Optimasi struktur pori karbon berpori - II

Selamat datang di situs web kami untuk informasi produk dan konsultasi.

Situs web kami:https://www.vet-china.com/

 

Metode aktivasi fisik dan kimia

Metode aktivasi fisik dan kimia mengacu pada metode pembuatan material berpori dengan menggabungkan kedua metode aktivasi di atas. Umumnya, aktivasi kimia dilakukan terlebih dahulu, kemudian diikuti aktivasi fisik. Pertama, rendam selulosa dalam larutan H3PO4 68%~85% pada suhu 85℃ selama 2 jam, kemudian karbonisasi dalam tungku muffle selama 4 jam, dan selanjutnya diaktivasi dengan CO2. Luas permukaan spesifik karbon aktif yang diperoleh mencapai 3700 m2·g-1. Kemudian, coba gunakan serat sisal sebagai bahan baku, dan aktifkan serat karbon aktif (ACF) yang diperoleh dengan aktivasi H3PO4 sekali, panaskan hingga 830℃ di bawah perlindungan N2, dan kemudian gunakan uap air sebagai aktivator untuk aktivasi sekunder. Luas permukaan spesifik ACF yang diperoleh setelah 60 menit aktivasi meningkat secara signifikan.

 

Karakterisasi kinerja struktur pori dari material teraktivasikarbon

 
Metode karakterisasi kinerja karbon aktif yang umum digunakan dan arah aplikasinya ditunjukkan pada Tabel 2. Karakteristik struktur pori material dapat diuji dari dua aspek: analisis data dan analisis citra.

 

Kemajuan penelitian teknologi optimasi struktur pori karbon aktif

Meskipun karbon aktif memiliki pori-pori yang kaya dan luas permukaan spesifik yang besar, ia memiliki kinerja yang sangat baik di banyak bidang. Namun, karena selektivitas bahan baku yang luas dan kondisi preparasi yang kompleks, produk jadi umumnya memiliki kekurangan berupa struktur pori yang kacau, luas permukaan spesifik yang berbeda, distribusi ukuran pori yang tidak teratur, dan sifat kimia permukaan yang terbatas. Oleh karena itu, terdapat kekurangan seperti dosis yang besar dan adaptabilitas yang sempit dalam proses aplikasi, yang tidak dapat memenuhi persyaratan pasar. Karena itu, sangat penting untuk mengoptimalkan dan mengatur struktur serta meningkatkan kinerja pemanfaatannya secara komprehensif. Metode yang umum digunakan untuk mengoptimalkan dan mengatur struktur pori meliputi pengaturan kimia, pencampuran polimer, dan pengaturan aktivasi katalitik.

 

Teknologi pengaturan kimia

Teknologi pengaturan kimia mengacu pada proses aktivasi sekunder (modifikasi) material berpori yang diperoleh setelah aktivasi dengan reagen kimia, yaitu dengan mengikis pori-pori asli, memperluas mikropori, atau menciptakan mikropori baru untuk meningkatkan luas permukaan spesifik dan struktur pori material. Secara umum, produk akhir dari satu aktivasi biasanya direndam dalam larutan kimia 0,5~4 kali lipat untuk mengatur struktur pori dan meningkatkan luas permukaan spesifik. Semua jenis larutan asam dan basa dapat digunakan sebagai reagen untuk aktivasi sekunder.

 

Teknologi modifikasi oksidasi permukaan asam

Modifikasi oksidasi permukaan asam merupakan metode pengaturan yang umum digunakan. Pada suhu yang sesuai, oksidan asam dapat memperkaya pori-pori di dalam karbon aktif, meningkatkan ukuran pori, dan membersihkan pori-pori yang tersumbat. Saat ini, penelitian dalam dan luar negeri terutama berfokus pada modifikasi asam anorganik. HNO3 adalah oksidan yang umum digunakan, dan banyak peneliti menggunakan HNO3 untuk memodifikasi karbon aktif. Tong Li dkk. [28] menemukan bahwa HNO3 dapat meningkatkan kandungan gugus fungsional yang mengandung oksigen dan nitrogen pada permukaan karbon aktif dan meningkatkan efek adsorpsi merkuri.

