छिद्रयुक्त कार्बन छिद्र संरचना का अनुकूलन -Ⅱ

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भौतिक और रासायनिक सक्रियण विधि

भौतिक और रासायनिक सक्रियण विधि से तात्पर्य उपरोक्त दो सक्रियण विधियों के संयोजन द्वारा छिद्रयुक्त सामग्री तैयार करने की विधि से है। सामान्यतः, पहले रासायनिक सक्रियण किया जाता है, और फिर भौतिक सक्रियण किया जाता है। सबसे पहले, सेल्युलोज को 85℃ पर 2 घंटे के लिए 68%~85% H3PO4 विलयन में भिगोया जाता है, फिर इसे मफल फर्नेस में 4 घंटे के लिए कार्बनीकृत किया जाता है, और फिर CO2 से सक्रिय किया जाता है। प्राप्त सक्रिय कार्बन का विशिष्ट पृष्ठीय क्षेत्रफल 3700 वर्ग मीटर²·ग्राम⁻¹ तक था। सिसल फाइबर को कच्चे माल के रूप में उपयोग करने का प्रयास किया गया, और H3PO4 सक्रियण द्वारा प्राप्त सक्रिय कार्बन फाइबर (ACF) को एक बार सक्रिय किया गया, इसे N2 संरक्षण के तहत 830℃ तक गर्म किया गया, और फिर द्वितीयक सक्रियण के लिए जल वाष्प का उपयोग सक्रियक के रूप में किया गया। 60 मिनट के सक्रियण के बाद प्राप्त ACF का विशिष्ट पृष्ठीय क्षेत्रफल उल्लेखनीय रूप से बढ़ गया।

 

सक्रियण की छिद्र संरचना प्रदर्शन का लक्षण वर्णनकार्बन

 
सक्रिय कार्बन के प्रदर्शन को निर्धारित करने के लिए आमतौर पर उपयोग की जाने वाली विधियों और अनुप्रयोग दिशाओं को तालिका 2 में दर्शाया गया है। सामग्री की छिद्र संरचना विशेषताओं का परीक्षण दो पहलुओं से किया जा सकता है: डेटा विश्लेषण और छवि विश्लेषण।

 

सक्रिय कार्बन की छिद्र संरचना अनुकूलन तकनीक की अनुसंधान प्रगति

हालांकि सक्रिय कार्बन में प्रचुर मात्रा में छिद्र और विशाल विशिष्ट सतह क्षेत्र होता है, फिर भी यह कई क्षेत्रों में उत्कृष्ट प्रदर्शन करता है। हालांकि, कच्चे माल के व्यापक चयन और जटिल निर्माण प्रक्रियाओं के कारण, तैयार उत्पादों में आमतौर पर अनियमित छिद्र संरचना, भिन्न-भिन्न विशिष्ट सतह क्षेत्र, अव्यवस्थित छिद्र आकार वितरण और सीमित सतह रासायनिक गुणधर्म जैसी कमियां पाई जाती हैं। इसलिए, इसकी अधिक मात्रा और अनुप्रयोग प्रक्रिया में सीमित अनुकूलता जैसी कमियां हैं, जो बाजार की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर पाती हैं। अतः, इसकी संरचना को अनुकूलित और विनियमित करना तथा इसके समग्र उपयोग प्रदर्शन में सुधार करना अत्यंत महत्वपूर्ण है। छिद्र संरचना को अनुकूलित और विनियमित करने के लिए आमतौर पर उपयोग की जाने वाली विधियों में रासायनिक विनियमन, पॉलिमर मिश्रण और उत्प्रेरक सक्रियण विनियमन शामिल हैं।

 

