Optimisation de la structure des pores du carbone poreux -Ⅱ

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Méthode d'activation physique et chimique

L'activation physico-chimique consiste à préparer des matériaux poreux en combinant les deux méthodes d'activation décrites ci-dessus. En général, l'activation chimique est réalisée en premier, suivie d'une activation physique. La cellulose est d'abord trempée dans une solution de H₃PO₄ à 68 % à 85 % à 85 °C pendant 2 h, puis carbonisée dans un four à moufle pendant 4 h, puis activée au CO₂. La surface spécifique du charbon actif obtenu atteint 3 700 m²·g-1. En utilisant de la fibre de sisal comme matière première, la fibre de charbon actif (ACF) obtenue par activation au H₃PO₄ a été activée une fois, chauffée à 830 °C sous protection N₂, puis activée à la vapeur d'eau. La surface spécifique de l'ACF obtenue après 60 min d'activation a été significativement améliorée.

 

Caractérisation des performances de la structure des pores des polymères activéscarbone

 
Les méthodes de caractérisation des performances du charbon actif couramment utilisées et les directions d'application sont présentées dans le tableau 2. Les caractéristiques de la structure des pores du matériau peuvent être testées sous deux aspects : l'analyse des données et l'analyse d'images.

 

Progrès de la recherche sur la technologie d'optimisation de la structure des pores du charbon actif

Bien que le charbon actif présente des pores riches et une surface spécifique importante, il offre d'excellentes performances dans de nombreux domaines. Cependant, en raison de sa grande sélectivité en matières premières et de la complexité de ses conditions de préparation, les produits finis présentent généralement les inconvénients d'une structure poreuse chaotique, de surfaces spécifiques différentes, d'une distribution granulométrique désordonnée et de propriétés chimiques de surface limitées. Par conséquent, des inconvénients tels qu'un dosage important et une adaptabilité limitée au processus d'application ne permettent pas de répondre aux exigences du marché. Il est donc essentiel d'optimiser et de réguler la structure poreuse et d'améliorer ses performances d'utilisation globale. Les méthodes couramment utilisées pour optimiser et réguler la structure poreuse comprennent la régulation chimique, le mélange de polymères et la régulation par activation catalytique.

 

Technologie de régulation chimique

La technologie de régulation chimique désigne le processus d'activation secondaire (modification) des matériaux poreux obtenus après activation par des réactifs chimiques. Il consiste à éroder les pores d'origine, à élargir les micropores ou à en créer de nouveaux afin d'augmenter la surface spécifique et la structure poreuse du matériau. En général, le produit fini issu d'une activation est immergé dans 0,5 à 4 fois la solution chimique afin de réguler la structure poreuse et d'augmenter la surface spécifique. Toutes sortes de solutions acides et alcalines peuvent être utilisées comme réactifs pour l'activation secondaire.

 

Technologie de modification de surface par oxydation acide

La modification de la surface par oxydation acide est une méthode de régulation couramment utilisée. À une température appropriée, les oxydants acides peuvent enrichir les pores du charbon actif, améliorer leur taille et drainer les pores obstrués. Actuellement, la recherche nationale et internationale se concentre principalement sur la modification des acides inorganiques. Le HN03 est un oxydant couramment utilisé, et de nombreux chercheurs l'utilisent pour modifier le charbon actif. Tong Li et al. [28] ont constaté que le HN03 peut augmenter la teneur en groupes fonctionnels contenant de l'oxygène et de l'azote à la surface du charbon actif et améliorer l'effet d'adsorption du mercure.

Français En modifiant le charbon actif avec HN03, après modification, la surface spécifique du charbon actif a diminué de 652 m2·g-1 à 241 m2·g-1, la taille moyenne des pores a augmenté de 1,27 nm à 1,641 nm et la capacité d'adsorption de la benzophénone dans l'essence simulée a augmenté de 33,7 %. Modification du charbon actif de bois avec une concentration volumique de 10 % et 70 % de HN03, respectivement. Les résultats montrent que la surface spécifique du charbon actif modifié avec 10 % de HN03 est passée de 925,45 m2·g-1 à 960,52 m2·g-1 ; après modification avec 70 % de HN03, la surface spécifique a diminué à 935,89 m2·g-1. Les taux d'élimination de Cu2+ par le charbon actif modifié avec deux concentrations de HN03 étaient respectivement supérieurs à 70 % et 90 %.

