Poorse süsiniku pooride struktuuri optimeerimine -Ⅱ

Tere tulemast meie veebisaidile tooteinfo ja konsultatsioonide saamiseks.

Meie veebisait:https://www.vet-china.com/

 

Füüsikaline ja keemiline aktiveerimismeetod

Füüsikaline ja keemiline aktiveerimismeetod viitab poorsete materjalide valmistamise meetodile, kombineerides ülaltoodud kahte aktiveerimismeetodit. Üldiselt teostatakse esmalt keemiline aktiveerimine ja seejärel füüsikaline aktiveerimine. Esmalt leotatakse tselluloosi 68%–85% H3PO4 lahuses temperatuuril 85 ℃ 2 tundi, seejärel karboniseeritakse see muhvelahjus 4 tundi ja seejärel aktiveeritakse CO2-ga. Saadud aktiveeritud süsiniku eripind oli kuni 3700 m2·g-1. Toorainena proovitakse kasutada sisalkiudu ja aktiveeritakse H3PO4 aktiveerimise teel saadud aktiveeritud süsinikkiud (ACF) üks kord, kuumutatakse seda N2 kaitse all temperatuurini 830 ℃ ja seejärel kasutatakse veeauru aktivaatorina sekundaarseks aktiveerimiseks. Pärast 60-minutilist aktiveerimist paraneb ACF eripind märkimisväärselt.

 

Aktiveeritud pooride struktuuri toimivuse iseloomustussüsinik

 
Tavaliselt kasutatavad aktiivsöe toimivuse iseloomustamise meetodid ja rakendusjuhised on toodud tabelis 2. Materjali pooride struktuuri omadusi saab testida kahest aspektist: andmeanalüüs ja pildianalüüs.

 

Aktiivsöe pooride struktuuri optimeerimise tehnoloogia uurimistöö edenemine

Kuigi aktiivsöel on rikkalikud poorid ja tohutu eripind, on sellel suurepärased omadused paljudes valdkondades. Kuid tänu oma laiale tooraine selektiivsusele ja keerulistele valmistustingimustele on valmistoodetel üldiselt puudusteks kaootiline pooristruktuur, erinev eripind, korrastamata pooride suuruse jaotus ja piiratud pinna keemilised omadused. Seetõttu on puudusteks suur annus ja piiratud kohanemisvõime rakendusprotsessis, mis ei suuda turunõuetele vastata. Seetõttu on struktuuri optimeerimine ja reguleerimine ning selle igakülgse kasutamise efektiivsuse parandamine väga praktiline. Pooristruktuuri optimeerimiseks ja reguleerimiseks tavaliselt kasutatavad meetodid hõlmavad keemilist reguleerimist, polümeeride segamist ja katalüütilist aktiveerimise reguleerimist.

 

Keemilise reguleerimise tehnoloogia

Keemilise regulatsiooni tehnoloogia viitab poorsete materjalide sekundaarsele aktiveerimisele (modifitseerimisele) pärast keemiliste reagentidega aktiveerimist, mille käigus erodeeritakse algsed poorid, laiendatakse mikropoore või luuakse uusi mikropoore, et suurendada materjali eripinda ja pooride struktuuri. Üldiselt kastetakse ühe aktiveerimise lõpptoode 0,5–4-kordsesse keemilisse lahusesse, et reguleerida pooride struktuuri ja suurendada eripinda. Sekundaarse aktiveerimise reagentidena saab kasutada igasuguseid happe- ja leeliselahuseid.

 

Happelise pinna oksüdeerimise modifitseerimise tehnoloogia

Happelise pinna oksüdeerimise modifitseerimine on levinud regulatsioonimeetod. Sobival temperatuuril võivad happelised oksüdeerijad rikastada aktiivsöe sees olevaid poore, parandada selle pooride suurust ja süvendada ummistunud poore. Praegu keskenduvad nii sise- kui ka välismaised uuringud peamiselt anorgaaniliste hapete modifitseerimisele. HN03 on levinud oksüdeerija ja paljud teadlased kasutavad HN03-d aktiivsöe modifitseerimiseks. Tong Li jt [28] leidsid, et HN03 võib suurendada hapnikku ja lämmastikku sisaldavate funktsionaalrühmade sisaldust aktiivsöe pinnal ning parandada elavhõbeda adsorptsiooniefekti.