रासायनिक विनियमन प्रौद्योगिकी

रासायनिक विनियमन प्रौद्योगिकी से तात्पर्य रासायनिक अभिकर्मकों द्वारा सक्रियण के बाद प्राप्त छिद्रयुक्त पदार्थों के द्वितीयक सक्रियण (संशोधन) की प्रक्रिया से है। इसमें मूल छिद्रों का क्षरण, सूक्ष्म छिद्रों का विस्तार या नए सूक्ष्म छिद्रों का निर्माण करके पदार्थ के विशिष्ट पृष्ठीय क्षेत्रफल और छिद्र संरचना में वृद्धि की जाती है। सामान्यतः, एक बार सक्रियण के बाद प्राप्त उत्पाद को छिद्र संरचना को विनियमित करने और विशिष्ट पृष्ठीय क्षेत्रफल को बढ़ाने के लिए रासायनिक विलयन की 0.5 से 4 गुना मात्रा में डुबोया जाता है। द्वितीयक सक्रियण के लिए सभी प्रकार के अम्ल और क्षार विलयनों का उपयोग अभिकर्मकों के रूप में किया जा सकता है।

 

एसिड सतह ऑक्सीकरण संशोधन प्रौद्योगिकी

अम्लीय सतह ऑक्सीकरण संशोधन एक सामान्य रूप से प्रयुक्त विनियमन विधि है। उपयुक्त तापमान पर, अम्लीय ऑक्सीकारक सक्रिय कार्बन के भीतर छिद्रों को समृद्ध कर सकते हैं, इसके छिद्रों का आकार बढ़ा सकते हैं और अवरुद्ध छिद्रों को खोल सकते हैं। वर्तमान में, घरेलू और विदेशी अनुसंधान मुख्य रूप से अकार्बनिक अम्लों के संशोधन पर केंद्रित है। HNO3 एक सामान्य रूप से प्रयुक्त ऑक्सीकारक है, और कई विद्वान सक्रिय कार्बन को संशोधित करने के लिए HNO3 का उपयोग करते हैं। टोंग ली एट अल. [28] ने पाया कि HNO3 सक्रिय कार्बन की सतह पर ऑक्सीजन युक्त और नाइट्रोजन युक्त कार्यात्मक समूहों की मात्रा बढ़ा सकता है और पारे के अधिशोषण प्रभाव को बेहतर बना सकता है।

HN03 से सक्रिय कार्बन को संशोधित करने पर, संशोधन के बाद सक्रिय कार्बन का विशिष्ट सतही क्षेत्रफल 652 वर्ग मीटर·ग्राम⁻¹ से घटकर 241 वर्ग मीटर·ग्राम⁻¹ हो गया, औसत छिद्र का आकार 1.27 एनएम से बढ़कर 1.641 एनएम हो गया, और सिम्युलेटेड गैसोलीन में बेंजोफेनोन की सोखने की क्षमता में 33.7% की वृद्धि हुई। लकड़ी के सक्रिय कार्बन को क्रमशः 10% और 70% आयतन सांद्रता वाले HN03 से संशोधित करने पर, परिणाम दर्शाते हैं कि 10% HN03 से संशोधित सक्रिय कार्बन का विशिष्ट सतही क्षेत्रफल 925.45 वर्ग मीटर·ग्राम⁻¹ से बढ़कर 960.52 वर्ग मीटर·ग्राम⁻¹ हो गया; 70% HN03 से संशोधन के बाद, विशिष्ट सतही क्षेत्रफल घटकर 935.89 वर्ग मीटर·ग्राम⁻¹ हो गया। HN03 की दो सांद्रताओं से संशोधित सक्रिय कार्बन द्वारा Cu2+ को हटाने की दर क्रमशः 70% और 90% से अधिक थी।