Pour le charbon actif utilisé en adsorption, l'effet d'adsorption dépend non seulement de la structure des pores, mais aussi des propriétés chimiques de surface de l'adsorbant. La structure des pores détermine la surface spécifique et la capacité d'adsorption du charbon actif, tandis que les propriétés chimiques de surface influencent l'interaction entre le charbon actif et l'adsorbat. Enfin, il a été constaté que la modification acide du charbon actif permet non seulement d'ajuster la structure des pores et de les déboucher, mais aussi d'augmenter la teneur en groupes acides à la surface du matériau et d'améliorer la polarité et l'hydrophilie de la surface. La capacité d'adsorption de l'EDTA par le charbon actif modifié par HCl a augmenté de 49,5 % par rapport à la valeur avant modification, ce qui est supérieur à celle de la modification par HNO3.

Charbon actif commercial modifié avec HNO3 et H2O2 respectivement ! Les surfaces spécifiques après modification étaient respectivement de 91,3 % et 80,8 % de celles avant modification. De nouveaux groupes fonctionnels oxygénés, tels que carboxyle, carbonyle et phénol, ont été ajoutés à la surface. La capacité d'adsorption du nitrobenzène par modification HNO3 était optimale, 3,3 fois supérieure à celle avant modification. Il a été constaté que l'augmentation de la teneur en groupes fonctionnels oxygénés du charbon actif après modification acide entraînait une augmentation du nombre de points tensioactifs, ce qui avait un effet direct sur l'amélioration de la capacité d'adsorption de l'adsorbat cible.

Comparé aux acides inorganiques, il existe peu de rapports sur la modification du charbon actif par un acide organique. Comparer les effets de la modification par un acide organique sur les propriétés de la structure des pores du charbon actif et l'adsorption du méthanol. Après modification, la surface spécifique et le volume poreux total du charbon actif ont diminué. Plus l'acidité est forte, plus la diminution est importante. Après modification avec de l'acide oxalique, de l'acide tartrique et de l'acide citrique, la surface spécifique du charbon actif a diminué de 898,59 m²·g-1 à 788,03 m²·g-1, 685,16 m²·g-1 et 622,98 m²·g-1 respectivement. Cependant, la microporosité du charbon actif a augmenté après modification. La microporosité du charbon actif modifié par de l'acide citrique est passée de 75,9 % à 81,5 %.

Français La modification de l'acide oxalique et de l'acide tartrique est bénéfique pour l'adsorption du méthanol, tandis que l'acide citrique a un effet inhibiteur. Cependant, J.Paul Chen et al. [35] ont découvert que le charbon actif modifié avec de l'acide citrique peut améliorer l'adsorption des ions cuivre. Lin Tang et al. [36] ont modifié le charbon actif commercial avec de l'acide formique, de l'acide oxalique et de l'acide aminosulfonique. Après modification, la surface spécifique et le volume des pores ont été réduits. Des groupes fonctionnels contenant de l'oxygène tels que 0-HC-0, C-0 et S=0 se sont formés à la surface du produit fini, et des canaux gravés irréguliers et des cristaux blancs sont apparus. La capacité d'adsorption à l'équilibre de l'acétone et de l'isopropanol a également augmenté de manière significative.

 

Technologie de modification des solutions alcalines

Certains chercheurs ont également utilisé une solution alcaline pour réaliser une activation secondaire du charbon actif. Ils ont imprégné du charbon actif maison à base de charbon avec une solution de Na0H à différentes concentrations afin de contrôler la structure des pores. Les résultats ont montré qu'une faible concentration alcaline favorisait l'agrandissement et l'expansion des pores. L'effet optimal était obtenu lorsque la concentration massique était de 20 %. Le charbon actif présentait la surface spécifique la plus élevée (681 m²·g-1) et le volume poreux le plus élevé (0,5916 cm³·g-1). Lorsque la concentration massique de Na0H dépasse 20 %, la structure poreuse du charbon actif est détruite et ses paramètres commencent à diminuer. En effet, la forte concentration de Na0H corrode le squelette carboné et un grand nombre de pores s'effondrent.

