การเพิ่มประสิทธิภาพของโครงสร้างรูพรุนคาร์บอนที่มีรูพรุน -Ⅱ

ยินดีต้อนรับเข้าสู่เว็บไซต์ของเราเพื่อข้อมูลผลิตภัณฑ์และการให้คำปรึกษา

เว็บไซต์ของเรา:https://www.vet-china.com/

 

วิธีการกระตุ้นทางกายภาพและเคมี

วิธีการกระตุ้นทางกายภาพและเคมีหมายถึงวิธีการเตรียมวัสดุที่มีรูพรุนโดยรวมวิธีการกระตุ้นทั้งสองวิธีข้างต้นเข้าด้วยกัน โดยทั่วไป การกระตุ้นทางเคมีจะดำเนินการก่อน จากนั้นจึงทำการกระตุ้นทางกายภาพ ขั้นแรก ให้แช่เซลลูโลสในสารละลาย H3PO4 68%~85% ที่อุณหภูมิ 85℃ เป็นเวลา 2 ชั่วโมง จากนั้นจึงเผาด้วยถ่านในเตาเผาแบบปิดเป็นเวลา 4 ชั่วโมง แล้วจึงกระตุ้นด้วย CO2 พื้นที่ผิวจำเพาะของถ่านกัมมันต์ที่ได้จะสูงถึง 3700m2·g-1 พยายามใช้ใยป่านเป็นวัตถุดิบ และกระตุ้นใยคาร์บอนกัมมันต์ (ACF) ที่ได้จากการกระตุ้น H3PO4 หนึ่งครั้ง ให้ความร้อนถึง 830℃ ภายใต้การป้องกัน N2 จากนั้นจึงใช้ไอน้ำเป็นตัวกระตุ้นสำหรับการกระตุ้นรอง พื้นที่ผิวจำเพาะของ ACF ที่ได้หลังจากการกระตุ้น 60 นาทีได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ

 

การกำหนดลักษณะโครงสร้างรูพรุนของการทำงานของสารกระตุ้นคาร์บอน

 
วิธีการกำหนดลักษณะประสิทธิภาพของคาร์บอนกัมมันต์ที่ใช้กันทั่วไปและคำแนะนำการใช้งานแสดงอยู่ในตารางที่ 2 ลักษณะโครงสร้างรูพรุนของวัสดุสามารถทดสอบได้จากสองด้าน ได้แก่ การวิเคราะห์ข้อมูลและการวิเคราะห์ภาพ

 

ความก้าวหน้าการวิจัยเทคโนโลยีการเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างรูพรุนของคาร์บอนกัมมันต์

แม้ว่าคาร์บอนกัมมันต์จะมีรูพรุนจำนวนมากและพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ แต่ก็มีประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในหลาย ๆ ด้าน อย่างไรก็ตาม เนื่องมาจากการคัดเลือกวัตถุดิบที่หลากหลายและเงื่อนไขการเตรียมที่ซับซ้อน ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปโดยทั่วไปจึงมีข้อเสียคือโครงสร้างรูพรุนที่ไม่เป็นระเบียบ พื้นที่ผิวจำเพาะที่แตกต่างกัน การกระจายขนาดรูพรุนที่ไม่เป็นระเบียบ และคุณสมบัติทางเคมีของพื้นผิวที่จำกัด ดังนั้นจึงมีข้อเสีย เช่น ปริมาณที่มากและความสามารถในการปรับตัวที่แคบในกระบวนการใช้งาน ซึ่งไม่สามารถตอบสนองความต้องการของตลาดได้ ดังนั้น การเพิ่มประสิทธิภาพและควบคุมโครงสร้างและปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้งานโดยรวมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง วิธีการที่ใช้กันทั่วไปสำหรับเพิ่มประสิทธิภาพและควบคุมโครงสร้างรูพรุน ได้แก่ การควบคุมทางเคมี การผสมโพลีเมอร์ และการควบคุมการกระตุ้นตัวเร่งปฏิกิริยา

