias primas de carbón activado de alta calidad y bajo coste, desarrollar tecnologías de producción de carbón activado limpias y eficientes, y optimizar y regular la estructura porosa del carbón activado según los diferentes campos de aplicación serán claves para mejorar la calidad de los productos de carbón activado e impulsar el desarrollo de alta calidad de la industria del carbón activado.