بهینه‌سازی ساختار منافذ کربن متخلخل -Ⅱ

برای کسب اطلاعات و مشاوره در مورد محصولات به وب سایت ما خوش آمدید.

وب‌سایت ما:https://www.vet-china.com/

 

روش فعال‌سازی فیزیکی و شیمیایی

روش فعال‌سازی فیزیکی و شیمیایی به روش تهیه مواد متخلخل با ترکیب دو روش فعال‌سازی فوق اشاره دارد. به طور کلی، ابتدا فعال‌سازی شیمیایی انجام می‌شود و سپس فعال‌سازی فیزیکی انجام می‌شود. ابتدا سلولز را در محلول 68% تا 85% H3PO4 در دمای 85 درجه سانتیگراد به مدت 2 ساعت خیس کنید، سپس آن را در یک کوره مافل به مدت 4 ساعت کربنیزه کنید و سپس آن را با CO2 فعال کنید. سطح ویژه کربن فعال به دست آمده به 3700 متر مربع بر گرم رسید. سعی کنید از الیاف سیزال به عنوان ماده اولیه استفاده کنید و فیبر کربن فعال (ACF) به دست آمده از فعال‌سازی H3PO4 را یک بار فعال کنید، آن را تحت محافظت N2 تا 830 درجه سانتیگراد گرم کنید و سپس از بخار آب به عنوان فعال‌کننده برای فعال‌سازی ثانویه استفاده کنید. سطح ویژه ACF به دست آمده پس از 60 دقیقه فعال‌سازی به طور قابل توجهی بهبود یافت.

 

توصیف عملکرد ساختار منافذ فعال شدهکربن

 
روش‌های معمول برای توصیف عملکرد کربن فعال و دستورالعمل‌های کاربردی در جدول 2 نشان داده شده است. ویژگی‌های ساختار منافذ این ماده را می‌توان از دو جنبه آزمایش کرد: تجزیه و تحلیل داده‌ها و تجزیه و تحلیل تصویر.

 

پیشرفت تحقیقاتی فناوری بهینه‌سازی ساختار منافذ کربن فعال

اگرچه کربن فعال دارای منافذ غنی و سطح ویژه بسیار بزرگی است، اما در بسیاری از زمینه‌ها عملکرد بسیار خوبی دارد. با این حال، به دلیل انتخاب‌پذیری گسترده مواد اولیه و شرایط آماده‌سازی پیچیده، محصولات نهایی عموماً دارای معایبی مانند ساختار منافذ آشفته، سطح ویژه متفاوت، توزیع اندازه منافذ نامنظم و خواص شیمیایی سطحی محدود هستند. بنابراین، معایبی مانند دوز زیاد و سازگاری محدود در فرآیند کاربرد وجود دارد که نمی‌تواند نیازهای بازار را برآورده کند. بنابراین، بهینه‌سازی و تنظیم ساختار و بهبود عملکرد جامع استفاده از آن از اهمیت عملی بالایی برخوردار است. روش‌های رایج برای بهینه‌سازی و تنظیم ساختار منافذ شامل تنظیم شیمیایی، ترکیب پلیمری و تنظیم فعال‌سازی کاتالیزوری است.

 

فناوری تنظیم مواد شیمیایی

فناوری تنظیم شیمیایی به فرآیند فعال‌سازی ثانویه (اصلاح) مواد متخلخل به دست آمده پس از فعال‌سازی با معرف‌های شیمیایی، فرسایش منافذ اصلی، گسترش ریزمنافذها یا ایجاد ریزمنافذهای جدید بیشتر برای افزایش سطح ویژه و ساختار منافذ ماده اشاره دارد. به طور کلی، محصول نهایی یک فعال‌سازی معمولاً در 0.5 تا 4 برابر محلول شیمیایی غوطه‌ور می‌شود تا ساختار منافذ تنظیم شده و سطح ویژه افزایش یابد. انواع محلول‌های اسیدی و قلیایی می‌توانند به عنوان معرف برای فعال‌سازی ثانویه استفاده شوند.