अधिशोषण क्षेत्र में प्रयुक्त सक्रिय कार्बन के लिए, अधिशोषण प्रभाव न केवल छिद्र संरचना पर बल्कि अधिशोषक के सतही रासायनिक गुणों पर भी निर्भर करता है। छिद्र संरचना सक्रिय कार्बन के विशिष्ट सतही क्षेत्रफल और अधिशोषण क्षमता को निर्धारित करती है, जबकि सतही रासायनिक गुण सक्रिय कार्बन और अधिशोषक के बीच परस्पर क्रिया को प्रभावित करते हैं। अंततः यह पाया गया कि सक्रिय कार्बन का अम्ल संशोधन न केवल सक्रिय कार्बन के भीतर छिद्र संरचना को समायोजित कर सकता है और अवरुद्ध छिद्रों को खोल सकता है, बल्कि सामग्री की सतह पर अम्लीय समूहों की मात्रा को भी बढ़ा सकता है और सतह की ध्रुवीयता और जल-प्रेमीयता को बढ़ा सकता है। HCI द्वारा संशोधित सक्रिय कार्बन द्वारा EDTA की अधिशोषण क्षमता संशोधन से पहले की तुलना में 49.5% बढ़ गई, जो HNO3 संशोधन की तुलना में बेहतर थी।

वाणिज्यिक सक्रिय कार्बन को क्रमशः HNO3 और H2O2 से संशोधित किया गया! संशोधन के बाद विशिष्ट सतह क्षेत्र संशोधन से पहले के सतह क्षेत्र का क्रमशः 91.3% और 80.8% था। सतह पर कार्बोक्सिल, कार्बोनिल और फिनोल जैसे नए ऑक्सीजन युक्त कार्यात्मक समूह जुड़ गए। HNO3 संशोधन द्वारा नाइट्रोबेंजीन की अधिशोषण क्षमता सर्वोत्तम थी, जो संशोधन से पहले की तुलना में 3.3 गुना अधिक थी। यह पाया गया कि अम्ल संशोधन के बाद सक्रिय कार्बन में ऑक्सीजन युक्त कार्यात्मक समूहों की मात्रा में वृद्धि से सतह सक्रिय बिंदुओं की संख्या में वृद्धि हुई, जिसका लक्ष्य अधिशोषक की अधिशोषण क्षमता में सुधार पर सीधा प्रभाव पड़ा।

अकार्बनिक अम्लों की तुलना में, सक्रिय कार्बन के कार्बनिक अम्ल संशोधन पर बहुत कम रिपोर्टें उपलब्ध हैं। सक्रिय कार्बन की छिद्र संरचना और मेथनॉल के अधिशोषण पर कार्बनिक अम्ल संशोधन के प्रभावों की तुलना करें। संशोधन के बाद, सक्रिय कार्बन का विशिष्ट पृष्ठीय क्षेत्रफल और कुल छिद्र आयतन कम हो गया। अम्लता जितनी अधिक होगी, कमी उतनी ही अधिक होगी। ऑक्सालिक अम्ल, टार्टरिक अम्ल और साइट्रिक अम्ल से संशोधन के बाद, सक्रिय कार्बन का विशिष्ट पृष्ठीय क्षेत्रफल क्रमशः 898.59 वर्ग मीटर·ग्राम से घटकर 788.03 वर्ग मीटर·ग्राम, 685.16 वर्ग मीटर·ग्राम और 622.98 वर्ग मीटर·ग्राम हो गया। हालांकि, संशोधन के बाद सक्रिय कार्बन की सूक्ष्म छिद्रता बढ़ गई। साइट्रिक अम्ल से संशोधित सक्रिय कार्बन की सूक्ष्म छिद्रता 75.9% से बढ़कर 81.5% हो गई।

ऑक्सालिक अम्ल और टार्टरिक अम्ल द्वारा संशोधन मेथनॉल के अधिशोषण के लिए लाभकारी हैं, जबकि साइट्रिक अम्ल का प्रभाव अवरोधक है। हालांकि, जे. पॉल चेन एट अल. [35] ने पाया कि साइट्रिक अम्ल से संशोधित सक्रिय कार्बन तांबे के आयनों के अधिशोषण को बढ़ा सकता है। लिन टैंग एट अल. [36] ने व्यावसायिक सक्रिय कार्बन को फॉर्मिक अम्ल, ऑक्सालिक अम्ल और एमिनोसल्फोनिक अम्ल से संशोधित किया। संशोधन के बाद, विशिष्ट सतह क्षेत्र और छिद्र आयतन कम हो गए। तैयार उत्पाद की सतह पर ऑक्सीजन युक्त कार्यात्मक समूह जैसे 0-HC-0, C-0 और S=0 बन गए, और असमान उत्कीर्ण चैनल और सफेद क्रिस्टल दिखाई दिए। एसीटोन और आइसोप्रोपेनॉल की संतुलन अधिशोषण क्षमता में भी उल्लेखनीय वृद्धि हुई।