 

เทคโนโลยีการควบคุมสารเคมี

เทคโนโลยีการควบคุมทางเคมีหมายถึงกระบวนการกระตุ้นรอง (การปรับเปลี่ยน) ของวัสดุที่มีรูพรุนที่ได้หลังจากการกระตุ้นด้วยสารเคมี กัดกร่อนรูพรุนเดิม ขยายรูพรุนขนาดเล็ก หรือสร้างรูพรุนขนาดเล็กใหม่เพิ่มเติมเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวเฉพาะและโครงสร้างรูพรุนของวัสดุ โดยทั่วไป ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปของการกระตุ้นครั้งหนึ่งมักจะจุ่มลงในสารละลายเคมี 0.5~4 เท่าเพื่อควบคุมโครงสร้างรูพรุนและเพิ่มพื้นที่ผิวเฉพาะ สารละลายกรดและด่างทุกชนิดสามารถใช้เป็นสารเคมีสำหรับการกระตุ้นรองได้

 

เทคโนโลยีปรับเปลี่ยนออกซิเดชันพื้นผิวกรด

การปรับเปลี่ยนออกซิเดชันบนพื้นผิวของกรดเป็นวิธีการควบคุมที่ใช้กันทั่วไป ที่อุณหภูมิที่เหมาะสม สารออกซิไดเซอร์ที่เป็นกรดสามารถเพิ่มรูพรุนภายในถ่านกัมมันต์ ปรับปรุงขนาดรูพรุน และขจัดรูพรุนที่ถูกอุดตัน ปัจจุบัน การวิจัยในและต่างประเทศมุ่งเน้นไปที่การปรับเปลี่ยนกรดอนินทรีย์เป็นหลัก HN03 เป็นสารออกซิไดเซอร์ที่ใช้กันทั่วไป และนักวิชาการหลายคนใช้ HN03 เพื่อปรับเปลี่ยนถ่านกัมมันต์ Tong Li et al. [28] พบว่า HN03 สามารถเพิ่มเนื้อหาของกลุ่มฟังก์ชันที่มีออกซิเจนและไนโตรเจนบนพื้นผิวของถ่านกัมมันต์ และปรับปรุงผลการดูดซับของปรอท

การดัดแปลงคาร์บอนกัมมันต์ด้วย HN03 หลังจากดัดแปลงแล้ว พื้นที่ผิวจำเพาะของคาร์บอนกัมมันต์ลดลงจาก 652m2·g-1 เป็น 241m2·g-1 ขนาดรูพรุนโดยเฉลี่ยเพิ่มขึ้นจาก 1.27nm เป็น 1.641nm และความสามารถในการดูดซับของเบนโซฟีโนนในน้ำมันเบนซินจำลองเพิ่มขึ้น 33.7% การดัดแปลงคาร์บอนกัมมันต์ไม้ด้วยความเข้มข้นโดยปริมาตรของ HN03 10% และ 70% ตามลำดับ ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าพื้นที่ผิวจำเพาะของคาร์บอนกัมมันต์ที่ดัดแปลงด้วย 10% HN03 เพิ่มขึ้นจาก 925.45m2·g-1 เป็น 960.52m2·g-1 หลังจากดัดแปลงด้วย 70% HN03 พื้นที่ผิวจำเพาะลดลงเหลือ 935.89m2·g-1 อัตราการกำจัด Cu2+ โดยคาร์บอนกัมมันต์ที่ดัดแปลงด้วย HN03 สองความเข้มข้นสูงกว่า 70% และ 90% ตามลำดับ

