Ottimizzazione della struttura dei pori del carbonio poroso -Ⅱ

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Metodo di attivazione fisica e chimica

Il metodo di attivazione fisica e chimica si riferisce al metodo di preparazione di materiali porosi combinando i due metodi di attivazione sopra descritti. Generalmente, l'attivazione chimica viene eseguita per prima, seguita da quella fisica. Inizialmente, la cellulosa viene immersa in una soluzione di H3PO4 al 68%~85% a 85°C per 2 ore, quindi carbonizzata in un forno a muffola per 4 ore e infine attivata con CO2. L'area superficiale specifica del carbone attivo ottenuto è stata pari a 3700 m²·g-1. È stata utilizzata fibra di sisal come materia prima e la fibra di carbone attivo (ACF) ottenuta mediante attivazione con H3PO4 è stata attivata una volta, riscaldata a 830°C sotto protezione di N2 e quindi utilizzata vapore acqueo come attivatore per l'attivazione secondaria. L'area superficiale specifica dell'ACF ottenuta dopo 60 minuti di attivazione è risultata significativamente migliorata.

 

Caratterizzazione delle prestazioni della struttura dei pori di materiale attivatocarbonio

 
Nella Tabella 2 sono riportati i metodi di caratterizzazione delle prestazioni del carbone attivo e le relative indicazioni applicative più comunemente utilizzati. Le caratteristiche della struttura dei pori del materiale possono essere testate da due punti di vista: analisi dei dati e analisi delle immagini.

 

Progressi nella ricerca sulla tecnologia di ottimizzazione della struttura dei pori del carbone attivo

Sebbene il carbone attivo abbia pori ricchi e un'ampia superficie specifica, offre prestazioni eccellenti in molti campi. Tuttavia, a causa dell'ampia selettività delle materie prime e delle complesse condizioni di preparazione, i prodotti finiti presentano generalmente gli svantaggi di una struttura porosa caotica, diverse aree superficiali specifiche, una distribuzione disordinata delle dimensioni dei pori e proprietà chimiche superficiali limitate. Pertanto, vi sono svantaggi come un dosaggio elevato e una scarsa adattabilità nel processo di applicazione, che non possono soddisfare i requisiti del mercato. Pertanto, è di grande importanza pratica ottimizzare e regolare la struttura e migliorarne le prestazioni di utilizzo complessive. I metodi comunemente utilizzati per ottimizzare e regolare la struttura porosa includono la regolazione chimica, la miscelazione di polimeri e la regolazione dell'attivazione catalitica.

 

Tecnologia di regolazione chimica

La tecnologia di regolazione chimica si riferisce al processo di attivazione secondaria (modificazione) di materiali porosi ottenuti dopo l'attivazione con reagenti chimici, erodendo i pori originali, espandendo i micropori o creandone di nuovi per aumentare la superficie specifica e la struttura dei pori del materiale. In generale, il prodotto finito di una singola attivazione viene immerso in una soluzione chimica da 0,5 a 4 volte superiore per regolare la struttura dei pori e aumentare la superficie specifica. Come reagenti per l'attivazione secondaria possono essere utilizzate soluzioni acide e alcaline di ogni tipo.

 

Tecnologia di modifica dell'ossidazione superficiale acida

La modificazione mediante ossidazione superficiale acida è un metodo di regolazione comunemente utilizzato. A una temperatura appropriata, gli ossidanti acidi possono arricchire i pori all'interno del carbone attivo, migliorarne le dimensioni e rimuovere i pori ostruiti. Attualmente, la ricerca nazionale ed estera si concentra principalmente sulla modifica degli acidi inorganici. L'HN03 è un ossidante comunemente utilizzato e molti studiosi lo utilizzano per modificare il carbone attivo. Tong Li et al. [28] hanno scoperto che l'HN03 può aumentare il contenuto di gruppi funzionali contenenti ossigeno e azoto sulla superficie del carbone attivo e migliorare l'effetto di adsorbimento del mercurio.

