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活性炭表麵化學性質與改性技術

發布時間:2020-09-11 瀏覽

摘要:活性炭應用領城比較廣,比如石化行業、電力行業、食品行業、黃金行業等。這些行業主要看重的是活性炭自身的吸附能力,但是在實際應用過程中,活性炭原本的吸附能力可能並不能滿足行業要求,因此隻能夠通過活性炭表麵改性來提高吸附能力。通常情況下,各個領域使用的活性炭都是改性之後的活性炭。

活性炭主要成分是炭,除此之外,還有少量的化學結合元素以及灰分。化學結合元素主要是因為活性炭在沒有碳化之前而存留在炭中,而灰分則是活性炭重要的無機組成部分,但是正是因為這種成分,會造成活性炭二次汙染,所以需要非常小心。

活性炭表麵化學性質與改性技術

1、活性炭表麵化學性質

在活性炭液相吸附過程中或活性炭作為催化劑載體,不但炭表麵化學特性對吸附性能產生明顯影響,活性炭的化學特性同樣對其吸附性能也產生重要的影響。而目前有關活性炭表麵化學的報道卻是越來越多。

活性炭的吸附特性不但取決於它的孔隙結構,而且取決於其表麵化學性質,表麵化學性質決定了活性炭的化學吸附。化學性質主要由表麵的化學官能團的種類與數量、表麵雜原子和化合物確定。不同的表麵官能團、雜原子和化合物對不同的吸附質的吸附有明顯差別。因此對活性炭表麵化學結構進行化學改性,使其吸附具有更高的選擇性具有重要的意義。

活性炭表麵官能團一般分為含氧官能團和含氮官能團,含氧官能團主要有羧基、酚羥基、羰基、內酯基及環式過氧基等,含氮官能團可能存在形式有兩類酰胺基、酞亞胺基、乳胺基,類吡咯基類吡嘧啶基等。

2、活性炭表麵化學改性技術

表麵官能團是活性碳的活性中心,直接決定著活性炭表麵的各種化學性。但表麵官能團的各種性質則與原材料以及活化方法有著直接關係。所以隻要對原材料或者是活化方法進行改進,就能夠改變活性炭的性能。

活性炭表麵化學性質與改性技術

2.1表麵氧化改性。

技術人員使用強氧化劑,在特定的溫度環境下,處理活性炭,以此保證活性炭表麵擁有更多的氧酸性基團,使其表麵極性更強,零電點pH值更低。現實應用中已經發現,活性炭表麵極性越強,越具有非常好的吸附性。

現階段,用於活性炭表麵氧化改性的原材料有很多,其中比較常見的有HNO3、H2O2、HClO等。某學者使用HNO3來進行試驗研究。研究發現,活性炭表麵使用HNO3氧化處理之後,吸附性更為提高,尤其是對三鹵甲烷此種作用更加明顯。還有些學者使用HNO3、HClO等兩者原材料來進行試驗,試驗結果發現,使用HNO3來處理活性炭表麵,不僅使得酸性基團數量明顯增多,而且還使活性炭表麵微孔結構出現了明顯的塌陷,但是活性炭表麵使用HClO進行試驗之後發現,氧基團數量明顯增加,但是微孔結構並沒有出現明顯變化,此外比表麵積也未發生過於明顯的變化。

另外,還有很多學者使用不同的方式對活性炭表麵氧化進行了改性試驗,均得到了相應的數據。

2.2表麵還原改性

試驗技術人員利用還原劑,在特定溫度環境下來進行表麵還原改性試驗。如果試驗成功,則活性炭表麵對非極性比較強的物質就會具有明顯吸附性。這主要是因為還原劑的應用,使得活性炭表麵原有的堿性基團數量明顯增加,而堿性基團數量越多,活性炭表麵非極性就越強,因此活性炭表麵對具有非極性特性的物質也就更加的敏感。

某學者使用H2來進行試驗發現,應用H2之後,活性炭表麵氧酸性官能團數量明顯減少,變為了CO2、CO等物質,這些物質從活性炭表麵脫離,因此使得氧酸性官能團數量明顯下降,而堿性官能團數量則增加。有些學者使用氨水以及苯胺還原劑來進行試驗研究,研究發現活性炭表麵使用這兩種還原劑改性之後,表麵陰性基團的非極性吸附能力明顯增強。這主要是因為氨水以及苯胺屬於極性物質,能夠與活性炭進行化學反應,加熱出去之後,表麵孔半徑明顯擴大,這樣離子就會進入到空隙中,增加了表麵電負性,進而提升了活性炭表麵的非極性吸附能力。

2.3表麵酸堿改性

現如今,活性炭使用的過程中,都會遇到類型少,技術水平低的問題,真正功能化活性炭非常少,但是對其進行酸堿改性之後,上述都能夠有效的解決。

目前,技術試驗人員應用多的酸堿改性劑有HNO3、H2O2、HClO以檸檬酸等。某學者選擇使用HNO3以及NaOH與NaCl混合液兩種酸堿改性劑,通過兩次表麵酸堿改性之後,活性炭澤表麵吸附速度明顯加快,吸附容量也明顯增多。

2.4表麵等離子體改性

傳統活性炭表麵堿性官能團的引入,主要是通過氨水浸漬和高溫脫氧等方法。近年來研究表明,通過氧氮等離子體和CF4等離子體改性活性炭表麵引入含氧、氮和含氟的官能團在一些特殊領域的應用表現出良好的效果。

有學者等用低壓O2/N2等離子體對商品煤基活性炭進行表麵改性,研究發現活性炭經P-O2改性後在炭表麵上引入大量的含氧官能團,經P-N2改性的活性炭隨著活性炭表麵改性強度的提高,表麵含氧酸性官能團逐漸減少含氮官能團逐漸增加,獲得富含硝基、胺基和酰胺基的活性炭。且在同功率下P-O2改性時活性炭燒失率比P-N2改性的高,在P-O2改性過程中活性炭燒失率隨等離子體發生功率的增加而升高,而在P-N2改性過程中活性炭燒失率隨著等離子體發生功率的變化存在一峰值:在低功率範圍內隨功率的增加而加大,在高功率範圍內隨功率的進一步加大反而降低。

還有學者等對活性炭纖維進行遠程等離子體表麵改性研究發現,在遠程區等離子體中電子離子對樣品的刻蝕作用被抵製,活性炭纖維經遠程等離子體表麵改性後,其表麵含氧官能團增加,對堿性染料結晶紫的吸附性能增強;當放電時間、放電功率、放電壓力一定時從放電區至遠程區40cm處,P-N2處理後的活性炭纖維的吸附能力明顯增強,遠程區40cm以遠,活性炭纖維的吸附力基本穩定;當放電壓力、放電功率、遠程距離一定時,隨放電時間增加,活性炭纖維表麵生成更過的自由基,表麵酸性增強,對堿性染料結晶紫的吸附能力增強。

3、結束語

綜上所述,可知活性炭表麵改性之後,吸附性能會更加優良,更能夠滿足現實需求,但是這些改性效果的好壞主要取決於改性原材料的選擇是否合理,因此做好改性劑的選擇至關重要。在未來的應用過程中,活性炭表麵改性也會更為試驗研究的重點。我國相關學者專家還需要進一步研究。

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