Optimierung der porösen Kohlenstoffporenstruktur -Ⅱ

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Physikalische und chemische Aktivierungsmethode

Unter physikalischer und chemischer Aktivierungsmethode versteht man die Methode zur Herstellung poröser Materialien durch Kombination der beiden oben genannten Aktivierungsmethoden. Im Allgemeinen wird zuerst eine chemische Aktivierung und dann eine physikalische Aktivierung durchgeführt. Weichen Sie die Zellulose zunächst 2 Stunden lang in einer 68- bis 85-prozentigen H3PO4-Lösung bei 85 °C ein, karbonisieren Sie sie dann 4 Stunden lang in einem Muffelofen und aktivieren Sie sie dann mit CO2. Die spezifische Oberfläche der erhaltenen Aktivkohle betrug bis zu 3700 m2·g-1. Versuchen Sie, Sisalfasern als Rohmaterial zu verwenden, und aktivieren Sie die durch H3PO4-Aktivierung erhaltene Aktivkohlefaser (ACF) einmal, erhitzen Sie sie unter N2-Schutz auf 830 °C und verwenden Sie dann Wasserdampf als Aktivator für die sekundäre Aktivierung. Die nach 60-minütiger Aktivierung erhaltene spezifische Oberfläche von ACF wurde deutlich verbessert.

 

Charakterisierung der Porenstrukturleistung von aktiviertemKohlenstoff

 
Häufig verwendete Methoden zur Leistungscharakterisierung von Aktivkohle und Anwendungsrichtungen sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Porenstruktureigenschaften des Materials können unter zwei Gesichtspunkten getestet werden: Datenanalyse und Bildanalyse.

 

Forschungsfortschritt der Technologie zur Porenstrukturoptimierung von Aktivkohle

Obwohl Aktivkohle über reichhaltige Poren und eine große spezifische Oberfläche verfügt, weist sie in vielen Bereichen hervorragende Leistungen auf. Aufgrund der breiten Rohstoffselektivität und der komplexen Herstellungsbedingungen weisen die Endprodukte jedoch im Allgemeinen die Nachteile einer chaotischen Porenstruktur, einer unterschiedlichen spezifischen Oberfläche, einer ungeordneten Porengrößenverteilung und begrenzter chemischer Oberflächeneigenschaften auf. Daher gibt es Nachteile wie eine hohe Dosierung und eine enge Anpassungsfähigkeit im Anwendungsprozess, die den Marktanforderungen nicht gerecht werden können. Daher ist es von großer praktischer Bedeutung, die Struktur zu optimieren und zu regulieren und ihre umfassende Nutzungsleistung zu verbessern. Zu den häufig verwendeten Methoden zur Optimierung und Regulierung der Porenstruktur gehören die chemische Regulierung, das Mischen von Polymeren und die Regulierung der katalytischen Aktivierung.

 

Chemische Regulierungstechnik

Unter chemischer Regulierungstechnologie versteht man den Prozess der sekundären Aktivierung (Modifikation) poröser Materialien, die nach der Aktivierung mit chemischen Reagenzien erhalten werden, wobei die ursprünglichen Poren erodiert, die Mikroporen erweitert werden oder neue Mikroporen entstehen, um die spezifische Oberfläche und Porenstruktur des Materials zu vergrößern. Im Allgemeinen wird das fertige Produkt einer Aktivierung im Allgemeinen in das 0,5- bis 4-fache einer chemischen Lösung eingetaucht, um die Porenstruktur zu regulieren und die spezifische Oberfläche zu vergrößern. Als Reagenzien für die Sekundäraktivierung können alle Arten von Säure- und Laugenlösungen verwendet werden.

 

Technologie zur Modifikation der Säureoberflächenoxidation

Die Oberflächenoxidationsmodifikation durch Säure ist eine häufig verwendete Regulierungsmethode. Bei einer geeigneten Temperatur können saure Oxidationsmittel die Poren in der Aktivkohle anreichern, ihre Porengröße verbessern und verstopfte Poren ausspülen. Derzeit konzentriert sich die in- und ausländische Forschung hauptsächlich auf die Modifikation anorganischer Säuren. HN03 ist ein häufig verwendetes Oxidationsmittel und viele Wissenschaftler verwenden HN03 zur Modifizierung von Aktivkohle. Tong Li et al. [28] fanden heraus, dass HNO3 den Gehalt an sauerstoffhaltigen und stickstoffhaltigen funktionellen Gruppen auf der Oberfläche von Aktivkohle erhöhen und die Adsorptionswirkung von Quecksilber verbessern kann.