Modifikasi karbon aktif dengan HNO3, setelah modifikasi, luas permukaan spesifik karbon aktif menurun dari 652 m2·g-1 menjadi 241 m2·g-1, ukuran pori rata-rata meningkat dari 1,27 nm menjadi 1,641 nm, dan kapasitas adsorpsi benzofenon dalam bensin simulasi meningkat sebesar 33,7%. Modifikasi karbon aktif kayu dengan konsentrasi volume HNO3 masing-masing 10% dan 70%. Hasil menunjukkan bahwa luas permukaan spesifik karbon aktif yang dimodifikasi dengan 10% HNO3 meningkat dari 925,45 m2·g-1 menjadi 960,52 m2·g-1; setelah modifikasi dengan 70% HNO3, luas permukaan spesifik menurun menjadi 935,89 m2·g-1. Tingkat penghilangan Cu2+ oleh karbon aktif yang dimodifikasi dengan dua konsentrasi HNO3 masing-masing berada di atas 70% dan 90%.

Untuk karbon aktif yang digunakan di bidang adsorpsi, efek adsorpsi tidak hanya bergantung pada struktur pori tetapi juga pada sifat kimia permukaan adsorben. Struktur pori menentukan luas permukaan spesifik dan kapasitas adsorpsi karbon aktif, sedangkan sifat kimia permukaan memengaruhi interaksi antara karbon aktif dan adsorbat. Akhirnya ditemukan bahwa modifikasi asam pada karbon aktif tidak hanya dapat menyesuaikan struktur pori di dalam karbon aktif dan membersihkan pori-pori yang tersumbat, tetapi juga meningkatkan kandungan gugus asam pada permukaan material dan meningkatkan polaritas serta hidrofilisitas permukaan. Kapasitas adsorpsi EDTA oleh karbon aktif yang dimodifikasi dengan HCl meningkat sebesar 49,5% dibandingkan dengan sebelum modifikasi, yang lebih baik daripada modifikasi dengan HNO3.

Karbon aktif komersial yang dimodifikasi dengan HNO3 dan H2O2 masing-masing! Luas permukaan spesifik setelah modifikasi masing-masing adalah 91,3% dan 80,8% dari luas permukaan sebelum modifikasi. Gugus fungsional yang mengandung oksigen baru seperti karboksil, karbonil, dan fenol ditambahkan ke permukaan. Kapasitas adsorpsi nitrobenzena dengan modifikasi HNO3 adalah yang terbaik, yaitu 3,3 kali lipat dari sebelum modifikasi. Ditemukan bahwa peningkatan kandungan gugus fungsional yang mengandung oksigen dalam karbon aktif setelah modifikasi asam menyebabkan peningkatan jumlah titik aktif permukaan, yang secara langsung berpengaruh pada peningkatan kapasitas adsorpsi adsorbat target.

Dibandingkan dengan asam anorganik, hanya sedikit laporan mengenai modifikasi karbon aktif dengan asam organik. Bandingkan efek modifikasi asam organik terhadap sifat struktur pori karbon aktif dan adsorpsi metanol. Setelah modifikasi, luas permukaan spesifik dan volume pori total karbon aktif menurun. Semakin kuat keasamannya, semakin besar penurunannya. Setelah modifikasi dengan asam oksalat, asam tartarat, dan asam sitrat, luas permukaan spesifik karbon aktif menurun dari 898,59 m2·g-1 menjadi 788,03 m2·g-1, 685,16 m2·g-1, dan 622,98 m2·g-1 secara berturut-turut. Namun, mikroporositas karbon aktif meningkat setelah modifikasi. Mikroporositas karbon aktif yang dimodifikasi dengan asam sitrat meningkat dari 75,9% menjadi 81,5%.

Modifikasi asam oksalat dan asam tartarat bermanfaat untuk adsorpsi metanol, sedangkan asam sitrat memiliki efek penghambat. Namun, J.Paul Chen dkk. [35] menemukan bahwa karbon aktif yang dimodifikasi dengan asam sitrat dapat meningkatkan adsorpsi ion tembaga. Lin Tang dkk. [36] memodifikasi karbon aktif komersial dengan asam format, asam oksalat, dan asam aminosulfonat. Setelah modifikasi, luas permukaan spesifik dan volume pori berkurang. Gugus fungsional yang mengandung oksigen seperti 0-HC-0, C-0 dan S=0 terbentuk pada permukaan produk jadi, dan saluran terukir yang tidak rata serta kristal putih muncul. Kapasitas adsorpsi kesetimbangan aseton dan isopropanol juga meningkat secara signifikan.

