Porózus szén pórusszerkezet optimalizálása -Ⅱ

Üdvözöljük weboldalunkon, ahol termékinformációkat és konzultációt talál.

Weboldalunk:https://www.vet-china.com/

 

Fizikai és kémiai aktiválási módszer

A fizikai és kémiai aktiválási módszer a porózus anyagok előállításának a fenti két aktiválási módszer kombinálásával történő módszerét jelenti. Általában először a kémiai aktiválást végzik, majd a fizikai aktiválást. Először a cellulózt 2 órán át 68%~85%-os H3PO4 oldatban áztatják 85 ℃-on, majd 4 órán át kemencében karbonizálják, végül pedig CO2-vel aktiválják. A kapott aktív szén fajlagos felülete elérte a 3700 m2·g-1 értéket. Nyersanyagként szizálrostot próbálnak használni, és a H3PO4 aktiválásával kapott aktív szénszálat (ACF) egyszer aktiválják, majd 830 ℃-ra melegítik N2-védelem alatt, végül vízgőzt használnak aktivátorként a másodlagos aktiváláshoz. Az ACF fajlagos felülete 60 perc aktiválás után jelentősen javult.

 

Az aktivált pórusszerkezet teljesítményének jellemzéseszén

 
Az aktív szén teljesítményjellemző módszereit és alkalmazási irányait a 2. táblázat mutatja. Az anyag pórusszerkezeti jellemzőit két szempontból lehet vizsgálni: adatelemzés és képelemzés segítségével.

 

Az aktív szén pórusszerkezet-optimalizálási technológiájának kutatási előrehaladása

Bár az aktív szén gazdag pórusokkal és hatalmas fajlagos felülettel rendelkezik, számos területen kiváló teljesítményt nyújt. Széleskörű alapanyag-szelektivitása és összetett előállítási körülményei miatt azonban a késztermékek általában kaotikus pórusszerkezettel, eltérő fajlagos felülettel, rendezetlen pórusméret-eloszlással és korlátozott felületi kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezért olyan hátrányokkal jár, mint a nagy dózis és a szűk alkalmazkodóképesség az alkalmazási folyamatban, amelyek nem tudják kielégíteni a piaci követelményeket. Ezért nagy gyakorlati jelentőséggel bír a szerkezet optimalizálása és szabályozása, valamint átfogó hasznosítási teljesítményének javítása. A pórusszerkezet optimalizálására és szabályozására gyakran használt módszerek közé tartozik a kémiai szabályozás, a polimerkeverés és a katalitikus aktiválás szabályozása.

 

Kémiai szabályozási technológia

A kémiai szabályozási technológia a kémiai reagensekkel történő aktiválás után kapott porózus anyagok másodlagos aktiválásának (módosításának) folyamatára utal, amelynek során az eredeti pórusokat erodálják, a mikropórusokat kitágítják, vagy új mikropórusokat hoznak létre az anyag fajlagos felületének és pórusszerkezetének növelése érdekében. Általánosságban elmondható, hogy az aktiválás utáni készterméket általában 0,5-4-szeres kémiai oldatba merítik a pórusszerkezet szabályozása és a fajlagos felület növelése érdekében. Mindenféle savas és lúgos oldat használható reagensként a másodlagos aktiváláshoz.

 

Savas felületoxidációs módosítási technológia

A savas felületi oxidációs módosítás egy gyakran használt szabályozási módszer. Megfelelő hőmérsékleten a savas oxidálószerek dúsíthatják az aktív szén pórusait, növelhetik pórusméretét és kitágíthatják az eltömődött pórusokat. Jelenleg a hazai és külföldi kutatások főként a szervetlen savak módosítására összpontosítanak. A HN03 egy gyakran használt oxidálószer, és sok tudós használja a HN03-at az aktív szén módosítására. Tong Li és munkatársai [28] kimutatták, hogy a HN03 növelheti az oxigén- és nitrogéntartalmú funkciós csoportok tartalmát az aktív szén felületén, és javíthatja a higany adszorpciós hatását.