Durch die Modifizierung von Aktivkohle mit HN03 verringerte sich nach der Modifizierung die spezifische Oberfläche der Aktivkohle von 652 m2·g-1 auf 241 m2·g-1, die durchschnittliche Porengröße erhöhte sich von 1,27 nm auf 1,641 nm und die Adsorptionskapazität von Benzophenon in simuliertem Benzin stieg um 33,7 %. Modifizierende Holzaktivkohle mit einer Volumenkonzentration von 10 % bzw. 70 % HN03. Die Ergebnisse zeigen, dass die spezifische Oberfläche von mit 10 % HN03 modifizierter Aktivkohle von 925,45 m2·g-1 auf 960,52 m2·g-1 anstieg; nach der Modifizierung mit 70 % HN03 verringerte sich die spezifische Oberfläche auf 935,89 m2·g-1. Die Entfernungsraten von Cu2+ durch mit zwei Konzentrationen von HNO3 modifizierte Aktivkohle lagen über 70 % bzw. 90 %.

Bei im Adsorptionsbereich eingesetzter Aktivkohle hängt die Adsorptionswirkung nicht nur von der Porenstruktur, sondern auch von den chemischen Oberflächeneigenschaften des Adsorbens ab. Die Porenstruktur bestimmt die spezifische Oberfläche und Adsorptionskapazität von Aktivkohle, während die chemischen Eigenschaften der Oberfläche die Wechselwirkung zwischen Aktivkohle und Adsorbat beeinflussen. Schließlich wurde festgestellt, dass die Säuremodifikation von Aktivkohle nicht nur die Porenstruktur innerhalb der Aktivkohle anpassen und die verstopften Poren reinigen kann, sondern auch den Gehalt an sauren Gruppen auf der Oberfläche des Materials erhöhen und die Polarität und Hydrophilie der Oberfläche verbessern kann . Die Adsorptionskapazität von EDTA durch mit HCI modifizierte Aktivkohle erhöhte sich im Vergleich zu der vor der Modifikation um 49,5 % und war damit besser als die der HNO3-Modifikation.

Modifizierte kommerzielle Aktivkohle mit HNO3 bzw. H2O2! Die spezifischen Oberflächen betrugen nach der Modifikation 91,3 % bzw. 80,8 % derjenigen vor der Modifikation. Der Oberfläche wurden neue sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen wie Carboxyl, Carbonyl und Phenol hinzugefügt. Die Adsorptionskapazität von Nitrobenzol durch HNO3-Modifikation war die beste und betrug das 3,3-fache der vor der Modifizierung. Es wurde festgestellt, dass die Erhöhung des Gehalts an sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen in Aktivkohle nach der Säuremodifikation zu einer Erhöhung der Anzahl der Oberflächen führte aktive Punkte, die einen direkten Einfluss auf die Verbesserung der Adsorptionskapazität des Zieladsorbats hatten.

Im Vergleich zu anorganischen Säuren gibt es nur wenige Berichte über die Modifikation von Aktivkohle durch organische Säuren. Vergleichen Sie die Auswirkungen der Modifikation organischer Säuren auf die Porenstruktureigenschaften von Aktivkohle und die Adsorption von Methanol. Nach der Modifikation verringerten sich die spezifische Oberfläche und das Gesamtporenvolumen der Aktivkohle. Je stärker der Säuregehalt, desto größer ist die Abnahme. Nach der Modifizierung mit Oxalsäure, Weinsäure und Zitronensäure verringerte sich die spezifische Oberfläche der Aktivkohle von 898,59 m2·g-1 auf 788,03 m2·g-1, 685,16 m2·g-1 bzw. 622,98 m2·g-1. Allerdings nahm die Mikroporosität der Aktivkohle nach der Modifikation zu. Die Mikroporosität der mit Zitronensäure modifizierten Aktivkohle stieg von 75,9 % auf 81,5 %.

Die Modifizierung von Oxalsäure und Weinsäure begünstigt die Adsorption von Methanol, während Zitronensäure eine hemmende Wirkung hat. J. Paul Chen et al. [35] fanden heraus, dass mit Zitronensäure modifizierte Aktivkohle die Adsorption von Kupferionen verbessern kann. Lin Tang et al. [36] modifizierte kommerzielle Aktivkohle mit Ameisensäure, Oxalsäure und Aminosulfonsäure. Nach der Modifikation wurden die spezifische Oberfläche und das Porenvolumen verringert. Auf der Oberfläche des fertigen Produkts bildeten sich sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen wie 0-HC-0, C-0 und S=0 und es traten ungleichmäßige geätzte Kanäle und weiße Kristalle auf. Auch die Gleichgewichtsadsorptionskapazität von Aceton und Isopropanol erhöhte sich deutlich.

 

Technologie zur Modifikation alkalischer Lösungen

Einige Wissenschaftler verwendeten auch alkalische Lösungen, um eine sekundäre Aktivierung von Aktivkohle durchzuführen. Imprägnieren Sie hausgemachte Aktivkohle auf Kohlebasis mit NaOH-Lösung unterschiedlicher Konzentration, um die Porenstruktur zu kontrollieren. Die Ergebnisse zeigten, dass eine niedrigere Alkalikonzentration die Porenvergrößerung und -erweiterung begünstigte. Die beste Wirkung wurde bei einer Massenkonzentration von 20 % erzielt. Die Aktivkohle hatte die höchste spezifische Oberfläche (681 m2·g-1) und das größte Porenvolumen (0,5916 cm3·g-1). Wenn die Massenkonzentration von Na0H 20 % übersteigt, wird die Porenstruktur der Aktivkohle zerstört und die Porenstrukturparameter beginnen zu sinken. Dies liegt daran, dass die hohe Konzentration der NaOH-Lösung das Kohlenstoffgerüst korrodieren lässt und viele Poren kollabieren.

