การเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างรูพรุนของคาร์บอนพรุน -Ⅱ

ยินดีต้อนรับสู่เว็บไซต์ของเราสำหรับข้อมูลผลิตภัณฑ์และการให้คำปรึกษา

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

 

วิธีการกระตุ้นทางกายภาพและทางเคมี

วิธีการกระตุ้นทางกายภาพและเคมี หมายถึงวิธีการเตรียมวัสดุที่มีรูพรุนโดยการรวมวิธีการกระตุ้นทั้งสองข้างต้นเข้าด้วยกัน โดยทั่วไปแล้ว จะทำการกระตุ้นทางเคมีก่อน แล้วจึงทำการกระตุ้นทางกายภาพ เช่น แช่เซลลูโลสในสารละลาย H3PO4 ความเข้มข้น 68%~85% ที่อุณหภูมิ 85℃ เป็นเวลา 2 ชั่วโมง จากนั้นนำไปเผาในเตาเผาแบบมัฟเฟิลเป็นเวลา 4 ชั่วโมง แล้วจึงกระตุ้นด้วย CO2 พื้นที่ผิวจำเพาะของถ่านกัมมันต์ที่ได้มีค่าสูงถึง 3700 m2·g-1 ลองใช้เส้นใยป่านศรนารายณ์เป็นวัตถุดิบ โดยกระตุ้นเส้นใยถ่านกัมมันต์ (ACF) ที่ได้จากการกระตุ้นด้วย H3PO4 หนึ่งครั้ง ให้ความร้อนที่ 830℃ ภายใต้การป้องกันด้วย N2 แล้วใช้ไอน้ำเป็นตัวกระตุ้นสำหรับการกระตุ้นครั้งที่สอง พบว่าพื้นที่ผิวจำเพาะของ ACF ที่ได้หลังจากการกระตุ้น 60 นาทีนั้นเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

 

การวิเคราะห์ลักษณะโครงสร้างรูพรุนและประสิทธิภาพของวัสดุที่ผ่านการกระตุ้นคาร์บอน

 
วิธีการกำหนดคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพและการใช้งานของถ่านกัมมันต์ที่ใช้กันทั่วไปแสดงอยู่ในตารางที่ 2 คุณลักษณะโครงสร้างรูพรุนของวัสดุสามารถทดสอบได้จากสองด้าน ได้แก่ การวิเคราะห์ข้อมูลและการวิเคราะห์ภาพ

 

ความก้าวหน้าในการวิจัยเทคโนโลยีการปรับโครงสร้างรูพรุนของถ่านกัมมันต์

แม้ว่าถ่านกัมมันต์จะมีรูพรุนจำนวนมากและพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ แต่ก็มีประสิทธิภาพดีเยี่ยมในหลายด้าน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากวัตถุดิบที่ใช้มีความหลากหลายและสภาวะการเตรียมที่ซับซ้อน ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปจึงมักมีข้อเสีย เช่น โครงสร้างรูพรุนไม่เป็นระเบียบ พื้นที่ผิวจำเพาะแตกต่างกัน การกระจายขนาดรูพรุนไม่เป็นระเบียบ และคุณสมบัติทางเคมีของพื้นผิวจำกัด ดังนั้นจึงมีข้อเสีย เช่น ต้องใช้ปริมาณมากและปรับใช้ได้จำกัดในกระบวนการใช้งาน ซึ่งไม่สามารถตอบสนองความต้องการของตลาดได้ ดังนั้น การปรับปรุงและควบคุมโครงสร้าง รวมถึงเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานโดยรวมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในทางปฏิบัติ วิธีการที่ใช้กันทั่วไปในการปรับปรุงและควบคุมโครงสร้างรูพรุน ได้แก่ การควบคุมทางเคมี การผสมโพลิเมอร์ และการควบคุมด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา

 

