다공성 탄소 기공 구조 최적화 -Ⅱ

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물리적 및 화학적 활성화 방법

물리화학적 활성화법은 위의 두 가지 활성화법을 조합하여 다공성 물질을 제조하는 방법을 말합니다. 일반적으로 화학적 활성화를 먼저 시행한 후 물리적 활성화를 시행합니다. 셀룰로스를 68%~85%의 인산수소산(H3PO4) 용액에 85℃에서 2시간 동안 침지한 후, 머플로에서 4시간 동안 탄화시키고, 이산화탄소로 활성화합니다. 얻어진 활성탄의 비표면적은 3700m²·g²로 매우 높았습니다. 사이잘삼 섬유를 원료로 사용하고, 인산수소산 활성화로 얻은 활성탄 섬유(ACF)를 1회 활성화한 후, 질소 분위기에서 830℃로 가열하고, 수증기를 활성화제로 사용하여 2차 활성화를 시도했습니다. 활성화 60분 후 얻어진 ACF의 비표면적이 크게 향상되었습니다.

 

활성화된 기공 구조 성능의 특성화탄소

 
일반적으로 사용되는 활성탄 성능 특성화 방법과 적용 방향은 표 2에 나와 있습니다. 재료의 기공 구조 특성은 데이터 분석과 이미지 분석의 두 가지 측면에서 테스트할 수 있습니다.

 

활성탄의 기공구조 최적화 기술 연구 진행

활성탄은 풍부한 기공과 넓은 비표면적을 가지고 있지만, 여러 분야에서 우수한 성능을 보입니다. 그러나 넓은 원료 선택성과 복잡한 제조 조건으로 인해, 최종 제품은 일반적으로 무질서한 기공 구조, 다양한 비표면적, 불규칙한 기공 크기 분포, 그리고 제한된 표면 화학적 특성이라는 단점을 가지고 있습니다. 따라서 고용량 및 적용 공정의 제한적인 적응성과 같은 단점이 존재하며, 이는 시장 요구를 충족시키지 못합니다. 따라서 기공 구조를 최적화하고 조절하여 종합적인 활용 성능을 향상시키는 것은 매우 중요한 실질적 의의가 있습니다. 기공 구조를 최적화하고 조절하는 데 일반적으로 사용되는 방법으로는 화학적 조절, 폴리머 블렌딩, 촉매 활성화 조절 등이 있습니다.

 

화학 규제 기술

화학적 조절 기술은 화학 시약으로 활성화시킨 후 얻어진 다공성 물질을 2차 활성화(변형)시켜 원래 기공을 침식시키거나, 미세기공을 확장시키거나, 또는 새로운 미세기공을 생성하여 물질의 비표면적과 기공 구조를 증가시키는 과정을 말합니다. 일반적으로, 1차 활성화 후 완성된 제품은 기공 구조를 조절하고 비표면적을 증가시키기 위해 화학 용액의 0.5~4배 농도로 침지됩니다. 2차 활성화를 위한 시약으로는 모든 종류의 산 및 알칼리 용액을 사용할 수 있습니다.

 

산성 표면 산화 개질 기술

산 표면 산화 개질은 일반적으로 사용되는 조절 방법입니다. 적절한 온도에서 산성 산화제는 활성탄 내부의 기공을 풍부하게 하고, 기공 크기를 개선하며, 막힌 기공을 제거할 수 있습니다. 현재 국내외 연구는 주로 무기산의 개질에 집중되어 있습니다. HNO3는 일반적으로 사용되는 산화제이며, 많은 학자들이 HNO3를 사용하여 활성탄을 개질합니다. Tong Li 등[28]은 HNO3가 활성탄 표면의 산소 및 질소 함유 작용기 함량을 증가시키고 수은 흡착 효과를 향상시킬 수 있음을 발견했습니다.

