Tối ưu hóa cấu trúc lỗ xốp của cacbon -Ⅱ

Chào mừng bạn đến với trang web của chúng tôi để biết thông tin sản phẩm và tư vấn.

Trang web của chúng tôi:https://www.vet-china.com/

 

Phương pháp hoạt hóa vật lý và hóa học

Phương pháp hoạt hóa vật lý và hóa học là phương pháp chế tạo vật liệu xốp bằng cách kết hợp hai phương pháp hoạt hóa trên. Nói chung, hoạt hóa hóa học được thực hiện trước, sau đó thực hiện hoạt hóa vật lý. Đầu tiên ngâm xenluloza trong dung dịch H3PO4 68% ~ 85% ở 85℃ trong 2 giờ, sau đó carbon hóa trong lò nung trong 4 giờ, sau đó hoạt hóa bằng CO2. Diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính thu được cao tới 3700m2·g-1. Cố gắng sử dụng sợi sisal làm nguyên liệu thô và hoạt hóa sợi than hoạt tính (ACF) thu được bằng hoạt hóa H3PO4 một lần, đun nóng đến 830℃ trong điều kiện bảo vệ N2, sau đó sử dụng hơi nước làm chất hoạt hóa để hoạt hóa thứ cấp. Diện tích bề mặt riêng của ACF thu được sau 60 phút hoạt hóa đã được cải thiện đáng kể.

 

Đặc điểm hiệu suất cấu trúc lỗ rỗng của vật liệu hoạt hóacacbon

 
Các phương pháp đánh giá hiệu suất than hoạt tính thường dùng và hướng ứng dụng được thể hiện trong Bảng 2. Đặc điểm cấu trúc lỗ rỗng của vật liệu có thể được kiểm tra từ hai khía cạnh: phân tích dữ liệu và phân tích hình ảnh.

 

Tiến độ nghiên cứu công nghệ tối ưu hóa cấu trúc lỗ rỗng của than hoạt tính

Mặc dù than hoạt tính có nhiều lỗ rỗng và diện tích bề mặt riêng lớn, nhưng nó có hiệu suất tuyệt vời trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, do tính chọn lọc nguyên liệu thô rộng và điều kiện chế biến phức tạp, các sản phẩm hoàn thiện thường có nhược điểm là cấu trúc lỗ rỗng hỗn loạn, diện tích bề mặt riêng khác nhau, phân bố kích thước lỗ rỗng không theo trật tự và tính chất hóa học bề mặt hạn chế. Do đó, có những nhược điểm như liều lượng lớn và khả năng thích ứng hẹp trong quá trình ứng dụng, không đáp ứng được yêu cầu của thị trường. Do đó, việc tối ưu hóa và điều chỉnh cấu trúc và cải thiện hiệu suất sử dụng toàn diện của nó có ý nghĩa thực tế to lớn. Các phương pháp thường được sử dụng để tối ưu hóa và điều chỉnh cấu trúc lỗ rỗng bao gồm điều chỉnh hóa học, pha trộn polyme và điều chỉnh hoạt hóa xúc tác.

 

Công nghệ điều chỉnh hóa học

Công nghệ điều chỉnh hóa học là quá trình hoạt hóa thứ cấp (biến đổi) của vật liệu xốp thu được sau khi hoạt hóa bằng thuốc thử hóa học, làm xói mòn các lỗ rỗng ban đầu, mở rộng các lỗ rỗng siêu nhỏ hoặc tiếp tục tạo ra các lỗ rỗng siêu nhỏ mới để tăng diện tích bề mặt riêng và cấu trúc lỗ rỗng của vật liệu. Nói chung, thành phẩm của một lần hoạt hóa thường được ngâm trong 0,5 ~ 4 lần dung dịch hóa học để điều chỉnh cấu trúc lỗ rỗng và tăng diện tích bề mặt riêng. Tất cả các loại dung dịch axit và kiềm có thể được sử dụng làm thuốc thử để hoạt hóa thứ cấp.

 

Công nghệ biến tính oxy hóa bề mặt axit

Biến tính oxy hóa bề mặt axit là một phương pháp điều chỉnh thường được sử dụng. Ở nhiệt độ thích hợp, chất oxy hóa axit có thể làm giàu các lỗ rỗng bên trong than hoạt tính, cải thiện kích thước lỗ rỗng và nạo vét các lỗ rỗng bị tắc. Hiện nay, nghiên cứu trong và ngoài nước chủ yếu tập trung vào việc biến tính axit vô cơ. HN03 là chất oxy hóa thường được sử dụng và nhiều học giả sử dụng HN03 để biến tính than hoạt tính. Tong Li et al. [28] phát hiện ra rằng HN03 có thể làm tăng hàm lượng nhóm chức chứa oxy và chứa nitơ trên bề mặt than hoạt tính và cải thiện hiệu quả hấp phụ thủy ngân.