เทคโนโลยีการควบคุมสารเคมี

เทคโนโลยีการปรับโครงสร้างทางเคมี หมายถึง กระบวนการกระตุ้น (ดัดแปลง) ครั้งที่สองของวัสดุที่มีรูพรุนซึ่งได้มาจากการกระตุ้นด้วยสารเคมี โดยการกัดเซาะรูพรุนเดิม ขยายรูพรุนขนาดเล็ก หรือสร้างรูพรุนขนาดเล็กใหม่เพิ่มเติม เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวจำเพาะและโครงสร้างรูพรุนของวัสดุ โดยทั่วไปแล้ว ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการกระตุ้นครั้งแรกจะถูกแช่ในสารละลายเคมี 0.5-4 เท่า เพื่อปรับโครงสร้างรูพรุนและเพิ่มพื้นที่ผิวจำเพาะ สารละลายกรดและด่างทุกชนิดสามารถใช้เป็นสารเคมีสำหรับการกระตุ้นครั้งที่สองได้

 

เทคโนโลยีการปรับเปลี่ยนพื้นผิวด้วยการออกซิเดชันของกรด

การปรับเปลี่ยนพื้นผิวด้วยการออกซิเดชันของกรดเป็นวิธีการควบคุมที่ใช้กันทั่วไป ที่อุณหภูมิที่เหมาะสม สารออกซิไดซ์ที่เป็นกรดสามารถเพิ่มปริมาณรูพรุนภายในถ่านกัมมันต์ ปรับปรุงขนาดรูพรุน และขจัดรูพรุนที่อุดตัน ปัจจุบัน การวิจัยทั้งในและต่างประเทศส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การปรับเปลี่ยนด้วยกรดอนินทรีย์ HN03 เป็นสารออกซิไดซ์ที่ใช้กันทั่วไป และนักวิจัยหลายคนใช้ HN03 ในการปรับเปลี่ยนถ่านกัมมันต์ Tong Li และคณะ [28] พบว่า HN03 สามารถเพิ่มปริมาณของหมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนและไนโตรเจนบนพื้นผิวของถ่านกัมมันต์และปรับปรุงผลการดูดซับของปรอทได้

การปรับปรุงคุณสมบัติของถ่านกัมมันต์ด้วย HN03 พบว่า พื้นที่ผิวจำเพาะของถ่านกัมมันต์ลดลงจาก 652 ตารางเมตรต่อกรัม เหลือ 241 ตารางเมตรต่อกรัม ขนาดรูพรุนเฉลี่ยเพิ่มขึ้นจาก 1.27 นาโนเมตร เป็น 1.641 นาโนเมตร และความสามารถในการดูดซับเบนโซฟีโนนในน้ำมันเบนซินจำลองเพิ่มขึ้น 33.7% นอกจากนี้ยังได้ทำการปรับปรุงคุณสมบัติของถ่านกัมมันต์จากไม้ด้วย HN03 ที่ความเข้มข้น 10% และ 70% โดยปริมาตร ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่า พื้นที่ผิวจำเพาะของถ่านกัมมันต์ที่ปรับปรุงด้วย HN03 10% เพิ่มขึ้นจาก 925.45 ตารางเมตรต่อกรัม เป็น 960.52 ตารางเมตรต่อกรัม และหลังจากปรับปรุงด้วย HN03 70% พื้นที่ผิวจำเพาะลดลงเหลือ 935.89 ตารางเมตรต่อกรัม อัตราการกำจัด Cu2+ โดยถ่านกัมมันต์ที่ปรับปรุงด้วย HN03 สองความเข้มข้นนี้ สูงกว่า 70% และ 90% ตามลำดับ

