Оптимизация пористой структуры углерода

Добро пожаловать на наш сайт, где вы найдете информацию о продукции и получите консультацию.

Метод физической и химической активации

Метод физической и химической активации относится к способу получения пористых материалов путем сочетания двух вышеуказанных методов активации. Как правило, сначала проводится химическая активация, а затем физическая. Сначала целлюлозу замачивают в 68%-85% растворе H3PO4 при 85℃ в течение 2 часов, затем карбонизируют в муфельной печи в течение 4 часов, а затем активируют CO2. Удельная площадь поверхности полученного активированного угля достигает 3700 м2·г⁻¹. В качестве сырья используют сизалевое волокно, которое активируют один раз с помощью H3PO4, нагревают до 830℃ в атмосфере азота, а затем используют водяной пар в качестве активатора для вторичной активации. Удельная площадь поверхности полученного после 60 минут активации значительно увеличивается.

Характеристика характеристик пористой структуры активированных частицуглерод

В таблице 2 представлены наиболее часто используемые методы характеризации характеристик активированного угля и направления его применения. Характеристики пористой структуры материала можно исследовать с двух точек зрения: анализ данных и анализ изображений.

Прогресс исследований в области технологии оптимизации пористой структуры активированного угля.

Несмотря на то, что активированный уголь обладает богатой пористой структурой и огромной удельной поверхностью, он демонстрирует превосходные характеристики во многих областях. Однако из-за широкого выбора сырья и сложных условий получения готовые продукты, как правило, имеют недостатки, такие как хаотичная пористая структура, различная удельная поверхность, неупорядоченное распределение размеров пор и ограниченные химические свойства поверхности. Следовательно, существуют такие недостатки, как большие дозировки и узкая применимость в процессе использования, что не соответствует требованиям рынка. Поэтому оптимизация и регулирование структуры, а также улучшение ее комплексных характеристик имеют большое практическое значение. К распространенным методам оптимизации и регулирования пористой структуры относятся химическое регулирование, смешивание с полимерами и каталитическая активация.

Технология химического регулирования

Технология химической модификации относится к процессу вторичной активации (модификации) пористых материалов, полученных после активации химическими реагентами, путем разрушения исходных пор, расширения микропор или создания новых микропор для увеличения удельной поверхности и пористой структуры материала. Как правило, готовый продукт после одной активации погружают в химический раствор с концентрацией 0,5–4 раза выше для регулирования пористой структуры и увеличения удельной поверхности. В качестве реагентов для вторичной активации могут использоваться различные кислотные и щелочные растворы.

Технология модификации поверхности путем кислотного окисления

Кислотная поверхностная окислительная модификация является широко используемым методом регулирования. При соответствующей температуре кислотные окислители могут обогащать поры внутри активированного угля, улучшать его размер и очищать заблокированные поры. В настоящее время отечественные и зарубежные исследования в основном сосредоточены на модификации неорганическими кислотами. HNO3 является широко используемым окислителем, и многие ученые используют HNO3 для модификации активированного угля. Тонг Ли и др. [28] обнаружили, что HNO3 может увеличивать содержание кислородсодержащих и азотсодержащих функциональных групп на поверхности активированного угля и улучшать адсорбционный эффект ртути.

Модификация активированного угля с помощью HN03 привела к уменьшению удельной поверхности активированного угля с 652 м2·г⁻¹ до 241 м2·г⁻¹, увеличению среднего размера пор с 1,27 нм до 1,641 нм и увеличению адсорбционной способности по отношению к бензофенону в имитированном бензине на 33,7%. Модификация древесного активированного угля с 10% и 70% объемной концентрацией HN03 показала, что удельная поверхность активированного угля, модифицированного 10% HN03, увеличилась с 925,45 м2·г⁻¹ до 960,52 м2·г⁻¹; после модификации 70% HN03 удельная поверхность уменьшилась до 935,89 м2·г⁻¹. Степень удаления ионов Cu2+ активированным углем, модифицированным двумя концентрациями HN03, составила более 70% и 90% соответственно.

Для активированного угля, используемого в адсорбционной области, адсорбционный эффект зависит не только от структуры пор, но и от химических свойств поверхности адсорбента. Структура пор определяет удельную площадь поверхности и адсорбционную способность активированного угля, в то время как химические свойства поверхности влияют на взаимодействие между активированным углем и адсорбатом. В итоге было установлено, что кислотная модификация активированного угля может не только регулировать структуру пор внутри активированного угля и очищать заблокированные поры, но и увеличивать содержание кислотных групп на поверхности материала, а также повышать полярность и гидрофильность поверхности. Адсорбционная способность активированного угля, модифицированного HCl, по отношению к ЭДТА увеличилась на 49,5% по сравнению с исходной, что лучше, чем при модификации HNO3.

Модифицированный коммерческий активированный уголь с помощью HNO3 и H2O2 соответственно! Удельная площадь поверхности после модификации составила 91,3% и 80,8% от площади поверхности до модификации, соответственно. На поверхность были добавлены новые кислородсодержащие функциональные группы, такие как карбоксильные, карбонильные и фенольные. Адсорбционная способность нитробензола после модификации HNO3 оказалась наилучшей, в 3,3 раза превышая исходную. Установлено, что увеличение содержания кислородсодержащих функциональных групп в активированном угле после кислотной модификации приводит к увеличению количества активных точек на поверхности, что напрямую влияет на повышение адсорбционной способности целевого адсорбата.