Az aktív szén HN03-mal történő módosítása után a módosítás után az aktív szén fajlagos felülete 652 m²·g-1-ről 241 m²·g-1-re csökkent, az átlagos pórusméret 1,27 nm-ről 1,641 nm-re nőtt, a benzofenon adszorpciós kapacitása pedig szimulált benzinben 33,7%-kal nőtt. A fa aktív szén 10%, illetve 70% térfogatszázalékos HN03-koncentrációval történő módosítása után az eredmények azt mutatják, hogy a 10% HN03-mal módosított aktív szén fajlagos felülete 925,45 m²·g-1-ről 960,52 m²·g-1-re nőtt; a 70% HN03-mal történő módosítás után a fajlagos felület 935,89 m²·g-1-re csökkent. A két HN03-koncentrációval módosított aktív szén Cu2+ eltávolítási aránya 70%, illetve 90% felett volt.

Az adszorpciós területen használt aktív szén esetében az adszorpciós hatás nemcsak a pórusszerkezettől, hanem az adszorbens felületi kémiai tulajdonságaitól is függ. A pórusszerkezet határozza meg az aktív szén fajlagos felületét és adszorpciós kapacitását, míg a felületi kémiai tulajdonságok befolyásolják az aktív szén és az adszorbát közötti kölcsönhatást. Végül megállapították, hogy az aktív szén savas módosítása nemcsak az aktív szén belsejében lévő pórusszerkezetet képes módosítani és az eltömődött pórusokat kitisztítani, hanem növeli a savas csoportok tartalmát az anyag felületén, és fokozza a felület polaritását és hidrofilitását. A HCl-lel módosított aktív szén EDTA-jának adszorpciós kapacitása 49,5%-kal nőtt a módosítás előtti értékhez képest, ami jobb, mint a HNO3-mal módosítotté.

Módosított kereskedelmi aktív szén HNO3-mal és H2O2-val! A módosítás utáni fajlagos felület a módosítás előtti érték 91,3%-a, illetve 80,8%-a volt. Új oxigéntartalmú funkciós csoportokat, például karboxil-, karbonil- és fenolcsoportokat adtak a felülethez. A HNO3-mal módosított nitrobenzol adszorpciós kapacitása volt a legjobb, 3,3-szorosa a módosítás előttinek. Megállapították, hogy az oxigéntartalmú funkciós csoportok tartalmának növekedése az aktív szénben a savas módosítás után a felületaktív pontok számának növekedéséhez vezetett, ami közvetlen hatással volt a cél adszorbátum adszorpciós kapacitásának javítására.

A szervetlen savakkal összehasonlítva kevés beszámoló foglalkozik az aktív szén szerves savas módosításával. Hasonlítsuk össze a szerves savas módosítás hatását az aktív szén pórusszerkezeti tulajdonságaira és a metanol adszorpciójára. A módosítás után az aktív szén fajlagos felülete és teljes pórustérfogata csökkent. Minél erősebb a savasság, annál nagyobb a csökkenés. Oxálsavval, borkősavval és citromsavval történő módosítás után az aktív szén fajlagos felülete 898,59 m2·g-1-ről 788,03 m2·g-1-re, 685,16 m2·g-1-re és 622,98 m2·g-1-re csökkent. Az aktív szén mikroporozitása azonban a módosítás után megnőtt. A citromsavval módosított aktív szén mikroporozitása 75,9%-ról 81,5%-ra nőtt.

Az oxálsav és a borkősav módosítása előnyös a metanol adszorpciója szempontjából, míg a citromsav gátló hatású. J.Paul Chen és munkatársai [35] azonban kimutatták, hogy a citromsavval módosított aktív szén fokozhatja a rézionok adszorpcióját. Lin Tang és munkatársai [36] hangyasavval, oxálsavval és aminoszulfonsavval módosították a kereskedelmi forgalomban kapható aktív szenet. A módosítás után a fajlagos felület és a pórustérfogat csökkent. A késztermék felületén oxigéntartalmú funkciós csoportok, például 0-HC-0, C-0 és S=0 képződtek, és egyenetlen maratott csatornák és fehér kristályok jelentek meg. Az aceton és az izopropanol egyensúlyi adszorpciós kapacitása is jelentősen megnőtt.

 

Lúgos oldatmódosítási technológia

Egyes tudósok lúgos oldatot is használtak az aktív szén másodlagos aktiválásához. A házi készítésű szén alapú aktív szenet különböző koncentrációjú Na0H-oldattal impregnálták a pórusszerkezet szabályozása érdekében. Az eredmények azt mutatták, hogy az alacsonyabb lúgkoncentráció elősegítette a pórusok növekedését és tágulását. A legjobb hatást 20%-os tömegkoncentrációnál érték el. Az aktív szén rendelkezett a legnagyobb fajlagos felülettel (681 m2·g-1) és pórustérfogattal (0,5916 cm3·g-1). Amikor a Na0H tömegkoncentrációja meghaladja a 20%-ot, az aktív szén pórusszerkezete megsemmisül, és a pórusszerkezeti paraméterek csökkenni kezdenek. Ez azért van, mert a magas Na0H-oldat koncentrációja korrodálja a szénvázat, és nagyszámú pórus összeomlik.

