Otimização da estrutura porosa do carbono - II

Bem-vindo(a) ao nosso site para informações sobre produtos e consultoria.

Nosso site:https://www.vet-china.com/

 

Método de ativação física e química

O método de ativação física e química refere-se ao método de preparação de materiais porosos combinando os dois métodos de ativação descritos anteriormente. Geralmente, a ativação química é realizada primeiro, seguida da ativação física. Inicialmente, a celulose é imersa em uma solução de H3PO4 a 68%~85% a 85°C por 2 horas, depois carbonizada em um forno mufla por 4 horas e, em seguida, ativada com CO2. A área superficial específica do carvão ativado obtido atingiu 3700 m²·g⁻¹. Em um estudo com fibra de sisal como matéria-prima, a fibra de carbono ativada (FCA) obtida por ativação com H3PO4 foi ativada uma vez, aquecida a 830°C sob atmosfera de N2 e, em seguida, vapor de água foi utilizado como ativador para uma segunda ativação. A área superficial específica da FCA obtida após 60 minutos de ativação apresentou um aumento significativo.

 

Caracterização do desempenho da estrutura de poros de materiais ativadoscarbono

 
Os métodos de caracterização de desempenho e as direções de aplicação do carvão ativado mais comuns são mostrados na Tabela 2. As características da estrutura porosa do material podem ser testadas sob duas perspectivas: análise de dados e análise de imagem.

 

Progresso da pesquisa sobre a tecnologia de otimização da estrutura dos poros do carvão ativado.

Embora o carvão ativado possua poros abundantes e uma enorme área superficial específica, apresentando excelente desempenho em diversas áreas, devido à ampla seletividade de matérias-primas e às complexas condições de preparação, os produtos finais geralmente apresentam desvantagens como estrutura porosa caótica, diferentes áreas superficiais específicas, distribuição desordenada do tamanho dos poros e propriedades químicas superficiais limitadas. Consequentemente, apresentam desvantagens como a necessidade de grandes dosagens e a baixa adaptabilidade no processo de aplicação, o que não atende às exigências do mercado. Portanto, otimizar e regular a estrutura do carvão ativado, a fim de melhorar seu desempenho em todas as suas aplicações, é de grande importância prática. Os métodos comumente utilizados para otimizar e regular a estrutura porosa incluem a regulação química, a mistura com polímeros e a regulação por ativação catalítica.

 

tecnologia de regulação química

A tecnologia de regulação química refere-se ao processo de ativação secundária (modificação) de materiais porosos obtidos após a 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 uma solução química com concentração de 0,5 a 4 vezes maior para regular a estrutura porosa e aumentar a área superficial específica. Diversos tipos de soluções ácidas e alcalinas podem ser usados ​​como reagentes para a ativação secundária.

 

tecnologia de modificação por oxidação superficial ácida

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

A modificação do carvão ativado com HN03 resultou na diminuição da área superficial específica de 652 m²·g⁻¹ para 241 m²·g⁻¹, no aumento do tamanho médio dos poros de 1,27 nm para 1,641 nm e em um aumento de 33,7% na capacidade de adsorção de benzofenona em gasolina simulada. Em seguida, o carvão ativado de madeira foi modificado com concentrações volumétricas de HN03 de 10% e 70%, respectivamente. Os resultados mostraram que a área superficial específica do carvão ativado modificado com 10% de HN03 aumentou de 925,45 m²·g⁻¹ para 960,52 m²·g⁻¹, enquanto que, após a modificação com 70% de HN03, a área superficial específica diminuiu para 935,89 m²·g⁻¹. As taxas de remoção de Cu²⁺ pelo carvão ativado modificado com as duas concentrações de HN03 foram superiores a 70% e 90%, respectivamente.

Para o carvão ativado utilizado na área de adsorção, o efeito de 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 adsorvato. Finalmente, constatou-se que a modificação ácida do carvão ativado não só ajusta a estrutura dos poros no interior do carvão ativado e desobstrui os poros bloqueados, como também aumenta o teor de grupos ácidos na superfície do material e melhora a polaridade e a hidrofilicidade da superfície. A capacidade de adsorção de EDTA pelo carvão ativado modificado com HCl aumentou 49,5% em comparação com a capacidade antes da modificação, um resultado superior ao obtido com a modificação com HNO₃.

