Optimización de la estructura de poros de carbono poroso -Ⅱ

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Método de activación física y química.

El método de activación física y química se refiere al método de preparar materiales porosos combinando los dos métodos de activación anteriores. Generalmente, primero se realiza la activación química y luego la activación física. Primero, remoje la celulosa en una solución de H3PO4 al 68% ~ 85% a 85 ℃ durante 2 h, luego la carbonizó en un horno de mufla durante 4 h y luego la activó con CO2. La superficie específica del carbón activado obtenido fue de hasta 3700m2·g-1. Intente utilizar fibra de sisal como materia prima y activó la fibra de carbón activado (ACF) obtenida mediante la activación con H3PO4 una vez, la calentó a 830 ℃ bajo protección de N2 y luego usó vapor de agua como activador para la activación secundaria. La superficie específica de ACF obtenida después de 60 minutos de activación mejoró significativamente.

 

Caracterización del rendimiento de la estructura de poros de activado.carbón

 
Los métodos de caracterización del rendimiento del carbón activado y las direcciones de aplicación más utilizados se muestran en la Tabla 2. Las características de la estructura de poros del material se pueden probar desde dos aspectos: análisis de datos y análisis de imágenes.

 

Avance de la investigación de la tecnología de optimización de la estructura de poros del carbón activado.

Aunque el carbón activado tiene poros ricos y una enorme superficie específica, tiene un rendimiento excelente en muchos campos. Sin embargo, debido a su amplia selectividad de materia prima y sus complejas condiciones de preparación, los productos terminados generalmente tienen las desventajas de una estructura de poros caótica, diferente área de superficie específica, distribución desordenada del tamaño de los poros y propiedades químicas superficiales limitadas. Por lo tanto, existen desventajas como una gran dosis y una escasa adaptabilidad en el proceso de aplicación, que no pueden cumplir con los requisitos del mercado. Por lo tanto, es de gran importancia práctica optimizar y regular la estructura y mejorar su rendimiento de utilización integral. Los métodos comúnmente utilizados para optimizar y regular la estructura de los poros incluyen la regulación química, la mezcla de polímeros y la regulación de la activación catalítica.

 

Tecnología de regulación química.

La tecnología de regulación química se refiere al proceso de activación secundaria (modificación) de materiales porosos obtenidos después de la activación con reactivos químicos, erosionando los poros originales, expandiendo los microporos o creando nuevos microporos para aumentar el área de superficie específica y la estructura de los poros del material. En términos generales, el producto final de una activación generalmente se sumerge en 0,5 ~ 4 veces de solución química para regular la estructura de los poros y aumentar el área de superficie específica. Se pueden utilizar todo tipo de soluciones ácidas y alcalinas como reactivos para la activación secundaria.

 

Tecnología de modificación de oxidación de superficies ácidas.

La modificación de la oxidación de la superficie ácida es un método de regulación comúnmente utilizado. A una temperatura adecuada, los oxidantes ácidos pueden enriquecer los poros dentro del carbón activado, mejorar el tamaño de los poros y dragar los poros bloqueados. En la actualidad, la investigación nacional y extranjera se centra principalmente en la modificación de ácidos inorgánicos. El HN03 es un oxidante de uso común y muchos estudiosos lo utilizan para modificar el carbón activado. Tong Li et al. [28] descubrieron que el HN03 puede aumentar el contenido de grupos funcionales que contienen oxígeno y nitrógeno en la superficie del carbón activado y mejorar el efecto de adsorción del mercurio.