 

فناوری اصلاح سطح با اکسیداسیون اسیدی

اصلاح اکسیداسیون سطح با اسید، یک روش تنظیم رایج است. در دمای مناسب، اکسیدان‌های اسیدی می‌توانند منافذ داخل کربن فعال را غنی کنند، اندازه منافذ آن را بهبود بخشند و منافذ مسدود شده را لایروبی کنند. در حال حاضر، تحقیقات داخلی و خارجی عمدتاً بر اصلاح اسیدهای معدنی متمرکز هستند. HN03 یک اکسیدان رایج است و بسیاری از محققان از HN03 برای اصلاح کربن فعال استفاده می‌کنند. تانگ لی و همکارانش [28] دریافتند که HN03 می‌تواند محتوای گروه‌های عاملی حاوی اکسیژن و حاوی نیتروژن را روی سطح کربن فعال افزایش داده و اثر جذب جیوه را بهبود بخشد.

اصلاح کربن فعال با HN03، پس از اصلاح، سطح ویژه کربن فعال از 652 متر مربع بر گرم به 241 متر مربع بر گرم کاهش یافت، میانگین اندازه منافذ از 1.27 نانومتر به 1.641 نانومتر افزایش یافت و ظرفیت جذب بنزوفنون در بنزین شبیه‌سازی شده 33.7 درصد افزایش یافت. اصلاح کربن فعال چوب با غلظت حجمی 10٪ و 70٪ HN03 به ترتیب. نتایج نشان می‌دهد که سطح ویژه کربن فعال اصلاح شده با 10٪ HN03 از 925.45 متر مربع بر گرم به 960.52 متر مربع بر گرم افزایش یافت؛ پس از اصلاح با 70٪ HN03، سطح ویژه به 935.89 متر مربع بر گرم کاهش یافت. میزان حذف Cu2+ توسط کربن فعال اصلاح شده با دو غلظت HN03 به ترتیب بالای 70٪ و 90٪ بود.

برای کربن فعال مورد استفاده در زمینه جذب، اثر جذب نه تنها به ساختار منافذ، بلکه به خواص شیمیایی سطح جاذب نیز بستگی دارد. ساختار منافذ، مساحت سطح ویژه و ظرفیت جذب کربن فعال را تعیین می‌کند، در حالی که خواص شیمیایی سطح بر برهمکنش بین کربن فعال و ماده جذب‌شونده تأثیر می‌گذارد. در نهایت مشخص شد که اصلاح اسیدی کربن فعال نه تنها می‌تواند ساختار منافذ داخل کربن فعال را تنظیم کرده و منافذ مسدود شده را پاک کند، بلکه محتوای گروه‌های اسیدی روی سطح ماده را نیز افزایش داده و قطبیت و آبدوستی سطح را بهبود می‌بخشد. ظرفیت جذب EDTA توسط کربن فعال اصلاح شده با HCI در مقایسه با قبل از اصلاح، ۴۹.۵٪ افزایش یافت که بهتر از اصلاح با HNO3 بود.

کربن فعال تجاری اصلاح‌شده به ترتیب با HNO3 و H2O2! مساحت سطح ویژه پس از اصلاح به ترتیب 91.3٪ و 80.8٪ از سطوح قبل از اصلاح بود. گروه‌های عاملی حاوی اکسیژن جدید مانند کربوکسیل، کربونیل و فنول به سطح اضافه شدند. ظرفیت جذب نیتروبنزن با اصلاح HNO3 بهترین بود، که 3.3 برابر قبل از اصلاح بود. مشخص شد که افزایش محتوای گروه‌های عاملی حاوی اکسیژن در کربن فعال پس از اصلاح اسیدی منجر به افزایش تعداد نقاط فعال سطحی شد که تأثیر مستقیمی بر بهبود ظرفیت جذب جاذب هدف داشت.