สำหรับคาร์บอนกัมมันต์ที่ใช้ในสาขาการดูดซับ ผลการดูดซับนั้นไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับโครงสร้างรูพรุนเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางเคมีของพื้นผิวของตัวดูดซับด้วย โครงสร้างรูพรุนจะกำหนดพื้นที่ผิวเฉพาะและความสามารถในการดูดซับของคาร์บอนกัมมันต์ ในขณะที่คุณสมบัติทางเคมีของพื้นผิวจะส่งผลต่อปฏิสัมพันธ์ระหว่างคาร์บอนกัมมันต์และตัวดูดซับ ในที่สุด พบว่าการดัดแปลงกรดของคาร์บอนกัมมันต์ไม่เพียงแต่ปรับโครงสร้างรูพรุนภายในคาร์บอนกัมมันต์และทำความสะอาดรูพรุนที่ถูกอุดตันเท่านั้น แต่ยังเพิ่มปริมาณของกลุ่มกรดบนพื้นผิวของวัสดุและเพิ่มความเป็นขั้วและความชอบน้ำของพื้นผิวอีกด้วย ความสามารถในการดูดซับของ EDTA โดยคาร์บอนกัมมันต์ที่ดัดแปลงโดย HCI เพิ่มขึ้น 49.5% เมื่อเทียบกับก่อนการดัดแปลง ซึ่งดีกว่าการดัดแปลง HNO3

ถ่านกัมมันต์เชิงพาณิชย์ที่ดัดแปลงด้วย HNO3 และ H2O2 ตามลำดับ! พื้นที่ผิวจำเพาะหลังการดัดแปลงคือ 91.3% และ 80.8% ของพื้นที่ผิวจำเพาะก่อนการดัดแปลงตามลำดับ มีการเติมหมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนใหม่ เช่น คาร์บอกซิล คาร์บอนิล และฟีนอล ลงบนพื้นผิว ความสามารถในการดูดซับของไนโตรเบนซีนโดยการดัดแปลง HNO3 ดีที่สุด ซึ่งสูงกว่าก่อนการดัดแปลง 3.3 เท่า พบว่าการเพิ่มขึ้นของปริมาณหมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนในถ่านกัมมันต์หลังการดัดแปลงด้วยกรดส่งผลให้จำนวนจุดพื้นผิวที่ใช้งานได้เพิ่มขึ้น ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อการปรับปรุงความสามารถในการดูดซับของสารดูดซับเป้าหมาย

เมื่อเปรียบเทียบกับกรดอนินทรีย์ มีรายงานการดัดแปลงกรดอินทรีย์ของคาร์บอนกัมมันต์เพียงเล็กน้อย เปรียบเทียบผลกระทบของการดัดแปลงกรดอินทรีย์ต่อคุณสมบัติโครงสร้างรูพรุนของคาร์บอนกัมมันต์และการดูดซับเมทานอล หลังจากดัดแปลง พื้นที่ผิวจำเพาะและปริมาตรรูพรุนทั้งหมดของคาร์บอนกัมมันต์ลดลง ยิ่งความเป็นกรดเข้มข้นมากเท่าใด การลดลงก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น หลังจากดัดแปลงด้วยกรดออกซาลิก กรดทาร์ทาริก และกรดซิตริก พื้นที่ผิวจำเพาะของคาร์บอนกัมมันต์ลดลงจาก 898.59m2·g-1 เป็น 788.03m2·g-1, 685.16m2·g-1 และ 622.98m2·g-1 ตามลำดับ อย่างไรก็ตาม ความพรุนขนาดเล็กของคาร์บอนกัมมันต์เพิ่มขึ้นหลังจากดัดแปลง ความพรุนขนาดเล็กของคาร์บอนกัมมันต์ที่ดัดแปลงด้วยกรดซิตริกเพิ่มขึ้นจาก 75.9% เป็น 81.5%

