Otimização da estrutura de poros de carbono poroso - II

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Método de ativação física e química

O método de ativação física e química refere-se ao método de preparação de materiais porosos pela combinação dos dois métodos de ativação acima. Geralmente, a ativação química é realizada primeiro e, em seguida, a ativação física é realizada. Primeiramente, a celulose é embebida em solução de H3PO4 68% ~ 85% a 85 ℃ por 2 h, depois carbonizada em um forno mufla por 4 h e, em seguida, ativada com CO2. A área superficial específica do carvão ativado obtido foi tão alta quanto 3700 m2 · g-1. Tente usar fibra de sisal como matéria-prima e ative a fibra de carvão ativado (ACF) obtida pela ativação de H3PO4 uma vez, aqueça-a a 830 ℃ sob proteção de N2 e, em seguida, use vapor de água como ativador para ativação secundária. A área superficial específica do ACF obtida após 60 min de ativação foi significativamente melhorada.

 

Caracterização do desempenho da estrutura dos poros decarbono

 
Os métodos de caracterização de desempenho do carvão ativado comumente usados ​​e as instruções de aplicação são mostrados na Tabela 2. As características da estrutura dos poros do material podem ser testadas a partir de dois aspectos: análise de dados e análise de imagens.

 

Progresso da pesquisa sobre tecnologia de otimização da estrutura de poros de carvão ativado

Embora o carvão ativado possua poros ricos e uma enorme área superficial específica, ele apresenta excelente desempenho em diversas áreas. No entanto, devido à sua ampla seletividade de matéria-prima e às complexas condições de preparação, os produtos acabados geralmente apresentam as desvantagens de estrutura de poros caótica, diferentes áreas superficiais específicas, distribuição desordenada do tamanho dos poros e propriedades químicas superficiais limitadas. Portanto, existem desvantagens como alta dosagem e pouca adaptabilidade no processo de aplicação, que não atendem às exigências do mercado. Portanto, é de grande importância prática otimizar e regular a estrutura e melhorar seu desempenho de utilização abrangente. Métodos comumente utilizados para otimizar e regular a estrutura de poros incluem regulação química, mistura de polímeros e regulação de ativação catalítica.

 

Tecnologia de regulação química

A tecnologia de regulação química refere-se ao processo de ativação secundária (modificação) de materiais porosos obtidos após ativação com reagentes químicos, erodindo os poros originais, expandindo os microporos ou criando novos microporos para aumentar a área superficial específica e a estrutura porosa do material. De modo geral, o produto final de uma ativação é imerso em 0,5 a 4 vezes de solução química para regular a estrutura porosa e aumentar a área superficial específica. Todos os tipos de soluções ácidas e alcalinas podem ser usados ​​como reagentes para ativação secundária.

 

Tecnologia de modificação de oxidação de superfície ácida

A modificação da superfície por oxidação ácida é um método de regulação comumente utilizado. Em uma temperatura adequada, oxidantes ácidos podem enriquecer os poros dentro do carvão ativado, melhorar seu tamanho de poros e desobstruir poros obstruídos. Atualmente, pesquisas nacionais e estrangeiras concentram-se principalmente na modificação de ácidos inorgânicos. O HNO3 é um oxidante comumente utilizado, e muitos estudiosos o utilizam para modificar o carvão ativado. Tong Li et al. [28] descobriram que o HNO3 pode aumentar o conteúdo de grupos funcionais contendo oxigênio e nitrogênio na superfície do carvão ativado e melhorar o efeito de adsorção de mercúrio.

Modificando o carvão ativado com HN03, após a modificação, a área de superfície específica do carvão ativado diminuiu de 652m2·g-1 para 241m2·g-1, o tamanho médio dos poros aumentou de 1,27nm para 1,641nm, e a capacidade de adsorção de benzofenona na gasolina simulada aumentou em 33,7%. Modificando o carvão ativado de madeira com 10% e 70% de concentração de volume de HN03, respectivamente. Os resultados mostram que a área de superfície específica do carvão ativado modificado com 10% de HN03 aumentou de 925,45m2·g-1 para 960,52m2·g-1; após a modificação com 70% de HN03, a área de superfície específica diminuiu para 935,89m2·g-1. As taxas de remoção de Cu2+ pelo carvão ativado modificado com duas concentrações de HN03 foram acima de 70% e 90%, respectivamente.