Aktiveeritud süsiniku modifitseerimisel HN03-ga vähenes pärast modifitseerimist aktiivsöe eripind 652 m²·g-1-lt 241 m²·g-1-le, keskmine pooride suurus suurenes 1,27 nm-lt 1,641 nm-le ja bensofenooni adsorptsioonivõime simuleeritud bensiinis suurenes 33,7%. Puiduaktiivsöe modifitseerimisel vastavalt 10% ja 70% HN03 mahukontsentratsiooniga suurenes tulemus 925,45 m²·g-1-lt 960,52 m²·g-1-le; pärast modifitseerimist 70% HN03-ga vähenes eripind 935,89 m²·g-1-ni. Kahe HN03 kontsentratsiooniga modifitseeritud aktiivsöe Cu2+ eemalduskiirus oli vastavalt üle 70% ja 90%.

Adsorptsiooniväljal kasutatava aktiivsöe puhul sõltub adsorptsiooniefekt lisaks pooride struktuurile ka adsorbendi pinnakeemilistest omadustest. Pooride struktuur määrab aktiivsöe eripinna ja adsorptsioonivõime, samas kui pinnakeemilised omadused mõjutavad aktiivsöe ja adsorbaadi vahelist interaktsiooni. Lõpuks leiti, et aktiivsöe happeline modifitseerimine mitte ainult ei reguleeri aktiivsöe pooride struktuuri ja puhasta ummistunud poore, vaid suurendab ka materjali pinnal olevate happeliste rühmade sisaldust ning parandab pinna polaarsust ja hüdrofiilsust. HCl-ga modifitseeritud aktiivsöe EDTA adsorptsioonivõime suurenes 49,5% võrreldes modifitseerimiseelse ajaga, mis oli parem kui HNO3 modifitseerimisel.

Modifitseeritud kaubanduslik aktiivsüsi vastavalt HNO3 ja H2O2-ga! Modifitseerimise järgne eripind oli vastavalt 91,3% ja 80,8% modifitseerimiseelsest pinnast. Pinnale lisati uusi hapnikku sisaldavaid funktsionaalrühmi nagu karboksüül, karbonüül ja fenool. Nitrobenseeni adsorptsioonivõime HNO3 modifitseerimisega oli parim, mis oli 3,3 korda suurem kui enne modifitseerimist. On leitud, et hapnikku sisaldavate funktsionaalrühmade sisalduse suurenemine aktiivsöes pärast happega modifitseerimist viis pindaktiivsete punktide arvu suurenemiseni, millel oli otsene mõju sihtmärgiks oleva adsorbaadi adsorptsioonivõime paranemisele.

Võrreldes anorgaaniliste hapetega on aktiivsöe modifitseerimise kohta orgaanilise happega vähe uuringuid. Võrrelge orgaanilise happe modifitseerimise mõju aktiivsöe pooride struktuuri omadustele ja metanooli adsorptsioonile. Pärast modifitseerimist vähenesid aktiivsöe eripind ja pooride kogumaht. Mida tugevam on happesus, seda suurem on langus. Pärast modifitseerimist oblikhappe, viinhappe ja sidrunhappega vähenes aktiivsöe eripind vastavalt 898,59 m²·g-1-lt 788,03 m²·g-1-ni, 685,16 m²·g-1-ni ja 622,98 m²·g-1-ni. Aktiveeritud süsiniku mikropoorsus pärast modifitseerimist aga suurenes. Sidrunhappega modifitseeritud aktiivsöe mikropoorsus suurenes 75,9%-lt 81,5%-ni.

Oksaalhappe ja viinhappe modifikatsioonid on kasulikud metanooli adsorptsioonile, samas kui sidrunhappel on inhibeeriv toime. J.Paul Chen jt [35] leidsid aga, et sidrunhappega modifitseeritud aktiivsüsi võib suurendada vaseioonide adsorptsiooni. Lin Tang jt [36] modifitseerisid kaubanduslikku aktiivsütt sipelghappe, oksaalhappe ja aminosulfoonhappega. Pärast modifitseerimist vähenesid eripind ja pooride maht. Valmistoote pinnale tekkisid hapnikku sisaldavad funktsionaalrühmad nagu 0-HC-0, C-0 ja S=0 ning tekkisid ebaühtlased söövitatud kanalid ja valged kristallid. Samuti suurenes oluliselt atsetooni ja isopropanooli tasakaaluline adsorptsioonivõime.

 

Leeliselise lahuse modifitseerimise tehnoloogia

Mõned teadlased kasutasid aktiivsöe sekundaarseks aktiveerimiseks ka leeliselist lahust. Omatehtud söepõhist aktiivsütt immutati erineva kontsentratsiooniga Na0H lahusega, et kontrollida pooride struktuuri. Tulemused näitasid, et madalam leelise kontsentratsioon soodustas pooride suurenemist ja laienemist. Parim efekt saavutati, kui massikontsentratsioon oli 20%. Aktiveeritud süsinikul oli suurim eripind (681 m2·g-1) ja pooride maht (0,5916 cm3·g-1). Kui Na0H massikontsentratsioon ületab 20%, hävib aktiivsöe pooride struktuur ja pooride struktuuri parameetrid hakkavad vähenema. Selle põhjuseks on asjaolu, et Na0H lahuse kõrge kontsentratsioon söövitab süsiniku skeletti ja suur hulk poore variseb kokku.