การดัดแปลงกรดออกซาลิกและกรดทาร์ทาริกมีประโยชน์ต่อการดูดซับเมทานอล ในขณะที่กรดซิตริกมีผลยับยั้ง อย่างไรก็ตาม J.Paul Chen และคณะ [35] พบว่าคาร์บอนกัมมันต์ที่ดัดแปลงด้วยกรดซิตริกสามารถเพิ่มการดูดซับไอออนของทองแดงได้ Lin Tang และคณะ [36] คาร์บอนกัมมันต์เชิงพาณิชย์ที่ดัดแปลงด้วยกรดฟอร์มิก กรดออกซาลิก และกรดอะมิโนซัลโฟนิก หลังจากดัดแปลงแล้ว พื้นที่ผิวจำเพาะและปริมาตรรูพรุนจะลดลง กลุ่มฟังก์ชันที่มีออกซิเจน เช่น 0-HC-0, C-0 และ S=0 ถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป และช่องกัดที่ไม่สม่ำเสมอและผลึกสีขาวปรากฏขึ้น ความสามารถในการดูดซับสมดุลของอะซิโตนและไอโซโพรพานอลยังเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญอีกด้วย

 

เทคโนโลยีการปรับเปลี่ยนสารละลายด่าง

นักวิชาการบางคนยังใช้สารละลายด่างเพื่อทำการกระตุ้นคาร์บอนกัมมันต์ขั้นที่สองด้วย ชุบคาร์บอนกัมมันต์แบบทำเองจากถ่านหินด้วยสารละลาย Na0H ที่มีความเข้มข้นต่างกันเพื่อควบคุมโครงสร้างรูพรุน ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าความเข้มข้นของด่างที่ต่ำกว่าจะเอื้อต่อการเพิ่มและการขยายตัวของรูพรุน ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดคือเมื่อความเข้มข้นของมวลอยู่ที่ 20% คาร์บอนกัมมันต์มีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงสุด (681m2·g-1) และปริมาตรรูพรุน (0.5916cm3·g-1) เมื่อความเข้มข้นของมวลของ Na0H เกิน 20% โครงสร้างรูพรุนของคาร์บอนกัมมันต์จะถูกทำลายและพารามิเตอร์ของโครงสร้างรูพรุนจะเริ่มลดลง นั่นเป็นเพราะความเข้มข้นสูงของสารละลาย Na0H จะกัดกร่อนโครงกระดูกคาร์บอนและรูพรุนจำนวนมากจะพังทลาย

การเตรียมคาร์บอนกัมมันต์ประสิทธิภาพสูงด้วยการผสมโพลีเมอร์ สารตั้งต้นคือเรซินเฟอร์ฟูรัลและแอลกอฮอล์เฟอร์ฟูริล และเอทิลีนไกลคอลเป็นตัวสร้างรูพรุน โครงสร้างรูพรุนถูกควบคุมโดยการปรับเนื้อหาของโพลีเมอร์ทั้งสาม และได้วัสดุที่มีรูพรุนที่มีขนาดรูพรุนระหว่าง 0.008 ถึง 5 ไมโครเมตร นักวิชาการบางคนได้พิสูจน์แล้วว่าฟิล์มโพลียูรีเทน-อิไมด์ (PUI) สามารถคาร์บอไนซ์เพื่อให้ได้ฟิล์มคาร์บอน และโครงสร้างรูพรุนสามารถควบคุมได้โดยการเปลี่ยนโครงสร้างโมเลกุลของโพลีเมอร์พรีโพลีเมอร์โพลียูรีเทน (PU) [41] เมื่อ PUI ถูกให้ความร้อนถึง 200°C จะเกิด PU และโพลีอิไมด์ (PI) เมื่ออุณหภูมิในการอบด้วยความร้อนสูงขึ้นถึง 400°C ไพโรไลซิส PU จะผลิตก๊าซ ส่งผลให้เกิดโครงสร้างรูพรุนบนฟิล์ม PI หลังจากคาร์บอไนซ์ จะได้ฟิล์มคาร์บอน นอกจากนี้ วิธีการผสมโพลีเมอร์ยังสามารถปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลของวัสดุได้ในระดับหนึ่งอีกด้วย

 