Para o carvão ativado usado no campo da adsorção, o efeito da adsorção depende não apenas da estrutura dos poros, mas também das propriedades químicas da superfície do adsorvente. A estrutura dos poros determina a área superficial específica e a capacidade de adsorção do carvão ativado, enquanto as propriedades químicas da superfície afetam a interação entre o carvão ativado e o adsorbato. Finalmente, verificou-se que a modificação ácida do carvão ativado pode não apenas ajustar a estrutura dos poros dentro do carvão ativado e limpar os poros bloqueados, mas também aumentar o conteúdo de grupos ácidos na superfície do material e melhorar a polaridade e a hidrofilicidade da superfície. A capacidade de adsorção do EDTA pelo carvão ativado modificado por HCl aumentou 49,5% em comparação com a anterior à modificação, o que foi melhor do que a da modificação por HNO3.

Carvão ativado comercial modificado com HNO3 e H2O2, respectivamente! As áreas superficiais específicas após a modificação foram de 91,3% e 80,8% daquelas antes da modificação, respectivamente. Novos grupos funcionais contendo oxigênio, como carboxila, carbonila e fenol, foram adicionados à superfície. A capacidade de adsorção do nitrobenzeno pela modificação com HNO3 foi a melhor, sendo 3,3 vezes maior que a anterior à modificação. Constatou-se que o aumento do teor de grupos funcionais contendo oxigênio no carvão ativado após a modificação ácida levou a um aumento no número de pontos ativos de superfície, o que teve um efeito direto na melhoria da capacidade de adsorção do adsorbato alvo.

Comparado com ácidos inorgânicos, há poucos relatos sobre a modificação de ácido orgânico do carvão ativado. Compare os efeitos da modificação de ácido orgânico nas propriedades da estrutura dos poros do carvão ativado e na adsorção de metanol. Após a modificação, a área de superfície específica e o volume total de poros do carvão ativado diminuíram. Quanto mais forte a acidez, maior a diminuição. Após a modificação com ácido oxálico, ácido tartárico e ácido cítrico, a área de superfície específica do carvão ativado diminuiu de 898,59 m2·g-1 para 788,03 m2·g-1, 685,16 m2·g-1 e 622,98 m2·g-1, respectivamente. No entanto, a microporosidade do carvão ativado aumentou após a modificação. A microporosidade do carvão ativado modificado com ácido cítrico aumentou de 75,9% para 81,5%.

A modificação com ácido oxálico e ácido tartárico é benéfica para a adsorção de metanol, enquanto o ácido cítrico tem um efeito inibitório. No entanto, J.Paul Chen et al. [35] descobriram que o carvão ativado modificado com ácido cítrico pode aumentar a adsorção de íons de cobre. Lin Tang et al. [36] modificaram o carvão ativado comercial com ácido fórmico, ácido oxálico e ácido aminossulfônico. Após a modificação, a área de superfície específica e o volume de poros foram reduzidos. Grupos funcionais contendo oxigênio, como O-HC-0, C-0 e S=0, foram formados na superfície do produto acabado, e canais gravados irregulares e cristais brancos apareceram. A capacidade de adsorção de equilíbrio de acetona e isopropanol também aumentou significativamente.

 

Tecnologia de modificação de solução alcalina

Alguns estudiosos também utilizaram soluções alcalinas para realizar a ativação secundária em carvão ativado. Impregnar carvão ativado caseiro à base de carvão com solução de Na2O3H em diferentes concentrações para controlar a estrutura dos poros. Os resultados mostraram que uma concentração alcalina mais baixa foi propícia ao aumento e expansão dos poros. O melhor efeito foi alcançado quando a concentração de massa foi de 20%. O carvão ativado apresentou a maior área de superfície específica (681 m²·g-1) e volume de poros (0,5916 cm³·g-1). Quando a concentração de massa de Na2O3 excede 20%, a estrutura dos poros do carvão ativado é destruída e os parâmetros da estrutura dos poros começam a diminuir. Isso ocorre porque a alta concentração da solução de Na2O3 corroerá o esqueleto de carbono e um grande número de poros entrará em colapso.