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

Em comparação com ácidos inorgânicos, existem poucos relatos sobre a modificação de carvão ativado com ácidos orgânicos. Este estudo comparou os efeitos da modificação com ácidos orgânicos nas propriedades da estrutura porosa do carvão ativado e na adsorção de metanol. Após a modificação, a área superficial específica e o volume total de poros do carvão ativado diminuíram. Quanto maior a acidez, maior a diminuição. Após a modificação com ácido oxálico, ácido tartárico e ácido cítrico, a área superficial 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 carvão ativado comercial com ácido fórmico, ácido oxálico e ácido aminossulfônico. Após a modificação, a área superficial específica e o volume de poros foram reduzidos. Grupos funcionais contendo oxigênio, como O-HC-O, C-O e S=O, foram formados na superfície do produto final, e canais irregulares e cristais brancos apareceram. A capacidade de adsorção em equilíbrio de acetona e isopropanol também aumentou significativamente.

 

Tecnologia de modificação de solução alcalina

Alguns pesquisadores também utilizaram soluções alcalinas para realizar a ativação secundária do carvão ativado. Impregnaram carvão ativado caseiro à base de carvão mineral com soluções de NaOH em diferentes concentrações para controlar a estrutura dos poros. Os resultados mostraram que uma concentração alcalina mais baixa favoreceu o aumento e a expansão dos poros. O melhor efeito foi obtido com uma concentração de 20% em massa. O carvão ativado apresentou a maior área superficial específica (681 m²·g⁻¹) e volume de poros (0,5916 cm³·g⁻¹). Quando a concentração de NaOH excede 20% em massa, 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 NaOH corrói a estrutura do carbono, causando o colapso de um grande número de poros.

Preparação de carvão ativado de alto desempenho por mistura de polímeros. Os precursores foram resina de furfural e álcool furfurílico, e o etilenoglicol foi o agente formador de poros. A estrutura dos poros foi controlada ajustando-se o teor dos três polímeros, obtendo-se um material poroso com tamanho de poro entre 0,008 e 5 μm. Alguns pesquisadores demonstraram que o filme de poliuretano-imida (PUI) pode ser carbonizado para obtenção de filme de carbono, e a estrutura dos poros pode ser controlada alterando-se 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 de 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 por ativação catalítica

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

Na verdade, geralmente não há uma fronteira óbvia entre a regulação por ativação química e a regulação por ativação catalítica de materiais porosos. Isso ocorre porque ambos os métodos adicionam reagentes durante o processo de carbonização e ativação. O papel específico desses reagentes determina se o método pertence à categoria de ativação catalítica.

A estrutura do próprio material de carbono poroso, as propriedades físico-químicas do catalisador, as condições da reação catalítica e o método de carregamento do catalisador podem influenciar, em diferentes graus, o efeito de regulação. Utilizando carvão betuminoso como matéria-prima, Mn(NO3)2 e Cu(NO3)2 como catalisadores podem preparar materiais porosos contendo óxidos metálicos. A quantidade adequada de óxidos metálicos pode melhorar a porosidade e o volume de poros, mas os efeitos catalíticos de diferentes metais são ligeiramente diferentes. O Cu(NO3)2 pode promover o desenvolvimento de poros na faixa de 1,5 a 2,0 nm. Além disso, os óxidos metálicos e os sais inorgânicos contidos nas cinzas da matéria-prima também desempenham 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 na 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 poroso verde mais utilizado, tenha desempenhado um papel importante na indústria e na vida cotidiana, ele ainda possui grande potencial para melhorias na expansão da matéria-prima, redução de custos, aprimoramento da qualidade, aumento da eficiência energética, prolongamento da vida útil e aumento da resistência. Encontrar matérias-primas de carvão ativado de alta qualidade e baixo custo, desenvolver tecnologia de produção de carvão ativado limpa e eficiente 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.