در مقایسه با اسیدهای معدنی، گزارش‌های کمی در مورد اصلاح کربن فعال با اسید آلی وجود دارد. اثرات اصلاح اسید آلی را بر خواص ساختار منافذ کربن فعال و جذب متانول مقایسه کنید. پس از اصلاح، مساحت سطح ویژه و حجم کل منافذ کربن فعال کاهش یافت. هرچه اسیدیته قوی‌تر باشد، این کاهش بیشتر است. پس از اصلاح با اسید اگزالیک، اسید تارتاریک و اسید سیتریک، مساحت سطح ویژه کربن فعال از 898.59 متر مربع بر گرم به ترتیب به 788.03 متر مربع بر گرم، 685.16 متر مربع بر گرم و 622.98 متر مربع بر گرم کاهش یافت. با این حال، ریزتخلخل کربن فعال پس از اصلاح افزایش یافت. ریزتخلخل کربن فعال اصلاح شده با اسید سیتریک از 75.9٪ به 81.5٪ افزایش یافت.

اصلاح با اسید اگزالیک و اسید تارتاریک برای جذب متانول مفید است، در حالی که اسید سیتریک اثر مهاری دارد. با این حال، جی. پاول چن و همکارانش [35] دریافتند که کربن فعال اصلاح شده با اسید سیتریک می‌تواند جذب یون‌های مس را افزایش دهد. لین تانگ و همکارانش [36] کربن فعال تجاری را با اسید فرمیک، اسید اگزالیک و اسید آمینوسولفونیک اصلاح کردند. پس از اصلاح، سطح ویژه و حجم منافذ کاهش یافت. گروه‌های عاملی حاوی اکسیژن مانند 0-HC-0، C-0 و S=0 روی سطح محصول نهایی تشکیل شدند و کانال‌های ناهموار حکاکی شده و کریستال‌های سفید ظاهر شدند. ظرفیت جذب تعادلی استون و ایزوپروپانول نیز به طور قابل توجهی افزایش یافت.

 

فناوری اصلاح محلول قلیایی

برخی از محققان همچنین از محلول قلیایی برای انجام فعال‌سازی ثانویه روی کربن فعال استفاده کردند. کربن فعال خانگی مبتنی بر زغال سنگ را با محلول Na0H با غلظت‌های مختلف آغشته کردند تا ساختار منافذ را کنترل کنند. نتایج نشان داد که غلظت قلیایی پایین‌تر برای افزایش و انبساط منافذ مفید است. بهترین اثر زمانی حاصل شد که غلظت جرمی 20٪ بود. کربن فعال دارای بالاترین سطح ویژه (681 متر مربع بر گرم) و حجم منافذ (0.5916 سانتی‌متر مکعب بر گرم) بود. هنگامی که غلظت جرمی Na0H از 20٪ فراتر رود، ساختار منافذ کربن فعال از بین می‌رود و پارامترهای ساختار منافذ شروع به کاهش می‌کنند. دلیل این امر این است که غلظت بالای محلول Na0H باعث خوردگی اسکلت کربن شده و تعداد زیادی از منافذ فرو می‌ریزند.

تهیه کربن فعال با کارایی بالا با استفاده از ترکیب پلیمری. پیش‌سازها رزین فورفورال و الکل فورفوریل بودند و اتیلن گلیکول عامل تشکیل‌دهنده منافذ بود. ساختار منافذ با تنظیم محتوای سه پلیمر کنترل شد و ماده‌ای متخلخل با اندازه منافذ بین 0.008 تا 5 میکرومتر به دست آمد. برخی از محققان ثابت کرده‌اند که فیلم پلی‌یورتان-ایمید (PUI) را می‌توان برای به دست آوردن فیلم کربنی کربنیزه کرد و ساختار منافذ را می‌توان با تغییر ساختار مولکولی پیش پلیمر پلی‌یورتان (PU) کنترل کرد [41]. هنگامی که PUI تا 200 درجه سانتیگراد گرم می‌شود، PU و پلی‌یمید (PI) تولید می‌شوند. هنگامی که دمای عملیات حرارتی به 400 درجه سانتیگراد افزایش می‌یابد، پیرولیز PU گاز تولید می‌کند که منجر به تشکیل ساختار منافذ روی فیلم PI می‌شود. پس از کربنیزاسیون، یک فیلم کربنی به دست می‌آید. علاوه بر این، روش ترکیب پلیمری همچنین می‌تواند برخی از خواص فیزیکی و مکانیکی ماده را تا حدی بهبود بخشد.