 

क्षारीय विलयन संशोधन प्रौद्योगिकी

कुछ विद्वानों ने सक्रिय कार्बन पर द्वितीयक सक्रियण करने के लिए क्षारीय विलयन का भी उपयोग किया। छिद्र संरचना को नियंत्रित करने के लिए, घर पर निर्मित कोयला-आधारित सक्रिय कार्बन को विभिन्न सांद्रता वाले Na₂OH विलयन से संतृप्त किया गया। परिणामों से पता चला कि कम क्षार सांद्रता छिद्रों के विस्तार और वृद्धि के लिए अनुकूल थी। सर्वोत्तम प्रभाव 20% की द्रव्यमान सांद्रता पर प्राप्त हुआ। सक्रिय कार्बन का विशिष्ट पृष्ठीय क्षेत्रफल (681 वर्ग मीटर²·ग्राम⁻¹) और छिद्र आयतन (0.5916 वर्ग सेमी³·ग्राम⁻¹) उच्चतम था। जब Na₂OH की द्रव्यमान सांद्रता 20% से अधिक हो जाती है, तो सक्रिय कार्बन की छिद्र संरचना नष्ट हो जाती है और छिद्र संरचना के मापदंड घटने लगते हैं। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि Na₂OH विलयन की उच्च सांद्रता कार्बन कंकाल को नष्ट कर देती है और बड़ी संख्या में छिद्र ढह जाते हैं।

पॉलिमर मिश्रण द्वारा उच्च-प्रदर्शन सक्रिय कार्बन का निर्माण। इसके लिए फरफ्यूरल राल और फरफ्यूरिल अल्कोहल को अग्रदूत के रूप में और एथिलीन ग्लाइकॉल को छिद्र निर्माण कारक के रूप में उपयोग किया गया। तीनों पॉलिमर की मात्रा को समायोजित करके छिद्र संरचना को नियंत्रित किया गया, जिससे 0.008 से 5 μm के छिद्र आकार वाला एक छिद्रयुक्त पदार्थ प्राप्त हुआ। कुछ विद्वानों ने सिद्ध किया है कि पॉलीयुरेथेन-इमाइड फिल्म (PUI) का कार्बनीकरण करके कार्बन फिल्म प्राप्त की जा सकती है, और पॉलीयुरेथेन (PU) प्रीपॉलिमर की आणविक संरचना को बदलकर छिद्र संरचना को नियंत्रित किया जा सकता है [41]। जब PUI को 200°C तक गर्म किया जाता है, तो PU और पॉलीइमाइड (PI) उत्पन्न होते हैं। जब ऊष्मा उपचार का तापमान 400°C तक बढ़ जाता है, तो PU के अपघटन से गैस उत्पन्न होती है, जिसके परिणामस्वरूप PI फिल्म पर छिद्र संरचना का निर्माण होता है। कार्बनीकरण के बाद, एक कार्बन फिल्म प्राप्त होती है। इसके अलावा, पॉलिमर मिश्रण विधि सामग्री के कुछ भौतिक और यांत्रिक गुणों को भी कुछ हद तक बेहतर बना सकती है।

 