 

Teknologi modifikasi larutan alkali

Beberapa peneliti juga menggunakan larutan alkali untuk melakukan aktivasi sekunder pada karbon aktif. Karbon aktif berbahan dasar batubara buatan sendiri diimpregnasi dengan larutan NaOH dengan konsentrasi berbeda untuk mengontrol struktur pori. Hasil menunjukkan bahwa konsentrasi alkali yang lebih rendah kondusif untuk peningkatan dan perluasan pori. Efek terbaik dicapai ketika konsentrasi massa adalah 20%. Karbon aktif tersebut memiliki luas permukaan spesifik tertinggi (681 m2·g-1) dan volume pori (0,5916 cm3·g-1). Ketika konsentrasi massa NaOH melebihi 20%, struktur pori karbon aktif rusak dan parameter struktur pori mulai menurun. Hal ini karena konsentrasi larutan NaOH yang tinggi akan mengikis kerangka karbon dan sejumlah besar pori akan runtuh.

Pembuatan karbon aktif berkinerja tinggi dengan pencampuran polimer. Prekursornya adalah resin furfural dan alkohol furfuril, dan etilen glikol adalah agen pembentuk pori. Struktur pori dikendalikan dengan menyesuaikan kandungan ketiga polimer, dan diperoleh material berpori dengan ukuran pori antara 0,008 dan 5 μm. Beberapa peneliti telah membuktikan bahwa film poliuretan-imida (PUI) dapat dikarbonisasi untuk mendapatkan film karbon, dan struktur pori dapat dikendalikan dengan mengubah struktur molekul prepolimer poliuretan (PU) [41]. Ketika PUI dipanaskan hingga 200°C, PU dan poliimida (PI) akan dihasilkan. Ketika suhu perlakuan panas naik hingga 400°C, pirolisis PU menghasilkan gas, yang mengakibatkan pembentukan struktur pori pada film PI. Setelah karbonisasi, diperoleh film karbon. Selain itu, metode pencampuran polimer juga dapat meningkatkan beberapa sifat fisik dan mekanik material sampai batas tertentu.

 

Teknologi pengaturan aktivasi katalitik

Teknologi pengaturan aktivasi katalitik sebenarnya merupakan kombinasi dari metode aktivasi kimia dan metode aktivasi gas suhu tinggi. Umumnya, zat kimia ditambahkan ke bahan baku sebagai katalis, dan katalis tersebut digunakan untuk membantu proses karbonisasi atau aktivasi untuk mendapatkan material karbon berpori. Secara umum, logam biasanya memiliki efek katalitik, tetapi efek katalitiknya bervariasi.

Pada kenyataannya, biasanya tidak ada batasan yang jelas antara regulasi aktivasi kimia dan regulasi aktivasi katalitik pada material berpori. Hal ini karena kedua metode tersebut menambahkan reagen selama proses karbonisasi dan aktivasi. Peran spesifik reagen-reagen ini menentukan apakah metode tersebut termasuk dalam kategori aktivasi katalitik.

Struktur material karbon berpori itu sendiri, sifat fisik dan kimia katalis, kondisi reaksi katalitik, dan metode pemuatan katalis semuanya dapat memiliki pengaruh yang berbeda terhadap efek pengaturan. Dengan menggunakan batubara bitumen sebagai bahan baku, Mn(NO3)2 dan Cu(NO3)2 sebagai katalis dapat menghasilkan material berpori yang mengandung oksida logam. Jumlah oksida logam yang tepat dapat meningkatkan porositas dan volume pori, tetapi efek katalitik dari logam yang berbeda sedikit berbeda. Cu(NO3)2 dapat mendorong perkembangan pori dalam kisaran 1,5~2,0 nm. Selain itu, oksida logam dan garam anorganik yang terkandung dalam abu bahan baku juga akan berperan sebagai katalis dalam proses aktivasi. Xie Qiang dkk. [42] percaya bahwa reaksi aktivasi katalitik unsur-unsur seperti kalsium dan besi dalam materi anorganik dapat mendorong perkembangan pori. Ketika kandungan kedua unsur ini terlalu tinggi, proporsi pori sedang dan besar dalam produk meningkat secara signifikan.

 

Kesimpulan

Meskipun karbon aktif, sebagai material karbon berpori hijau yang paling banyak digunakan, telah memainkan peran penting dalam industri dan kehidupan, material ini masih memiliki potensi besar untuk ditingkatkan melalui perluasan bahan baku, pengurangan biaya, peningkatan kualitas, peningkatan efisiensi energi, perpanjangan umur pakai, dan peningkatan kekuatan. Menemukan bahan baku karbon aktif berkualitas tinggi dan murah, mengembangkan teknologi produksi karbon aktif yang bersih dan efisien, serta mengoptimalkan dan mengatur struktur pori karbon aktif sesuai dengan berbagai bidang aplikasi akan menjadi arah penting untuk meningkatkan kualitas produk karbon aktif dan mendorong pengembangan industri karbon aktif yang berkualitas tinggi.