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活性炭表面化學改性介紹
美娱彩票:韩研网络部 更新时间:2019-2-21 13:43:02

  碳基材料被認爲是與氣體吸附,儲能和廢水處理的一種吸附材料,一般用于去除有機和無機汙染物。活性炭上的有效吸附很大程度上依賴于主要骨架的表面化學和紋理特征。活化技術和前體的性質對表面功能具有強烈影響。因此,研究員的主要重點是通過選擇合適的前體進行所需的吸附,以最佳方式創新或改進活化方法。已經使用各種方法,包括酸處理,堿處理和浸漬方法來設計具有化學改性表面的活性炭。本期提供關于活性炭表面改性的介紹。

  表面化學特性

  碳基材料的表面化學基本上依賴于化學表面的異質性,這與表面上雜原子的位置有關。雜原子通常被稱爲母體基質中存在的除碳以外的一組原子,例如氧,氮,氫,硫和磷。這些元素的性質和測量依賴于前體或接種方法在激活處理。通過觀察這些雜原子的性質,提出了包含雜原子的表面官能團以及芳族碳中的離域電子可以産生具有酸性或堿性表面的活性炭。

  酸性表面

  與酸性表面的活性炭主要包括含氧官能團。這些基團通常位于基面的外表面或邊緣上,並且在控制碳的化學性質中起主要作用。這些特定的外部位置主要被認爲是吸附位點,因此這些特定點處的氧濃度對碳的吸附能力具有很大影響。廣泛的研究工作和結果表明,含碳原子的少數基團,包括羧基,色烯,內酯,苯酚,醌,吡喃酮,羰基和醚,通常位于碳表面上(圖1)。具有羧酸基團的官能團是通常用于表面酸度。其他表面酸性基團包括羧酸酐,內酯和酚羟基。

活性炭的酸性和碱性表面功能

  基本表面

  负责活性炭的基本表面的两个主要功能是:能够结合质子稠合芳族结构和碱性表面官能团(例如,富含氮的官能团)的离域π电子。以前的研究探索了某些含氧的官能团,包括色烯,酮和吡喃酮,也可以促进碳的碱性(图1)。另一方面,广泛的研究表明,活性炭的碱性来自碳基质中的共振π电子。详细说来,碳层中的π电子可以充当路易斯基本位点。研究了两个系列碳的基本表面特征,证明无氧碳表面可以有效地从水介质中吸附质子。优异的吸附能力被认为是位于碳微晶基面上富含π电子的区域中的位点。因此,这些地区具有路易斯基本特征。类似地,通过在碳表面上引入富氮官能团的化学改性可以促进从大气中吸附CO 2。氮部分通常诱导基本特征,这可以提高通过偶极-偶极相互作用,氢键和共价键合碳表面与酸性物质之间的相互作用。

  活性炭的表面化學改性

  活性炭具有三種不同類型的依賴于表面官能團化學性質的化學表面(酸性,堿性和中性)。通過改變表面上的官能團可以改變這些化學特性。

  酸處理

  为了酸化活性炭的表面,表面通常被氧化,因为它通过降低矿物质含量来增强碳表面的酸性特征和亲水性。硝酸(HNO 3),硫酸(H 2 SO 4)和磷酸(H 3 PO 4)被广泛地用于此目的。在氧化过程中,在碳表面上产生富氧官能团,包括羧基,内酯和酚羟基。用于产生氧衍生的​​酸性基团的最常用的活化方法是通过气体和含水氧化剂的氧化。二氧化碳,氧气,蒸汽和空气在气相氧化中用作氧化剂。低温氧化导致强酸性官能团(例如羧基)的产生,而升高的温度导致弱酸性基团(例如酚)的形成。液相氧化使用较少的能量,因为与气相氧化相比,低温氧化可在表面引入更高的氧含量。

  堿處理

  具有堿處理的活性炭在表面上诱导正电荷,这增强了带负电荷的部分的吸附。产生具有基本表面特征的多孔碳的最方便的方法是在高温下用氢气或氨处理。用氨对高温处理(400-900℃)活性炭导致在碳表面上形成碱性氮基团。氮官能可以通过反应被掺杂有含氮(如氨,硝酸和各种胺)或活化在富含氮气的环境中。可能存在的氮形式包括以下基团:酰胺,酰亚胺,内酰胺,吡咯和吡啶基。氨处理的主要作用是提高活性炭表面的碱性。除了在高温下引入碱性氮原子外,排除氧基基团可以显着提高活性炭的碱度。这些氮官能团通常诱导碱性,这可以通过偶极-偶极相互作用,氢键和共价键促进吸附剂和酸性物质之间的相互作用。

  化學浸漬

  人們普遍認爲,通過浸漬適當的化學物質可以顯著提高活性炭對消除有害毒素的吸附能力。可以將浸漬解釋爲活性炭內表面中化學物質的均勻分布。然而,一些研究人員引入表面官能團如浸漬技術相關聯。在這種情況下,我們指的是用不影響活性炭表面pH的物質浸漬。這些浸漬材料可以是金屬或聚合物質,其通常不會引起顯著的pH變化。浸漬活性炭表面應通過改善其內置的催化氧化能力來增強材料的主要性能,促進活性炭和浸漬劑之間的協同作用,以增強吸附並增加材料的惰性能力。多孔載體。用于生産浸漬活性炭的一般工業加工方法包括使用回轉窯或流化床用浸漬劑噴射未用過的碳。通常,浸漬材料包括氫氧化物,碳酸鹽,鉻酸鹽或硝酸鹽。

  表面活性劑改性的活性炭

  众多研究努力正在致力于表面阴离子和阳离子表面活性剂。对这些表面活性剂在碳表面上的吸附的全面解释仍不清楚。一般假设声明表面活性剂和活性炭之间的疏水相互作用是表面活性剂在活性炭表面上吸附的主要来源。然而,这些表面活性剂改性的碳作为吸附剂直接暗示从水溶液中除去污染物是罕见的。有一种新的改性方法,其中粒状活性炭掺杂阳离子表面活性剂,以便在小规模实验室测试中改善从地下水中去除高氯酸盐的ppb水平。他们发现,与原始活性炭相比,用十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)表面活性劑改性的活性炭在模拟的20-22分钟空床中将高氯酸盐穿透时间提高了30倍。

  在這篇介紹中,提出了一些基于活性炭改性方面的方法,以提高水和空氣中各種汙染物的吸附能力。使用不同的活化劑來誘導不同表面官能團的形成。通常,從水性環境的金屬離子的攝取需要酸性處理,而堿性誘導強烈建議用于去除陰離子汙染物,有機部分和CO的2從空中。在研究了所有可能的改性方法之後,人們發現酸性處理通常是研究和使用最多的技術,可能是由于其簡單,易于使用,許多氧化劑的可用性以及已經使用的衆所周知的氧化機理。多年來。目前,研究人員的主要關注點是設計具有改性表面和優異的紋理參數的活性炭。

文章標簽:椰殼活性炭,果殼活性炭,煤質活性炭,木質活性炭,蜂窩活性炭,淨水活性炭.

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