활성탄을 HNO3로 개질한 후, 개질 후 활성탄의 비표면적이 652m2·g-1에서 241m2·g-1로 감소하고, 평균 기공 크기는 1.27nm에서 1.641nm로 증가했으며, 모의 가솔린에서 벤조페논의 흡착 용량이 33.7% 증가했습니다. 목재 활성탄을 각각 10% 및 70% 부피 농도의 HNO3로 개질했습니다. 결과에 따르면 10% HNO3로 개질된 활성탄의 비표면적이 925.45m2·g-1에서 960.52m2·g-1로 증가했습니다. 70% HNO3로 개질한 후 비표면적이 935.89m2·g-1로 감소했습니다. 두 가지 농도의 HNO3로 개질된 활성탄의 Cu2+ 제거율은 각각 70%와 90% 이상이었습니다.

흡착 분야에 사용되는 활성탄의 경우, 흡착 효과는 기공 구조뿐만 아니라 흡착제의 표면 화학적 특성에도 영향을 받습니다. 기공 구조는 활성탄의 비표면적과 흡착 용량을 결정하는 반면, 표면 화학적 특성은 활성탄과 흡착질 사이의 상호작용에 영향을 미칩니다. 마지막으로, 활성탄의 산 개질은 활성탄 내부의 기공 구조를 조절하고 막힌 기공을 제거할 뿐만 아니라, 물질 표면의 산성기 함량을 증가시키고 표면의 극성과 친수성을 향상시킬 수 있음을 발견했습니다. HCl로 개질된 활성탄에 의한 EDTA의 흡착 용량은 개질 전보다 49.5% 증가했으며, 이는 HNO3 개질보다 우수했습니다.

시판 활성탄에 각각 HNO3와 H2O2를 첨가하여 개질했습니다! 개질 후 비표면적은 개질 전의 91.3%와 80.8%였습니다. 카르복실, 카르보닐, 페놀과 같은 새로운 산소 함유 작용기를 표면에 첨가했습니다. HNO3 개질에 의한 니트로벤젠의 흡착 용량은 개질 전보다 3.3배 증가하여 가장 우수했습니다. 산 개질 후 활성탄 내 산소 함유 작용기 함량이 증가함에 따라 표면 활성점이 증가하여 대상 흡착질의 흡착 용량 향상에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

무기산에 비해 활성탄의 유기산 개질에 대한 보고는 거의 없습니다. 유기산 개질이 활성탄의 기공 구조 특성과 메탄올 흡착에 미치는 영향을 비교합니다. 개질 후 활성탄의 비표면적과 총 기공 부피는 감소했습니다. 산성도가 강할수록 감소폭이 컸습니다. 옥살산, 타르타르산, 구연산으로 개질한 활성탄의 비표면적은 각각 898.59m²·g-1에서 788.03m²·g-1, 685.16m²·g-1, 622.98m²·g-1로 감소했습니다. 그러나 개질 후 활성탄의 미세기공률은 증가했습니다. 구연산으로 개질한 활성탄의 미세기공률은 75.9%에서 81.5%로 증가했습니다.

옥살산과 타르타르산 개질은 메탄올의 흡착에 유익하지만 구연산은 억제 효과가 있습니다.그러나 J.Paul Chen 등[35]은 구연산으로 개질된 활성탄이 구리 이온의 흡착을 향상시킬 수 있음을 발견했습니다.Lin Tang 등[36]은 상업용 활성탄을 포름산, 옥살산 및 아미노설폰산으로 개질했습니다.개질 후 비표면적과 기공 부피가 감소했습니다.O-HC-O, C-O 및 S=O와 같은 산소 함유 작용기가 완제품 표면에 형성되었고 고르지 않은 에칭 채널과 흰색 결정이 나타났습니다.아세톤과 이소프로판올의 평형 흡착 용량도 크게 증가했습니다.

 

알칼리 용액 개질 기술

일부 학자들은 활성탄에 2차 활성화를 수행하기 위해 알칼리 용액을 사용하기도 했습니다. 자체 제작한 석탄 기반 활성탄에 다양한 농도의 NaOH 용액을 함침시켜 기공 구조를 제어했습니다. 그 결과, 알칼리 농도가 낮을수록 기공이 증가하고 팽창하는 데 도움이 되는 것으로 나타났습니다. 질량 농도가 20%일 때 가장 큰 효과를 보였습니다. 활성탄은 비표면적(681m²·g-1)과 기공 부피(0.5916cm³·g-1)가 가장 높았습니다. NaOH의 질량 농도가 20%를 초과하면 활성탄의 기공 구조가 파괴되고 기공 구조 매개변수가 감소하기 시작합니다. 이는 고농도의 NaOH 용액이 탄소 골격을 부식시켜 많은 수의 기공이 붕괴되기 때문입니다.