उत्प्रेरक सक्रियण विनियमन प्रौद्योगिकी

उत्प्रेरक सक्रियण विनियमन तकनीक वास्तव में रासायनिक सक्रियण विधि और उच्च तापमान गैस सक्रियण विधि का संयोजन है। सामान्यतः, कच्चे माल में उत्प्रेरक के रूप में रासायनिक पदार्थ मिलाए जाते हैं, और ये उत्प्रेरक छिद्रयुक्त कार्बन सामग्री प्राप्त करने के लिए कार्बनीकरण या सक्रियण प्रक्रिया में सहायता करते हैं। आमतौर पर, धातुओं में उत्प्रेरक प्रभाव होता है, लेकिन यह प्रभाव भिन्न-भिन्न हो सकता है।

वास्तव में, छिद्रयुक्त पदार्थों के रासायनिक सक्रियण नियमन और उत्प्रेरक सक्रियण नियमन के बीच आमतौर पर कोई स्पष्ट सीमा नहीं होती है। इसका कारण यह है कि दोनों विधियों में कार्बनीकरण और सक्रियण प्रक्रिया के दौरान अभिकर्मक मिलाए जाते हैं। इन अभिकर्मकों की विशिष्ट भूमिका यह निर्धारित करती है कि विधि उत्प्रेरक सक्रियण की श्रेणी में आती है या नहीं।

छिद्रयुक्त कार्बन पदार्थ की संरचना, उत्प्रेरक के भौतिक और रासायनिक गुण, उत्प्रेरक अभिक्रिया की परिस्थितियाँ और उत्प्रेरक को ग्रहण करने की विधि, ये सभी कारक उत्प्रेरक प्रभाव को अलग-अलग स्तर तक प्रभावित कर सकते हैं। बिटुमिनस कोयले को कच्चे माल के रूप में और Mn(NO₃)₂ तथा Cu(NO₃)₂ को उत्प्रेरक के रूप में उपयोग करके धातु ऑक्साइड युक्त छिद्रयुक्त पदार्थ तैयार किए जा सकते हैं। धातु ऑक्साइड की उचित मात्रा से छिद्रता और छिद्र आयतन में वृद्धि हो सकती है, लेकिन विभिन्न धातुओं के उत्प्रेरक प्रभाव थोड़े भिन्न होते हैं। Cu(NO₃)₂ 1.5~2.0nm आकार के छिद्रों के विकास को बढ़ावा दे सकता है। इसके अतिरिक्त, कच्चे माल की राख में मौजूद धातु ऑक्साइड और अकार्बनिक लवण भी सक्रियण प्रक्रिया में उत्प्रेरक भूमिका निभाते हैं। ज़ी कियांग एट अल. [42] का मानना ​​है कि अकार्बनिक पदार्थों में कैल्शियम और आयरन जैसे तत्वों की उत्प्रेरक सक्रियण अभिक्रिया छिद्रों के विकास को बढ़ावा दे सकती है। जब इन दोनों तत्वों की मात्रा बहुत अधिक होती है, तो उत्पाद में मध्यम और बड़े छिद्रों का अनुपात काफी बढ़ जाता है।

 

निष्कर्ष

हालांकि सक्रिय कार्बन, सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला हरित छिद्रयुक्त कार्बन पदार्थ होने के नाते, उद्योग और जीवन में महत्वपूर्ण भूमिका निभा रहा है, फिर भी कच्चे माल के विस्तार, लागत में कमी, गुणवत्ता में सुधार, ऊर्जा दक्षता में वृद्धि, जीवनकाल में वृद्धि और मजबूती में सुधार की अपार संभावनाएं मौजूद हैं। उच्च गुणवत्ता वाले और सस्ते सक्रिय कार्बन कच्चे माल की खोज, स्वच्छ और कुशल सक्रिय कार्बन उत्पादन तकनीक का विकास, और विभिन्न अनुप्रयोग क्षेत्रों के अनुसार सक्रिय कार्बन की छिद्र संरचना का अनुकूलन और विनियमन, सक्रिय कार्बन उत्पादों की गुणवत्ता में सुधार और सक्रिय कार्बन उद्योग के उच्च गुणवत्ता वाले विकास को बढ़ावा देने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम होगा।