Préparation de charbon actif haute performance par mélange de polymères. Les précurseurs étaient la résine furfural et l'alcool furfurylique, l'éthylène glycol servant d'agent porogène. La structure des pores a été contrôlée en ajustant la teneur des trois polymères, ce qui a permis d'obtenir un matériau poreux dont la taille des pores est comprise entre 0,008 et 5 μm. Des chercheurs ont démontré qu'un film de polyuréthane-imide (PUI) peut être carbonisé pour obtenir un film de carbone, et que la structure des pores peut être contrôlée en modifiant la structure moléculaire du prépolymère de polyuréthane (PU) [41]. Lorsque le PUI est chauffé à 200 °C, du PU et du polyimide (PI) sont générés. Lorsque la température du traitement thermique atteint 400 °C, la pyrolyse du PU produit du gaz, entraînant la formation d'une structure poreuse sur le film de PI. Après carbonisation, un film de carbone est obtenu. De plus, la méthode de mélange de polymères peut également améliorer certaines propriétés physiques et mécaniques du matériau.

 

Technologie de régulation de l'activation catalytique

La technologie de régulation par activation catalytique combine une méthode d'activation chimique et une méthode d'activation gazeuse à haute température. Généralement, des substances chimiques sont ajoutées aux matières premières comme catalyseurs, et ces derniers sont utilisés pour faciliter le processus de carbonisation ou d'activation afin d'obtenir des matériaux carbonés poreux. En général, les métaux ont des effets catalytiques, mais ceux-ci varient.

En réalité, il n'existe généralement pas de frontière évidente entre la régulation par activation chimique et la régulation par activation catalytique des matériaux poreux. En effet, les deux méthodes ajoutent des réactifs lors des processus de carbonisation et d'activation. Le rôle spécifique de ces réactifs détermine si la méthode appartient à la catégorie de l'activation catalytique.

La structure du matériau carboné poreux lui-même, les propriétés physiques et chimiques du catalyseur, les conditions de réaction catalytique et la méthode de chargement du catalyseur peuvent tous avoir différents degrés d'influence sur l'effet de régulation. En utilisant du charbon bitumineux comme matière première, Mn(N03)2 et Cu(N03)2 comme catalyseurs, il est possible de préparer des matériaux poreux contenant des oxydes métalliques. Une quantité appropriée d'oxydes métalliques peut améliorer la porosité et le volume des pores, mais les effets catalytiques des différents métaux sont légèrement différents. Cu(N03)2 peut favoriser le développement de pores de 1,5 à 2,0 nm. De plus, les oxydes métalliques et les sels inorganiques contenus dans les cendres de la matière première joueront également un rôle catalytique dans le processus d'activation. Xie Qiang et al. [42] pensent que la réaction d'activation catalytique d'éléments tels que le calcium et le fer dans la matière inorganique peut favoriser le développement de pores. Lorsque la teneur en ces deux éléments est trop élevée, la proportion de pores moyens et grands dans le produit augmente considérablement.

 

Conclusion

Bien que le charbon actif, matériau poreux écologique le plus utilisé, ait joué un rôle important dans l'industrie et la vie quotidienne, il présente encore un fort potentiel d'amélioration en termes d'utilisation de matières premières, de réduction des coûts, d'amélioration de la qualité, d'amélioration énergétique, de prolongation de la durée de vie et d'amélioration de la résistance. La recherche de matières premières de charbon actif de haute qualité et bon marché, le développement d'une technologie de production propre et efficace, ainsi que l'optimisation et la régulation de la structure poreuse du charbon actif en fonction de différents domaines d'application constitueront des axes importants pour améliorer la qualité des produits à base de charbon actif et promouvoir un développement de haute qualité de l'industrie du charbon actif.