Modificando il carbone attivo con HN03, dopo la modifica, l'area superficiale specifica del carbone attivo è diminuita da 652 m²·g-1 a 241 m²·g-1, la dimensione media dei pori è aumentata da 1,27 nm a 1,641 nm e la capacità di adsorbimento del benzofenone nella benzina simulata è aumentata del 33,7%. Modificando il carbone attivo da legno con una concentrazione in volume di HN03 rispettivamente del 10% e del 70%. I risultati mostrano che l'area superficiale specifica del carbone attivo modificato con il 10% di HN03 è aumentata da 925,45 m²·g-1 a 960,52 m²·g-1; dopo la modifica con il 70% di HN03, l'area superficiale specifica è diminuita a 935,89 m²·g-1. I tassi di rimozione di Cu2+ da parte del carbone attivo modificato con due concentrazioni di HN03 erano rispettivamente superiori al 70% e al 90%.

Per il carbone attivo utilizzato nel campo dell'adsorbimento, l'effetto di adsorbimento dipende non solo dalla struttura dei pori, ma anche dalle proprietà chimiche superficiali dell'adsorbente. La struttura dei pori determina l'area superficiale specifica e la capacità di adsorbimento del carbone attivo, mentre le proprietà chimiche superficiali influenzano l'interazione tra carbone attivo e adsorbato. Infine, si è scoperto che la modifica acida del carbone attivo non solo può regolare la struttura dei pori all'interno del carbone attivo e liberare i pori ostruiti, ma anche aumentare il contenuto di gruppi acidi sulla superficie del materiale e migliorarne la polarità e l'idrofilia. La capacità di adsorbimento dell'EDTA da parte del carbone attivo modificato con HCI è aumentata del 49,5% rispetto a quella prima della modifica, un risultato migliore rispetto a quello ottenuto con la modifica con HNO3.

Carbone attivo commerciale modificato con HNO3 e H₂O₂ rispettivamente! Le aree superficiali specifiche dopo la modifica erano rispettivamente il 91,3% e l'80,8% di quelle prima della modifica. Alla superficie sono stati aggiunti nuovi gruppi funzionali contenenti ossigeno come carbossile, carbonile e fenolo. La capacità di adsorbimento del nitrobenzene mediante modifica con HNO3 è stata la migliore, risultando 3,3 volte superiore a quella prima della modifica. Si è riscontrato che l'aumento del contenuto di gruppi funzionali contenenti ossigeno nel carbone attivo dopo la modifica acida ha portato a un aumento del numero di punti tensioattivi, con un effetto diretto sul miglioramento della capacità di adsorbimento dell'adsorbato target.

Rispetto agli acidi inorganici, esistono pochi studi sulla modifica del carbone attivo con acidi organici. Si confrontino gli effetti della modifica con acidi organici sulle proprietà della struttura dei pori del carbone attivo e sull'adsorbimento del metanolo. Dopo la modifica, l'area superficiale specifica e il volume totale dei pori del carbone attivo sono diminuiti. Maggiore è l'acidità, maggiore è la diminuzione. Dopo la modifica con acido ossalico, acido tartarico e acido citrico, l'area superficiale specifica del carbone attivo è diminuita da 898,59 m²·g-1 a 788,03 m²·g-1, 685,16 m²·g-1 e 622,98 m²·g-1, rispettivamente. Tuttavia, la microporosità del carbone attivo è aumentata dopo la modifica. La microporosità del carbone attivo modificato con acido citrico è aumentata dal 75,9% all'81,5%.

La modifica con acido ossalico e acido tartarico è benefica per l'adsorbimento del metanolo, mentre l'acido citrico ha un effetto inibitorio. Tuttavia, J. Paul Chen et al. [35] hanno scoperto che il carbone attivo modificato con acido citrico può migliorare l'adsorbimento degli ioni rame. Lin Tang et al. [36] hanno modificato il carbone attivo commerciale con acido formico, acido ossalico e acido amminosolfonico. Dopo la modifica, l'area superficiale specifica e il volume dei pori sono stati ridotti. Sulla superficie del prodotto finito si sono formati gruppi funzionali contenenti ossigeno come 0-HC-0, C-0 e S=0, e sono comparsi canali incisi in modo irregolare e cristalli bianchi. Anche la capacità di adsorbimento all'equilibrio di acetone e isopropanolo è aumentata significativamente.

 

Tecnologia di modifica della soluzione alcalina

Alcuni studiosi hanno anche utilizzato una soluzione alcalina per eseguire l'attivazione secondaria sul carbone attivo. Impregnare il carbone attivo fatto in casa a base di carbone con una soluzione di NaOH a diverse concentrazioni per controllare la struttura dei pori. I risultati hanno mostrato che una minore concentrazione di alcali favoriva l'aumento e l'espansione dei pori. L'effetto migliore è stato ottenuto con una concentrazione in massa del 20%. Il carbone attivo presentava la maggiore area superficiale specifica (681 m²·g-1) e il volume dei pori (0,5916 cm³·g-1). Quando la concentrazione in massa di NaOH supera il 20%, la struttura dei pori del carbone attivo viene distrutta e i parametri della struttura dei pori iniziano a diminuire. Questo perché l'elevata concentrazione di soluzione di NaOH corrode lo scheletro del carbone e un gran numero di pori collassa.