สำหรับถ่านกัมมันต์ที่ใช้ในด้านการดูดซับ ผลการดูดซับไม่ได้ขึ้นอยู่กับโครงสร้างรูพรุนเพียงอย่างเดียว แต่ยังขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางเคมีของพื้นผิวของสารดูดซับด้วย โครงสร้างรูพรุนเป็นตัวกำหนดพื้นที่ผิวจำเพาะและความสามารถในการดูดซับของถ่านกัมมันต์ ในขณะที่คุณสมบัติทางเคมีของพื้นผิวส่งผลต่อปฏิกิริยาระหว่างถ่านกัมมันต์กับสารที่ถูกดูดซับ สุดท้ายพบว่าการปรับปรุงถ่านกัมมันต์ด้วยกรดไม่เพียงแต่สามารถปรับโครงสร้างรูพรุนภายในถ่านกัมมันต์และขจัดสิ่งอุดตันในรูพรุนได้เท่านั้น แต่ยังเพิ่มปริมาณหมู่กรดบนพื้นผิวของวัสดุและเพิ่มขั้วและความชอบน้ำของพื้นผิวอีกด้วย ความสามารถในการดูดซับ EDTA ของถ่านกัมมันต์ที่ปรับปรุงด้วย HCl เพิ่มขึ้น 49.5% เมื่อเทียบกับก่อนการปรับปรุง ซึ่งดีกว่าการปรับปรุงด้วย HNO3

ถ่านกัมมันต์เชิงพาณิชย์ที่ได้รับการดัดแปลงด้วย HNO3 และ H2O2 ตามลำดับ! พื้นที่ผิวจำเพาะหลังการดัดแปลงอยู่ที่ 91.3% และ 80.8% ของพื้นที่ผิวจำเพาะก่อนการดัดแปลง ตามลำดับ มีการเพิ่มหมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนเป็นองค์ประกอบใหม่ เช่น คาร์บอกซิล คาร์บอนิล และฟีนอล ลงบนพื้นผิว ความสามารถในการดูดซับไนโตรเบนซีนโดยการดัดแปลงด้วย HNO3 ดีที่สุด ซึ่งสูงกว่าก่อนการดัดแปลงถึง 3.3 เท่า พบว่าการเพิ่มปริมาณของหมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนเป็นองค์ประกอบในถ่านกัมมันต์หลังการดัดแปลงด้วยกรด นำไปสู่การเพิ่มจำนวนจุดที่ใช้งานได้บนพื้นผิว ซึ่งมีผลโดยตรงต่อการปรับปรุงความสามารถในการดูดซับสารเป้าหมาย

เมื่อเปรียบเทียบกับกรดอนินทรีย์ มีรายงานเกี่ยวกับการปรับปรุงคุณสมบัติของถ่านกัมมันต์ด้วยกรดอินทรีย์น้อยมาก งานวิจัยนี้จึงเปรียบเทียบผลของการปรับปรุงคุณสมบัติด้วยกรดอินทรีย์ต่อโครงสร้างรูพรุนและคุณสมบัติการดูดซับเมทานอลของถ่านกัมมันต์ พบว่าหลังการปรับปรุง พื้นที่ผิวจำเพาะและปริมาตรของรูพรุนทั้งหมดของถ่านกัมมันต์ลดลง ยิ่งความเป็นกรดสูงขึ้น การลดลงก็ยิ่งมากขึ้น หลังการปรับปรุงด้วยกรดออกซาลิก กรดทาร์ทาริก และกรดซิตริก พื้นที่ผิวจำเพาะของถ่านกัมมันต์ลดลงจาก 898.59 m²·g⁻¹ เหลือ 788.03 m²·g⁻¹, 685.16 m²·g⁻¹ และ 622.98 m²·g⁻¹ ตามลำดับ อย่างไรก็ตาม ปริมาณรูพรุนขนาดเล็กของถ่านกัมมันต์เพิ่มขึ้นหลังการปรับปรุง ปริมาณรูพรุนขนาดเล็กของถ่านกัมมันต์ที่ปรับปรุงด้วยกรดซิตริกเพิ่มขึ้นจาก 75.9% เป็น 81.5%