По сравнению с неорганическими кислотами, существует немного сообщений о модификации активированного угля органическими кислотами. Сравнивается влияние модификации органическими кислотами на свойства пористой структуры активированного угля и адсорбцию метанола. После модификации удельная площадь поверхности и общий объем пор активированного угля уменьшились. Чем сильнее кислотность, тем больше уменьшение. После модификации щавелевой, винной и лимонной кислотами удельная площадь поверхности активированного угля уменьшилась с 898,59 м²·г⁻¹ до 788,03 м²·г⁻¹, 685,16 м²·г⁻¹ и 622,98 м²·г⁻¹ соответственно. Однако микропористость активированного угля после модификации увеличилась. Микропористость активированного угля, модифицированного лимонной кислотой, увеличилась с 75,9% до 81,5%.

Модификация щавелевой и винной кислотами способствует адсорбции метанола, в то время как лимонная кислота оказывает ингибирующее действие. Однако Дж. Пол Чен и др. [35] обнаружили, что активированный уголь, модифицированный лимонной кислотой, может усиливать адсорбцию ионов меди. Лин Тан и др. [36] модифицировали коммерческий активированный уголь муравьиной кислотой, щавелевой кислотой и аминосульфоновой кислотой. После модификации удельная площадь поверхности и объем пор уменьшились. На поверхности готового продукта образовались кислородсодержащие функциональные группы, такие как 0-HC-0, C-0 и S=0, появились неравномерно протравленные каналы и белые кристаллы. Равновесная адсорбционная способность ацетона и изопропанола также значительно увеличилась.

Технология модификации щелочных растворов

Некоторые исследователи также использовали щелочной раствор для вторичной активации активированного угля. Для контроля структуры пор самодельный активированный уголь на основе угля пропитывали раствором NaOH различной концентрации. Результаты показали, что более низкая концентрация щелочи способствует увеличению и расширению пор. Наилучший эффект был достигнут при массовой концентрации 20%. Активированный уголь имел наибольшую удельную площадь поверхности (681 м²·г⁻¹) и объем пор (0,5916 см³·г⁻¹). Когда массовая концентрация NaOH превышает 20%, структура пор активированного угля разрушается, и параметры структуры пор начинают снижаться. Это происходит потому, что высокая концентрация раствора NaOH вызывает коррозию углеродного каркаса, и большое количество пор разрушается.

Получение высокоэффективного активированного угля методом смешивания полимеров. В качестве прекурсоров использовались фурфуральная смола и фурфуриловый спирт, а этиленгликоль — порообразующий агент. Структура пор контролировалась путем регулирования содержания трех полимеров, и был получен пористый материал с размером пор от 0,008 до 5 мкм. Некоторые исследователи доказали, что полиуретан-имидная пленка (ПУИ) может быть карбонизирована для получения углеродной пленки, и структура пор может контролироваться путем изменения молекулярной структуры полиуретанового (ПУ) преполимера [41]. При нагревании ПУИ до 200 °C образуются ПУ и полиимид (ПИ). При повышении температуры термообработки до 400 °C пиролиз ПУ приводит к образованию газа, что вызывает формирование пористой структуры на пленке ПИ. После карбонизации получается углеродная пленка. Кроме того, метод смешивания полимеров также может в определенной степени улучшить некоторые физические и механические свойства материала.

Технология регулирования каталитической активации

Технология каталитической активации представляет собой сочетание методов химической активации и высокотемпературной газовой активации. Как правило, к исходным материалам добавляют химические вещества в качестве катализаторов, которые используются для ускорения процесса карбонизации или активации с целью получения пористых углеродных материалов. В целом, металлы обычно обладают каталитическим эффектом, но этот эффект может варьироваться.

В действительности, обычно нет четкой границы между регулированием химической активации и регулированием каталитической активации пористых материалов. Это объясняется тем, что оба метода предусматривают добавление реагентов в процессе карбонизации и активации. Специфическая роль этих реагентов определяет, относится ли метод к категории каталитической активации.

Структура самого пористого углеродного материала, физико-химические свойства катализатора, условия каталитической реакции и метод загрузки катализатора могут оказывать различное влияние на регулирующий эффект. Используя битуминозный уголь в качестве сырья, Mn(NO3)2 и Cu(NO3)2 в качестве катализаторов позволяют получать пористые материалы, содержащие оксиды металлов. Соответствующее количество оксидов металлов может улучшить пористость и объем пор, но каталитические эффекты разных металлов несколько различаются. Cu(NO3)2 может способствовать развитию пор в диапазоне 1,5–2,0 нм. Кроме того, оксиды металлов и неорганические соли, содержащиеся в золе сырья, также будут играть каталитическую роль в процессе активации. Се Цян и др. [42] считают, что каталитическая реакция активации таких элементов, как кальций и железо, в неорганическом веществе может способствовать развитию пор. При слишком высоком содержании этих двух элементов значительно возрастает доля средних и крупных пор в продукте.

Заключение

Несмотря на то, что активированный уголь, как наиболее широко используемый экологически чистый пористый углеродный материал, играет важную роль в промышленности и быту, он по-прежнему обладает большим потенциалом для совершенствования в области расширения сырьевой базы, снижения затрат, повышения качества, улучшения энергоэффективности, продления срока службы и повышения прочности. Поиск высококачественного и недорогого сырья для производства активированного угля, разработка экологически чистых и эффективных технологий его производства, а также оптимизация и регулирование пористой структуры активированного угля в соответствии с различными областями применения станут важным направлением для повышения качества продукции из активированного угля и содействия высококачественному развитию отрасли.

Дата публикации: 27 августа 2024 г.