Herstellung von Hochleistungsaktivkohle durch Polymermischung. Die Vorläufer waren Furfuralharz und Furfurylalkohol, und Ethylenglykol war der Porenbildner. Die Porenstruktur wurde durch Anpassung des Gehalts der drei Polymere gesteuert und ein poröses Material mit einer Porengröße zwischen 0,008 und 5 μm erhalten. Einige Wissenschaftler haben nachgewiesen, dass Polyurethan-Imid-Filme (PUI) karbonisiert werden können, um Kohlenstofffilme zu erhalten, und dass die Porenstruktur durch Änderung der Molekülstruktur des Polyurethan-(PU-)Präpolymers gesteuert werden kann [41]. Wenn PUI auf 200 °C erhitzt wird, entstehen PU und Polyimid (PI). Wenn die Wärmebehandlungstemperatur auf 400 °C ansteigt, entsteht bei der PU-Pyrolyse Gas, was zur Bildung einer Porenstruktur auf der PI-Folie führt. Nach der Karbonisierung entsteht ein Kohlenstofffilm. Darüber hinaus kann die Polymermischungsmethode bis zu einem gewissen Grad auch einige physikalische und mechanische Eigenschaften des Materials verbessern

 

Technologie zur Regulierung der katalytischen Aktivierung

Die Technologie zur Regulierung der katalytischen Aktivierung ist eigentlich eine Kombination aus einer chemischen Aktivierungsmethode und einer Hochtemperatur-Gasaktivierungsmethode. Im Allgemeinen werden den Rohstoffen chemische Substanzen als Katalysatoren zugesetzt, und die Katalysatoren werden verwendet, um den Karbonisierungs- oder Aktivierungsprozess zu unterstützen, um poröse Kohlenstoffmaterialien zu erhalten. Generell gilt, dass Metalle im Allgemeinen katalytische Wirkungen haben, die katalytischen Wirkungen variieren jedoch.

Tatsächlich gibt es normalerweise keine offensichtliche Grenze zwischen der Regulierung der chemischen Aktivierung und der Regulierung der katalytischen Aktivierung poröser Materialien. Dies liegt daran, dass bei beiden Methoden während des Karbonisierungs- und Aktivierungsprozesses Reagenzien hinzugefügt werden. Die spezifische Rolle dieser Reagenzien bestimmt, ob die Methode zur Kategorie der katalytischen Aktivierung gehört.

Die Struktur des porösen Kohlenstoffmaterials selbst, die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Katalysators, die katalytischen Reaktionsbedingungen und die Katalysatorbeladungsmethode können alle unterschiedlich starken Einfluss auf die Regulierungswirkung haben. Unter Verwendung von Steinkohle als Rohmaterial, Mn(N03)2 und Cu(N03)2 als Katalysatoren können poröse Materialien hergestellt werden, die Metalloxide enthalten. Die entsprechende Menge an Metalloxiden kann die Porosität und das Porenvolumen verbessern, die katalytischen Wirkungen verschiedener Metalle unterscheiden sich jedoch geringfügig. Cu(N03)2 kann die Entwicklung von Poren im Bereich von 1,5–2,0 nm fördern. Darüber hinaus spielen die in der Rohstoffasche enthaltenen Metalloxide und anorganischen Salze auch eine katalytische Rolle im Aktivierungsprozess. Xie Qiang et al. [42] glaubten, dass die katalytische Aktivierungsreaktion von Elementen wie Kalzium und Eisen in anorganischen Stoffen die Entwicklung von Poren fördern kann. Wenn der Gehalt dieser beiden Elemente zu hoch ist, erhöht sich der Anteil mittlerer und großer Poren im Produkt deutlich.

 

Abschluss

Obwohl Aktivkohle als das am weitesten verbreitete grüne poröse Kohlenstoffmaterial eine wichtige Rolle in der Industrie und im Leben gespielt hat, birgt sie immer noch großes Potenzial für Verbesserungen bei der Rohstofferweiterung, Kostenreduzierung, Qualitätsverbesserung, Energieverbesserung, Lebensdauerverlängerung und Festigkeitsverbesserung . Die Suche nach hochwertigen und günstigen Aktivkohle-Rohstoffen, die Entwicklung sauberer und effizienter Aktivkohle-Produktionstechnologien sowie die Optimierung und Regulierung der Porenstruktur von Aktivkohle je nach Anwendungsbereich werden eine wichtige Richtung zur Verbesserung und Förderung der Qualität von Aktivkohleprodukten sein die hochwertige Entwicklung der Aktivkohleindustrie.