เทคโนโลยีการควบคุมการกระตุ้นตัวเร่งปฏิกิริยา

เทคโนโลยีการควบคุมการกระตุ้นด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นการผสมผสานระหว่างวิธีการกระตุ้นด้วยสารเคมีและวิธีการกระตุ้นด้วยก๊าซอุณหภูมิสูง โดยทั่วไป จะมีการเติมสารเคมีลงในวัตถุดิบเพื่อเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และตัวเร่งปฏิกิริยาจะถูกใช้เพื่อช่วยในกระบวนการคาร์บอไนเซชันหรือการกระตุ้นเพื่อให้ได้วัสดุคาร์บอนที่มีรูพรุน โดยทั่วไป โลหะมักจะมีผลในการเร่งปฏิกิริยา แต่ผลของการเร่งปฏิกิริยาจะแตกต่างกันไป

ในความเป็นจริงแล้ว มักไม่มีขอบเขตที่ชัดเจนระหว่างการควบคุมการกระตุ้นด้วยสารเคมีและการควบคุมการกระตุ้นด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาของวัสดุที่มีรูพรุน เนื่องจากทั้งสองวิธีจะเติมรีเอเจนต์ในระหว่างกระบวนการคาร์บอไนเซชันและการกระตุ้น บทบาทเฉพาะของรีเอเจนต์เหล่านี้จะกำหนดว่าวิธีการนั้นจัดอยู่ในประเภทของการกระตุ้นด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาหรือไม่

โครงสร้างของวัสดุคาร์บอนที่มีรูพรุนเอง คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของตัวเร่งปฏิกิริยา เงื่อนไขปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา และวิธีการโหลดตัวเร่งปฏิกิริยา ล้วนมีอิทธิพลต่อผลการควบคุมในระดับที่แตกต่างกัน การใช้ถ่านหินบิทูมินัสเป็นวัตถุดิบ Mn(N03)2 และ Cu(N03)2 เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถเตรียมวัสดุที่มีรูพรุนที่มีออกไซด์ของโลหะได้ ปริมาณออกไซด์ของโลหะที่เหมาะสมสามารถปรับปรุงความพรุนและปริมาตรรูพรุนได้ แต่ผลของตัวเร่งปฏิกิริยาของโลหะต่างๆ จะแตกต่างกันเล็กน้อย Cu(N03)2 สามารถส่งเสริมการพัฒนารูพรุนในช่วง 1.5~2.0 นาโนเมตร นอกจากนี้ ออกไซด์ของโลหะและเกลืออนินทรีย์ที่มีอยู่ในเถ้าของวัตถุดิบยังมีบทบาทเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการกระตุ้นอีกด้วย Xie Qiang และคณะ [42] เชื่อว่าปฏิกิริยากระตุ้นตัวเร่งปฏิกิริยาของธาตุต่างๆ เช่น แคลเซียมและเหล็กในสสารอนินทรีย์สามารถส่งเสริมการพัฒนารูพรุนได้ เมื่อเนื้อหาของทั้งสององค์ประกอบนี้สูงเกินไป สัดส่วนของรูพรุนขนาดกลางและขนาดใหญ่ในผลิตภัณฑ์จะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

 

บทสรุป

แม้ว่าถ่านกัมมันต์ซึ่งเป็นวัสดุคาร์บอนพรุนสีเขียวที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดจะมีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมและอายุการใช้งาน แต่ยังมีศักยภาพในการปรับปรุงการขยายตัวของวัตถุดิบ การลดต้นทุน การปรับปรุงคุณภาพ การปรับปรุงพลังงาน การยืดอายุ และการปรับปรุงความแข็งแรง การค้นหาวัตถุดิบคาร์บอนกัมมันต์คุณภาพสูงและราคาถูก การพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตคาร์บอนกัมมันต์ที่สะอาดและมีประสิทธิภาพ ตลอดจนการปรับให้เหมาะสมและควบคุมโครงสร้างรูพรุนของคาร์บอนกัมมันต์ตามสาขาการใช้งานที่แตกต่างกัน จะเป็นแนวทางสำคัญในการปรับปรุงคุณภาพของผลิตภัณฑ์คาร์บอนกัมมันต์และส่งเสริมการพัฒนาคุณภาพสูงของอุตสาหกรรมคาร์บอนกัมมันต์