고분자 블렌딩을 통한 고성능 활성탄 제조. 전구체로는 푸르푸랄 수지와 푸르푸릴 알코올을 사용하였고, 기공 형성제로는 에틸렌 글리콜을 사용하였다. 세 가지 고분자의 함량을 조절하여 기공 구조를 제어하였고, 기공 크기가 0.008~5 μm인 다공성 물질을 얻었다. 일부 학자들은 폴리우레탄-이미드 필름(PUI)을 탄화시켜 탄소 필름을 얻을 수 있으며, 폴리우레탄(PU) 프리폴리머의 분자 구조를 변화시킴으로써 기공 구조를 제어할 수 있음을 증명하였다[41]. PUI를 200°C로 가열하면 PU와 폴리이미드(PI)가 생성된다. 열처리 온도가 400°C로 상승하면 PU의 열분해로 인해 가스가 발생하여 PI 필름에 기공 구조가 형성된다. 탄화 후 탄소 필름이 얻어진다. 또한, 고분자 블렌딩 방법은 재료의 물리적, 기계적 특성을 어느 정도 향상시킬 수 있다.

 

촉매 활성화 조절 기술

촉매 활성화 조절 기술은 실제로 화학적 활성화 방법과 고온 가스 활성화 방법을 결합한 기술입니다. 일반적으로 화학 물질을 촉매로 원료에 첨가하여 탄화 또는 활성화 과정을 보조하여 다공성 탄소 물질을 얻는 기술입니다. 일반적으로 금속은 촉매 효과를 가지고 있지만, 그 효과는 다양합니다.

실제로 다공성 물질의 화학적 활성화 조절과 촉매적 활성화 조절 사이에는 명확한 경계가 없는 경우가 많습니다. 이는 두 방법 모두 탄화 및 활성화 과정에서 시약을 첨가하기 때문입니다. 이러한 시약의 구체적인 역할에 따라 해당 방법이 촉매 활성화 범주에 속하는지 여부가 결정됩니다.

다공성 탄소 물질 자체의 구조, 촉매의 물리적 및 화학적 특성, 촉매 반응 조건 및 촉매 담지 방법은 모두 조절 효과에 미치는 영향의 정도가 다를 수 있습니다. 원료로 역청탄을 사용하고 촉매로 Mn(NO3)2와 Cu(NO3)2를 사용하면 금속 산화물을 함유하는 다공성 물질을 제조할 수 있습니다. 적절한 양의 금속 산화물은 다공성과 기공 부피를 개선할 수 있지만, 다른 금속의 촉매 효과는 약간 다릅니다. Cu(NO3)2는 1.5~2.0nm 범위의 기공 발달을 촉진할 수 있습니다. 또한, 원료 재에 함유된 금속 산화물과 무기염도 활성화 과정에서 촉매 역할을 합니다. Xie Qiang 등[42]은 무기물에서 칼슘과 철과 같은 원소의 촉매 활성화 반응이 기공 발달을 촉진할 수 있다고 믿었습니다. 이 두 원소의 함량이 너무 높으면 제품에서 중간 및 큰 기공의 비율이 크게 증가합니다.

 

결론

활성탄은 가장 널리 사용되는 친환경 다공성 탄소 소재로서 산업과 생활에서 중요한 역할을 해왔지만, 원료 확장, 원가 절감, 품질 향상, 에너지 효율 향상, 수명 연장 및 강도 향상 측면에서 여전히 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 고품질의 저렴한 활성탄 원료를 확보하고, 깨끗하고 효율적인 활성탄 생산 기술을 개발하며, 다양한 응용 분야에 따라 활성탄의 기공 구조를 최적화하고 조절하는 것은 활성탄 제품의 품질을 향상시키고 활성탄 산업의 고품질 발전을 촉진하는 중요한 방향이 될 것입니다.