 

فناوری تنظیم فعال‌سازی کاتالیزوری

فناوری تنظیم فعال‌سازی کاتالیزوری در واقع ترکیبی از روش فعال‌سازی شیمیایی و روش فعال‌سازی گاز در دمای بالا است. به‌طورکلی، مواد شیمیایی به‌عنوان کاتالیزور به مواد اولیه اضافه می‌شوند و کاتالیزورها برای کمک به فرآیند کربن‌سازی یا فعال‌سازی برای به‌دست آوردن مواد کربنی متخلخل استفاده می‌شوند. به‌طورکلی، فلزات به‌طورکلی اثرات کاتالیزوری دارند، اما اثرات کاتالیزوری آن‌ها متفاوت است.

در واقع، معمولاً هیچ مرز مشخصی بین تنظیم فعال‌سازی شیمیایی و تنظیم فعال‌سازی کاتالیزوری مواد متخلخل وجود ندارد. دلیل این امر این است که هر دو روش در طول فرآیند کربن‌سازی و فعال‌سازی، واکنش‌گرهایی را اضافه می‌کنند. نقش خاص این واکنش‌گرها تعیین می‌کند که آیا این روش به دسته فعال‌سازی کاتالیزوری تعلق دارد یا خیر.

ساختار خود ماده کربن متخلخل، خواص فیزیکی و شیمیایی کاتالیزور، شرایط واکنش کاتالیزوری و روش بارگذاری کاتالیزور، همگی می‌توانند درجات مختلفی از تأثیر را بر اثر تنظیم داشته باشند. با استفاده از زغال سنگ قیری به عنوان ماده اولیه، Mn(N03)2 و Cu(N03)2 به عنوان کاتالیزور می‌توانند مواد متخلخل حاوی اکسیدهای فلزی تهیه کنند. مقدار مناسب اکسیدهای فلزی می‌تواند تخلخل و حجم منافذ را بهبود بخشد، اما اثرات کاتالیزوری فلزات مختلف کمی متفاوت است. Cu(N03)2 می‌تواند باعث ایجاد منافذ در محدوده 1.5 تا 2.0 نانومتر شود. علاوه بر این، اکسیدهای فلزی و نمک‌های معدنی موجود در خاکستر ماده اولیه نیز نقش کاتالیزوری در فرآیند فعال‌سازی ایفا می‌کنند. شی کیانگ و همکارانش [42] معتقد بودند که واکنش فعال‌سازی کاتالیزوری عناصری مانند کلسیم و آهن در ماده معدنی می‌تواند باعث ایجاد منافذ شود. هنگامی که محتوای این دو عنصر خیلی زیاد باشد، نسبت منافذ متوسط ​​و بزرگ در محصول به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد.

 

نتیجه‌گیری

اگرچه کربن فعال، به عنوان پرکاربردترین ماده کربن متخلخل سبز، نقش مهمی در صنعت و زندگی ایفا کرده است، اما هنوز پتانسیل زیادی برای بهبود در گسترش مواد اولیه، کاهش هزینه، بهبود کیفیت، بهبود انرژی، افزایش طول عمر و بهبود استحکام دارد. یافتن مواد اولیه کربن فعال با کیفیت بالا و ارزان، توسعه فناوری تولید کربن فعال تمیز و کارآمد و بهینه‌سازی و تنظیم ساختار منافذ کربن فعال با توجه به زمینه‌های کاربردی مختلف، جهت‌گیری مهمی برای بهبود کیفیت محصولات کربن فعال و ارتقای توسعه با کیفیت بالای صنعت کربن فعال خواهد بود.