Preparação de carvão ativado de alto desempenho por mistura de polímeros. Os precursores foram resina furfural e álcool furfurílico, e o etilenoglicol foi o agente formador de poros. A estrutura dos poros foi controlada ajustando o teor dos três polímeros, obtendo-se um material poroso com tamanho de poro entre 0,008 e 5 μm. Alguns pesquisadores comprovaram que o filme de poliuretano-imida (PUI) pode ser carbonizado para obter um filme de carbono, e a estrutura dos poros pode ser controlada alterando a estrutura molecular do pré-polímero de poliuretano (PU) [41]. Quando o PUI é aquecido a 200 °C, PU e poliimida (PI) são gerados. Quando a temperatura do tratamento térmico sobe para 400 °C, a pirólise do PU produz gás, resultando na formação de uma estrutura porosa no filme de PI. Após a carbonização, obtém-se um filme de carbono. Além disso, o método de mistura de polímeros também pode melhorar algumas propriedades físicas e mecânicas do material até certo ponto.

 

Tecnologia de regulação de ativação catalítica

A tecnologia de regulação por ativação catalítica é, na verdade, uma combinação do método de ativação química e do método de ativação por gás de alta temperatura. Geralmente, substâncias químicas são adicionadas às matérias-primas como catalisadores, e os catalisadores são usados ​​para auxiliar o processo de carbonização ou ativação para obter materiais de carbono porosos. De modo geral, os metais geralmente têm efeitos catalíticos, mas estes variam.

De fato, geralmente não há uma fronteira clara entre a regulação da ativação química e a regulação da ativação catalítica de materiais porosos. Isso ocorre porque ambos os métodos adicionam reagentes durante o processo de carbonização e ativação. A função específica desses reagentes determina se o método pertence à categoria de ativação catalítica.

A estrutura do próprio material de carbono poroso, as propriedades físicas e químicas do catalisador, as condições da reação catalítica e o método de carregamento do catalisador podem ter diferentes graus de influência no efeito de regulação. Utilizando carvão betuminoso como matéria-prima, Mn(N03)2 e Cu(N03)2 como catalisadores podem preparar materiais porosos contendo óxidos metálicos. A quantidade adequada de óxidos metálicos pode melhorar a porosidade e o volume dos poros, mas os efeitos catalíticos de diferentes metais são ligeiramente diferentes. Cu(N03)2 pode promover o desenvolvimento de poros na faixa de 1,5 a 2,0 nm. Além disso, os óxidos metálicos e sais inorgânicos contidos nas cinzas da matéria-prima também desempenharão um papel catalítico no processo de ativação. Xie Qiang et al. [42] acreditam que a reação de ativação catalítica de elementos como cálcio e ferro em matéria inorgânica pode promover o desenvolvimento de poros. Quando o teor desses dois elementos é muito alto, a proporção de poros médios e grandes no produto aumenta significativamente.

 

Conclusão

Embora o carvão ativado, como o material de carbono verde poroso mais amplamente utilizado, tenha desempenhado um papel importante na indústria e na vida cotidiana, ele ainda apresenta grande potencial para melhorias na expansão da matéria-prima, redução de custos, melhoria da qualidade, melhoria energética, extensão da vida útil e aumento da resistência. Encontrar matérias-primas de carvão ativado de alta qualidade e baixo custo, desenvolver tecnologias de produção de carvão ativado limpas e eficientes e otimizar e regular a estrutura porosa do carvão ativado de acordo com diferentes campos de aplicação serão uma direção importante para melhorar a qualidade dos produtos de carvão ativado e promover o desenvolvimento de alta qualidade da indústria de carvão ativado.