Biến tính than hoạt tính bằng HN03, sau khi biến tính, diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính giảm từ 652m2·g-1 xuống 241m2·g-1, kích thước lỗ xốp trung bình tăng từ 1,27nm lên 1,641nm và khả năng hấp phụ benzophenone trong xăng mô phỏng tăng 33,7%. Biến tính than hoạt tính gỗ với nồng độ HN03 lần lượt là 10% và 70% thể tích. Kết quả cho thấy, diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính biến tính bằng 10% HN03 tăng từ 925,45m2·g-1 lên 960,52m2·g-1; sau khi biến tính bằng 70% HN03, diện tích bề mặt riêng giảm xuống còn 935,89m2·g-1. Tỷ lệ loại bỏ Cu2+ của than hoạt tính biến tính với hai nồng độ HN03 lần lượt là trên 70% và trên 90%.

Đối với than hoạt tính được sử dụng trong lĩnh vực hấp phụ, hiệu ứng hấp phụ không chỉ phụ thuộc vào cấu trúc lỗ rỗng mà còn phụ thuộc vào tính chất hóa học bề mặt của chất hấp phụ. Cấu trúc lỗ rỗng quyết định diện tích bề mặt riêng và khả năng hấp phụ của than hoạt tính, trong khi tính chất hóa học bề mặt ảnh hưởng đến sự tương tác giữa than hoạt tính và chất bị hấp phụ. Cuối cùng, người ta thấy rằng việc biến tính axit của than hoạt tính không chỉ có thể điều chỉnh cấu trúc lỗ rỗng bên trong than hoạt tính và làm sạch các lỗ rỗng bị tắc mà còn làm tăng hàm lượng nhóm axit trên bề mặt vật liệu và tăng cường độ phân cực và tính ưa nước của bề mặt. Khả năng hấp phụ EDTA của than hoạt tính được biến tính bằng HCI tăng 49,5% so với trước khi biến tính, tốt hơn so với biến tính HNO3.

Than hoạt tính thương mại biến tính lần lượt bằng HNO3 và H2O2! Diện tích bề mặt riêng sau khi biến tính lần lượt là 91,3% và 80,8% so với trước khi biến tính. Các nhóm chức chứa oxy mới như carboxyl, carbonyl và phenol được thêm vào bề mặt. Khả năng hấp phụ nitrobenzen bằng biến tính HNO3 là tốt nhất, gấp 3,3 lần so với trước khi biến tính. Người ta thấy rằng sự gia tăng hàm lượng nhóm chức chứa oxy trong than hoạt tính sau khi biến tính axit dẫn đến sự gia tăng số lượng điểm hoạt động bề mặt, có tác dụng trực tiếp đến việc cải thiện khả năng hấp phụ của chất hấp phụ mục tiêu.

So với axit vô cơ, có ít báo cáo về việc biến tính axit hữu cơ của than hoạt tính. So sánh tác động của việc biến tính axit hữu cơ lên ​​tính chất cấu trúc lỗ rỗng của than hoạt tính và khả năng hấp phụ metanol. Sau khi biến tính, diện tích bề mặt riêng và tổng thể tích lỗ rỗng của than hoạt tính giảm. Độ axit càng mạnh thì mức giảm càng lớn. Sau khi biến tính bằng axit oxalic, axit tartaric và axit citric, diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính giảm từ 898,59m2·g-1 xuống 788,03m2·g-1, 685,16m2·g-1 và 622,98m2·g-1. Tuy nhiên, độ xốp vi mô của than hoạt tính tăng lên sau khi biến tính. Độ xốp vi mô của than hoạt tính biến tính bằng axit citric tăng từ 75,9% lên 81,5%.

Sự biến tính axit oxalic và axit tartaric có lợi cho sự hấp phụ methanol, trong khi axit citric có tác dụng ức chế. Tuy nhiên, J.Paul Chen và cộng sự [35] phát hiện ra rằng than hoạt tính được biến tính bằng axit citric có thể tăng cường sự hấp phụ các ion đồng. Lin Tang và cộng sự [36] đã biến tính than hoạt tính thương mại bằng axit formic, axit oxalic và axit aminosulfonic. Sau khi biến tính, diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ rỗng đã giảm. Các nhóm chức chứa oxy như 0-HC-0, C-0 và S = 0 được hình thành trên bề mặt của sản phẩm hoàn thiện và các kênh khắc không đều và tinh thể màu trắng xuất hiện. Khả năng hấp phụ cân bằng của acetone và isopropanol cũng tăng đáng kể.

 

Công nghệ biến tính dung dịch kiềm

Một số học giả cũng sử dụng dung dịch kiềm để thực hiện hoạt hóa thứ cấp trên than hoạt tính. Tẩm than hoạt tính gốc than tự chế với dung dịch Na0H có nồng độ khác nhau để kiểm soát cấu trúc lỗ rỗng. Kết quả cho thấy nồng độ kiềm thấp hơn có lợi cho sự tăng và giãn nở lỗ rỗng. Hiệu ứng tốt nhất đạt được khi nồng độ khối lượng là 20%. Than hoạt tính có diện tích bề mặt riêng cao nhất (681m2·g-1) và thể tích lỗ rỗng (0,5916cm3·g-1). Khi nồng độ khối lượng của Na0H vượt quá 20%, cấu trúc lỗ rỗng của than hoạt tính bị phá hủy và các thông số cấu trúc lỗ rỗng bắt đầu giảm. Điều này là do nồng độ dung dịch Na0H cao sẽ ăn mòn bộ khung carbon và một số lượng lớn lỗ rỗng sẽ bị sụp đổ.