การปรับเปลี่ยนด้วยกรดออกซาลิกและกรดทาร์ทาริกเป็นประโยชน์ต่อการดูดซับเมทานอล ในขณะที่กรดซิตริกมีผลยับยั้ง อย่างไรก็ตาม J.Paul Chen และคณะ [35] พบว่าถ่านกัมมันต์ที่ปรับเปลี่ยนด้วยกรดซิตริกสามารถเพิ่มการดูดซับไอออนทองแดงได้ Lin Tang และคณะ [36] ได้ปรับเปลี่ยนถ่านกัมมันต์เชิงพาณิชย์ด้วยกรดฟอร์มิก กรดออกซาลิก และกรดอะมิโนซัลโฟนิก หลังจากปรับเปลี่ยนแล้ว พื้นที่ผิวจำเพาะและปริมาตรของรูพรุนลดลง กลุ่มฟังก์ชันที่มีออกซิเจน เช่น 0-HC-0, C-0 และ S=0 เกิดขึ้นบนพื้นผิวของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป และช่องทางการกัดกร่อนที่ไม่สม่ำเสมอและผลึกสีขาวปรากฏขึ้น ความสามารถในการดูดซับสมดุลของอะซิโตนและไอโซโพรพานอลก็เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเช่นกัน

 

เทคโนโลยีการปรับเปลี่ยนสารละลายด่าง

นักวิจัยบางกลุ่มยังใช้สารละลายด่างในการกระตุ้นขั้นที่สองของถ่านกัมมันต์ โดยการนำถ่านกัมมันต์ที่ทำเองจากถ่านหินมาแช่ในสารละลาย NaOH ที่มีความเข้มข้นต่างกันเพื่อควบคุมโครงสร้างรูพรุน ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าความเข้มข้นของด่างที่ต่ำกว่านั้นเอื้อต่อการเพิ่มจำนวนและการขยายตัวของรูพรุน โดยได้ผลดีที่สุดเมื่อความเข้มข้นโดยมวลอยู่ที่ 20% ถ่านกัมมันต์ที่ได้มีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงสุด (681 ตร.ม.·กรัม⁻¹) และปริมาตรรูพรุนสูงสุด (0.5916 ซม.³·กรัม⁻¹) เมื่อความเข้มข้นโดยมวลของ NaOH เกิน 20% โครงสร้างรูพรุนของถ่านกัมมันต์จะถูกทำลายและพารามิเตอร์โครงสร้างรูพรุนจะเริ่มลดลง เนื่องจากความเข้มข้นสูงของสารละลาย NaOH จะกัดกร่อนโครงสร้างของคาร์บอนและรูพรุนจำนวนมากจะยุบตัวลง

การเตรียมถ่านกัมมันต์ประสิทธิภาพสูงโดยการผสมพอลิเมอร์ สารตั้งต้นคือเรซินฟูร์ฟูรัลและแอลกอฮอล์ฟูร์ฟูริล และเอทิลีนไกลคอลเป็นสารก่อรูพรุน โครงสร้างรูพรุนถูกควบคุมโดยการปรับปริมาณของพอลิเมอร์ทั้งสามชนิด และได้วัสดุที่มีรูพรุนขนาดระหว่าง 0.008 ถึง 5 ไมโครเมตร นักวิจัยบางท่านได้พิสูจน์แล้วว่าฟิล์มโพลียูรีเทน-อิไมด์ (PUI) สามารถนำมาทำคาร์บอนไนซ์เพื่อให้ได้ฟิล์มคาร์บอน และโครงสร้างรูพรุนสามารถควบคุมได้โดยการเปลี่ยนโครงสร้างโมเลกุลของพรีพอลิเมอร์โพลียูรีเทน (PU) [41] เมื่อ PUI ถูกให้ความร้อนถึง 200°C จะเกิด PU และโพลีอิไมด์ (PI) ขึ้น เมื่ออุณหภูมิการอบชุบความร้อนเพิ่มขึ้นถึง 400°C การไพโรไลซิสของ PU จะทำให้เกิดก๊าซ ส่งผลให้เกิดโครงสร้างรูพรุนบนฟิล์ม PI หลังจากทำคาร์บอนไนซ์แล้วจะได้ฟิล์มคาร์บอน นอกจากนี้ วิธีการผสมพอลิเมอร์ยังสามารถปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพและเชิงกลของวัสดุได้ในระดับหนึ่ง

 

เทคโนโลยีการควบคุมการกระตุ้นด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา

เทคโนโลยีการควบคุมการกระตุ้นด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นการผสมผสานระหว่างวิธีการกระตุ้นทางเคมีและวิธีการกระตุ้นด้วยก๊าซอุณหภูมิสูง โดยทั่วไปแล้ว จะมีการเติมสารเคมีลงในวัตถุดิบเพื่อทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อช่วยในกระบวนการคาร์บอนไนเซชันหรือการกระตุ้นเพื่อให้ได้วัสดุคาร์บอนที่มีรูพรุน โดยทั่วไปแล้ว โลหะมักมีผลในการเร่งปฏิกิริยา แต่ผลการเร่งปฏิกิริยานั้นแตกต่างกันไป

ในความเป็นจริง มักไม่มีขอบเขตที่ชัดเจนระหว่างการควบคุมการกระตุ้นทางเคมีและการควบคุมการกระตุ้นด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาของวัสดุที่มีรูพรุน เนื่องจากทั้งสองวิธีต่างก็เติมสารเคมีลงไปในระหว่างกระบวนการคาร์บอนไนเซชันและการกระตุ้น บทบาทเฉพาะของสารเคมีเหล่านี้จะเป็นตัวกำหนดว่าวิธีการนั้นจัดอยู่ในประเภทของการกระตุ้นด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาหรือไม่

โครงสร้างของวัสดุคาร์บอนพรุนเอง คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของตัวเร่งปฏิกิริยา สภาวะปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา และวิธีการบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยา ล้วนมีอิทธิพลต่อผลการควบคุมในระดับที่แตกต่างกัน การใช้ถ่านหินบิทูมินัสเป็นวัตถุดิบ Mn(N03)2 และ Cu(N03)2 เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถเตรียมวัสดุพรุนที่มีออกไซด์ของโลหะได้ ปริมาณออกไซด์ของโลหะที่เหมาะสมสามารถปรับปรุงความพรุนและปริมาตรของรูพรุนได้ แต่ผลการเร่งปฏิกิริยาของโลหะที่แตกต่างกันนั้นแตกต่างกันเล็กน้อย Cu(N03)2 สามารถส่งเสริมการพัฒนาของรูพรุนในช่วง 1.5~2.0 นาโนเมตร นอกจากนี้ ออกไซด์ของโลหะและเกลืออนินทรีย์ที่อยู่ในเถ้าของวัตถุดิบยังมีบทบาทในการเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการกระตุ้นด้วย Xie Qiang และคณะ [42] เชื่อว่าปฏิกิริยาการกระตุ้นด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาของธาตุต่างๆ เช่น แคลเซียมและเหล็กในสารอนินทรีย์สามารถส่งเสริมการพัฒนาของรูพรุนได้ เมื่อปริมาณของธาตุทั้งสองนี้สูงเกินไป สัดส่วนของรูพรุนขนาดกลางและขนาดใหญ่ในผลิตภัณฑ์จะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

 

บทสรุป

แม้ว่าถ่านกัมมันต์ซึ่งเป็นวัสดุคาร์บอนพรุนสีเขียวที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด จะมีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมและชีวิตประจำวัน แต่ก็ยังมีศักยภาพอีกมากสำหรับการปรับปรุงในด้านการขยายการใช้วัตถุดิบ การลดต้นทุน การปรับปรุงคุณภาพ การเพิ่มประสิทธิภาพด้านพลังงาน การยืดอายุการใช้งาน และการเพิ่มความแข็งแรง การค้นหาวัตถุดิบถ่านกัมมันต์คุณภาพสูงและราคาถูก การพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตถ่านกัมมันต์ที่สะอาดและมีประสิทธิภาพ และการปรับปรุงและควบคุมโครงสร้างรูพรุนของถ่านกัมมันต์ให้เหมาะสมกับการใช้งานในด้านต่างๆ จะเป็นทิศทางสำคัญในการปรับปรุงคุณภาพของผลิตภัณฑ์ถ่านกัมมันต์และส่งเสริมการพัฒนาคุณภาพสูงของอุตสาหกรรมถ่านกัมมันต์