Preparazione di carbone attivo ad alte prestazioni mediante miscelazione di polimeri. I precursori erano resina furfurale e alcol furfurilico, mentre l'agente poroso era il glicole etilenico. La struttura dei pori è stata controllata regolando il contenuto dei tre polimeri, ottenendo un materiale poroso con una dimensione dei pori compresa tra 0,008 e 5 μm. Alcuni studiosi hanno dimostrato che il film di poliuretano-immide (PUI) può essere carbonizzato per ottenere un film di carbone, e che la struttura dei pori può essere controllata modificando la struttura molecolare del prepolimero di poliuretano (PU) [41]. Riscaldando il PUI a 200 °C, si generano PU e poliimmide (PI). Quando la temperatura di trattamento termico sale a 400 °C, la pirolisi del PU produce gas, con conseguente formazione di una struttura porosa sul film di PI. Dopo la carbonizzazione, si ottiene un film di carbone. Inoltre, il metodo di miscelazione dei polimeri può anche migliorare in una certa misura alcune proprietà fisiche e meccaniche del materiale.

 

Tecnologia di regolazione dell'attivazione catalitica

La tecnologia di regolazione dell'attivazione catalitica è in realtà una combinazione di un metodo di attivazione chimica e di un metodo di attivazione gassosa ad alta temperatura. Generalmente, sostanze chimiche vengono aggiunte alle materie prime come catalizzatori e i catalizzatori vengono utilizzati per coadiuvare il processo di carbonizzazione o attivazione al fine di ottenere materiali carboniosi porosi. In generale, i metalli hanno generalmente effetti catalitici, ma gli effetti catalitici variano.

In effetti, di solito non esiste un confine netto tra la regolazione dell'attivazione chimica e la regolazione dell'attivazione catalitica dei materiali porosi. Questo perché entrambi i metodi aggiungono reagenti durante il processo di carbonizzazione e attivazione. Il ruolo specifico di questi reagenti determina se il metodo appartiene alla categoria dell'attivazione catalitica.

La struttura del materiale carbonioso poroso stesso, le proprietà fisiche e chimiche del catalizzatore, le condizioni di reazione catalitica e il metodo di caricamento del catalizzatore possono avere diversi gradi di influenza sull'effetto di regolazione. Utilizzando carbone bituminoso come materia prima, Mn(N03)2 e Cu(N03)2 come catalizzatori possono preparare materiali porosi contenenti ossidi metallici. La quantità appropriata di ossidi metallici può migliorare la porosità e il volume dei pori, ma gli effetti catalitici dei diversi metalli sono leggermente diversi. Cu(N03)2 può promuovere lo sviluppo di pori nell'intervallo 1,5~2,0 nm. Inoltre, gli ossidi metallici e i sali inorganici contenuti nelle ceneri della materia prima svolgono anche un ruolo catalitico nel processo di attivazione. Xie Qiang et al. [42] ritenevano che la reazione di attivazione catalitica di elementi come calcio e ferro nella materia inorganica potesse promuovere lo sviluppo di pori. Quando il contenuto di questi due elementi è troppo elevato, la proporzione di pori medi e grandi nel prodotto aumenta significativamente.

 

Conclusione

Sebbene il carbone attivo, in quanto materiale poroso verde più ampiamente utilizzato, abbia svolto un ruolo importante nell'industria e nella vita, ha ancora un grande potenziale di miglioramento in termini di espansione delle materie prime, riduzione dei costi, miglioramento della qualità, miglioramento energetico, estensione della durata e aumento della resistenza. L'individuazione di materie prime di carbone attivo di alta qualità ed economiche, lo sviluppo di tecnologie di produzione pulite ed efficienti e l'ottimizzazione e la regolazione della struttura porosa del carbone attivo in base ai diversi campi di applicazione saranno importanti direzioni per migliorare la qualità dei prodotti a base di carbone attivo e promuovere lo sviluppo di alta qualità dell'industria del carbone attivo.