Polümeeride segamise teel kõrgjõudlusega aktiivsöe valmistamine. Lähteaineteks olid furfuraalvaik ja furfurüülalkohol ning pooride moodustajaks etüleenglükool. Pooride struktuuri kontrolliti kolme polümeeri sisalduse reguleerimise teel ning saadi poorne materjal pooride suurusega 0,008–5 μm. Mõned teadlased on tõestanud, et polüuretaan-imiidkilet (PUI) saab karboniseerida süsinikkile saamiseks ja pooride struktuuri saab kontrollida polüuretaani (PU) eelpolümeeri molekulaarstruktuuri muutmise teel [41]. Kui PUI-d kuumutatakse temperatuurini 200 °C, tekivad PU ja polüimiid (PI). Kui kuumtöötlustemperatuur tõuseb 400 °C-ni, tekitab PU pürolüüs gaasi, mille tulemuseks on PI-kilele pooride struktuuri moodustumine. Pärast karboniseerimist saadakse süsinikkile. Lisaks saab polümeeride segamise meetodi abil teatud määral parandada ka materjali mõningaid füüsikalisi ja mehaanilisi omadusi.

 

Katalüütilise aktiveerimise reguleerimise tehnoloogia

Katalüütilise aktiveerimise reguleerimise tehnoloogia on tegelikult keemilise aktiveerimismeetodi ja kõrgtemperatuurse gaasi aktiveerimismeetodi kombinatsioon. Üldiselt lisatakse toorainele katalüsaatoritena keemilisi aineid ja katalüsaatoreid kasutatakse karboniseerimis- või aktiveerimisprotsessi abistamiseks poorsete süsinikmaterjalide saamiseks. Üldiselt on metallidel katalüütiline toime, kuid see toime on erinev.

Tegelikult ei ole poorsete materjalide keemilise aktiveerimise regulatsiooni ja katalüütilise aktiveerimise regulatsiooni vahel tavaliselt selget piiri. See on tingitud asjaolust, et mõlema meetodi puhul lisatakse karboniseerimis- ja aktiveerimisprotsessi käigus reagente. Nende reagentide spetsiifiline roll määrab, kas meetod kuulub katalüütilise aktiveerimise kategooriasse.

Poorse süsinikmaterjali enda struktuur, katalüsaatori füüsikalised ja keemilised omadused, katalüütilised reaktsioonitingimused ja katalüsaatori laadimise meetod võivad kõik reguleerimisefekti erineval määral mõjutada. Kasutades toorainena bituumensütt ning kasutades katalüsaatoritena Mn(N03)2 ja Cu(N03)2, saab valmistada poorseid materjale, mis sisaldavad metallioksiide. Sobiv kogus metallioksiide võib parandada poorsust ja pooride mahtu, kuid erinevate metallide katalüütiline toime on veidi erinev. Cu(N03)2 võib soodustada pooride teket vahemikus 1,5–2,0 nm. Lisaks mängivad aktiveerimisprotsessis katalüütilist rolli ka tooraine tuhas sisalduvad metallioksiidid ja anorgaanilised soolad. Xie Qiang jt [42] uskusid, et selliste elementide nagu kaltsium ja raud katalüütiline aktiveerimisreaktsioon anorgaanilises aines võib soodustada pooride teket. Kui nende kahe elemendi sisaldus on liiga kõrge, suureneb tootes keskmiste ja suurte pooride osakaal märkimisväärselt.

 

Kokkuvõte

Kuigi aktiivsüsi kui kõige laialdasemalt kasutatav roheline poorne süsinikmaterjal on mänginud olulist rolli tööstuses ja elus, on sellel endiselt suur potentsiaal tooraine laiendamiseks, kulude vähendamiseks, kvaliteedi parandamiseks, energiatõhususe parandamiseks, eluea pikendamiseks ja tugevuse suurendamiseks. Kvaliteetsete ja odavate aktiivsöe toorainete leidmine, puhta ja tõhusa aktiivsöe tootmistehnoloogia väljatöötamine ning aktiivsöe pooride struktuuri optimeerimine ja reguleerimine vastavalt erinevatele rakendusvaldkondadele on oluline suund aktiivsöetoodete kvaliteedi parandamiseks ja aktiivsöetööstuse kvaliteetse arengu edendamiseks.