Chuẩn bị than hoạt tính hiệu suất cao bằng cách pha trộn polyme. Các tiền chất là nhựa furfural và furfuryl alcohol, và etylen glycol là tác nhân tạo lỗ. Cấu trúc lỗ được kiểm soát bằng cách điều chỉnh hàm lượng của ba loại polyme và thu được vật liệu xốp có kích thước lỗ từ 0,008 đến 5 μm. Một số học giả đã chứng minh rằng màng polyurethane-imide (PUI) có thể được cacbon hóa để thu được màng carbon và cấu trúc lỗ có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi cấu trúc phân tử của tiền polyme polyurethane (PU) [41]. Khi PUI được đun nóng đến 200°C, PU và polyimide (PI) sẽ được tạo ra. Khi nhiệt độ xử lý nhiệt tăng lên 400°C, nhiệt phân PU tạo ra khí, dẫn đến hình thành cấu trúc lỗ trên màng PI. Sau khi cacbon hóa, thu được màng carbon. Ngoài ra, phương pháp pha trộn polyme cũng có thể cải thiện một số tính chất vật lý và cơ học của vật liệu ở một mức độ nhất định

 

Công nghệ điều chỉnh hoạt hóa xúc tác

Công nghệ điều chỉnh hoạt hóa xúc tác thực chất là sự kết hợp giữa phương pháp hoạt hóa hóa học và phương pháp hoạt hóa khí nhiệt độ cao. Nhìn chung, các chất hóa học được thêm vào nguyên liệu thô như chất xúc tác và chất xúc tác được sử dụng để hỗ trợ quá trình cacbon hóa hoặc hoạt hóa để thu được vật liệu cacbon xốp. Nhìn chung, kim loại thường có tác dụng xúc tác, nhưng tác dụng xúc tác khác nhau.

Trên thực tế, thường không có ranh giới rõ ràng giữa điều chỉnh hoạt hóa hóa học và điều chỉnh hoạt hóa xúc tác của vật liệu xốp. Điều này là do cả hai phương pháp đều thêm thuốc thử trong quá trình cacbon hóa và hoạt hóa. Vai trò cụ thể của các thuốc thử này quyết định liệu phương pháp có thuộc loại hoạt hóa xúc tác hay không.

Cấu trúc của vật liệu cacbon xốp, tính chất vật lý và hóa học của chất xúc tác, điều kiện phản ứng xúc tác và phương pháp nạp chất xúc tác đều có thể có mức độ ảnh hưởng khác nhau đến hiệu ứng điều chỉnh. Sử dụng than bitum làm nguyên liệu, Mn(N03)2 và Cu(N03)2 làm chất xúc tác có thể chế tạo vật liệu xốp chứa oxit kim loại. Lượng oxit kim loại thích hợp có thể cải thiện độ xốp và thể tích lỗ rỗng, nhưng hiệu ứng xúc tác của các kim loại khác nhau thì hơi khác nhau. Cu(N03)2 có thể thúc đẩy sự phát triển của các lỗ rỗng trong phạm vi 1,5~2,0nm. Ngoài ra, các oxit kim loại và muối vô cơ có trong tro nguyên liệu cũng sẽ đóng vai trò xúc tác trong quá trình hoạt hóa. Xie Qiang và cộng sự [42] tin rằng phản ứng hoạt hóa xúc tác của các nguyên tố như canxi và sắt trong vật chất vô cơ có thể thúc đẩy sự phát triển của các lỗ rỗng. Khi hàm lượng của hai nguyên tố này quá cao, tỷ lệ các lỗ rỗng vừa và lớn trong sản phẩm tăng lên đáng kể.

 

Phần kết luận

Mặc dù than hoạt tính là vật liệu carbon xốp xanh được sử dụng rộng rãi nhất, đã đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp và đời sống, nhưng nó vẫn có tiềm năng lớn để cải thiện việc mở rộng nguyên liệu thô, giảm chi phí, cải thiện chất lượng, cải thiện năng lượng, kéo dài tuổi thọ và cải thiện độ bền. Tìm kiếm nguyên liệu than hoạt tính chất lượng cao và giá rẻ, phát triển công nghệ sản xuất than hoạt tính sạch và hiệu quả, tối ưu hóa và điều chỉnh cấu trúc lỗ rỗng của than hoạt tính theo các lĩnh vực ứng dụng khác nhau sẽ là một hướng quan trọng để cải thiện chất lượng sản phẩm than hoạt tính và thúc đẩy sự phát triển chất lượng cao của ngành công nghiệp than hoạt tính.