Nagy teljesítményű aktív szén előállítása polimer keveréssel. A prekurzorok furfurolgyanta és furfuril-alkohol voltak, pórusképzőként pedig etilénglikol. A pórusszerkezetet a három polimer tartalmának beállításával szabályozták, így egy 0,008 és 5 μm közötti pórusméretű porózus anyagot kaptak. Egyes tudósok bebizonyították, hogy a poliuretán-imid film (PUI) karbonizálható szénfilm előállításához, és a pórusszerkezet a poliuretán (PU) prepolimer molekulaszerkezetének megváltoztatásával szabályozható [41]. Amikor a PUI-t 200°C-ra melegítik, PU és poliimid (PI) keletkezik. Amikor a hőkezelési hőmérséklet 400°C-ra emelkedik, a PU pirolízis gázt termel, ami pórusszerkezet kialakulásához vezet a PI filmen. A karbonizálás után szénfilm keletkezik. Ezenkívül a polimer keverési módszer bizonyos mértékig javíthatja az anyag egyes fizikai és mechanikai tulajdonságait is.

 

Katalitikus aktiválási szabályozási technológia

A katalitikus aktiválás szabályozási technológiája valójában a kémiai aktiválási módszer és a magas hőmérsékletű gázaktiválási módszer kombinációja. Általában vegyi anyagokat adnak a nyersanyagokhoz katalizátorként, és a katalizátorokat a karbonizációs vagy aktiválási folyamat elősegítésére használják porózus szénanyagok előállításához. Általánosságban elmondható, hogy a fémek általában katalitikus hatással rendelkeznek, de a katalitikus hatások változóak.

Valójában általában nincs egyértelmű határvonal a porózus anyagok kémiai aktiválási szabályozása és katalitikus aktiválási szabályozása között. Ez azért van, mert mindkét módszer reagenseket ad hozzá a karbonizációs és aktiválási folyamat során. Ezen reagensek specifikus szerepe határozza meg, hogy a módszer a katalitikus aktiválás kategóriájába tartozik-e.

Magának a porózus szénanyagnak a szerkezete, a katalizátor fizikai és kémiai tulajdonságai, a katalitikus reakciókörülmények és a katalizátoradagolási módszer mind különböző mértékben befolyásolhatják a szabályozási hatást. Bitumenes szén alapanyagként történő felhasználásával, Mn(N03)2 és Cu(N03)2 katalizátorokkal fém-oxidokat tartalmazó porózus anyagok állíthatók elő. A megfelelő mennyiségű fém-oxid javíthatja a porozitást és a pórustérfogatot, de a különböző fémek katalitikus hatása kissé eltérő. A Cu(N03)2 elősegítheti az 1,5~2,0 nm tartományban lévő pórusok kialakulását. Ezenkívül a nyersanyag hamujában található fém-oxidok és szervetlen sók is katalitikus szerepet játszanak az aktiválási folyamatban. Xie Qiang és munkatársai [42] úgy vélték, hogy az olyan elemek, mint a kalcium és a vas szervetlen anyagban történő katalitikus aktiválási reakciója elősegítheti a pórusok kialakulását. Amikor e két elem tartalma túl magas, a közepes és nagy pórusok aránya a termékben jelentősen megnő.

 

Következtetés

Bár az aktív szén, mint a legszélesebb körben használt zöld porózus szénanyag, fontos szerepet játszott az iparban és az életben, még mindig nagy potenciállal rendelkezik a nyersanyag-bővítés, a költségek csökkentése, a minőség javítása, az energiafelhasználás javítása, az élettartam meghosszabbítása és a szilárdság növelése terén. A kiváló minőségű és olcsó aktív szén nyersanyagok felkutatása, a tiszta és hatékony aktív szén előállítási technológia fejlesztése, valamint az aktív szén pórusszerkezetének optimalizálása és szabályozása a különböző alkalmazási területek szerint fontos irány lesz az aktív széntermékek minőségének javításában és az aktív szénipar magas színvonalú fejlesztésének előmozdításában.