Modificando el carbón activado con HN03, después de la modificación, la superficie específica del carbón activado disminuyó de 652m2·g-1 a 241m2·g-1, el tamaño promedio de poro aumentó de 1,27 nm a 1,641 nm y la capacidad de adsorción de la benzofenona en gasolina simulada aumentó un 33,7%. Carbón activado modificador de madera con 10% y 70% de concentración en volumen de HN03, respectivamente. Los resultados muestran que la superficie específica del carbón activado modificado con 10% HN03 aumentó de 925.45m2·g-1 a 960.52m2·g-1; luego de la modificación con 70% HN03, la superficie específica disminuyó a 935.89m2·g-1. Las tasas de eliminación de Cu2+ por el carbón activado modificado con dos concentraciones de HN03 fueron superiores al 70% y 90%, respectivamente.

Para el carbón activado utilizado en el campo de la adsorción, el efecto de adsorción depende no sólo de la estructura de los poros sino también de las propiedades químicas de la superficie del adsorbente. La estructura de los poros determina la superficie específica y la capacidad de adsorción del carbón activado, mientras que las propiedades químicas de la superficie afectan la interacción entre el carbón activado y el adsorbato. Finalmente, se descubrió que la modificación ácida del carbón activado no solo puede ajustar la estructura de los poros dentro del carbón activado y limpiar los poros bloqueados, sino también aumentar el contenido de grupos ácidos en la superficie del material y mejorar la polaridad y la hidrofilicidad de la superficie. . La capacidad de adsorción de EDTA por el carbón activado modificado con HCI aumentó en un 49,5% en comparación con la anterior a la modificación, que fue mejor que la de la modificación con HNO3.

¡Carbón activado comercial modificado con HNO3 y H2O2 respectivamente! Las superficies específicas después de la modificación fueron el 91,3% y el 80,8% de las anteriores a la modificación, respectivamente. Se agregaron a la superficie nuevos grupos funcionales que contienen oxígeno, como carboxilo, carbonilo y fenol. La capacidad de adsorción del nitrobenceno mediante la modificación con HNO3 fue la mejor, que fue 3,3 veces mayor que antes de la modificación. Se encuentra que el aumento en el contenido de grupos funcionales que contienen oxígeno en el carbón activado después de la modificación con ácido condujo a un aumento en el número de superficies. puntos activos, lo que tuvo un efecto directo en la mejora de la capacidad de adsorción del adsorbato objetivo.

En comparación con los ácidos inorgánicos, existen pocos informes sobre la modificación del carbón activado con ácidos orgánicos. Compare los efectos de la modificación de ácidos orgánicos sobre las propiedades de la estructura de poros del carbón activado y la adsorción de metanol. Después de la modificación, el área de superficie específica y el volumen total de poros del carbón activado disminuyeron. Cuanto más fuerte es la acidez, mayor es la disminución. Después de la modificación con ácido oxálico, ácido tartárico y ácido cítrico, la superficie específica del carbón activado disminuyó de 898,59 m2·g-1 a 788,03 m2·g-1, 685,16 m2·g-1 y 622,98 m2·g-1 respectivamente. Sin embargo, la microporosidad del carbón activado aumentó después de la modificación. La microporosidad del carbón activado modificado con ácido cítrico aumentó del 75,9% al 81,5%.

La modificación del ácido oxálico y del ácido tartárico es beneficiosa para la adsorción de metanol, mientras que el ácido cítrico tiene un efecto inhibidor. Sin embargo, J. Paul Chen et al. [35] descubrieron que el carbón activado modificado con ácido cítrico puede mejorar la adsorción de iones de cobre. Lin Tang et al. [36] Carbón activado comercial modificado con ácido fórmico, ácido oxálico y ácido aminosulfónico. Después de la modificación, se redujeron la superficie específica y el volumen de poros. Se formaron grupos funcionales que contienen oxígeno como 0-HC-0, C-0 y S=0 en la superficie del producto terminado, y aparecieron canales grabados irregulares y cristales blancos. La capacidad de adsorción en equilibrio de acetona e isopropanol también aumentó significativamente.

 

Tecnología de modificación de solución alcalina.

Algunos estudiosos también utilizaron soluciones alcalinas para realizar una activación secundaria del carbón activado. Impregnar carbón activado casero a base de carbón con solución de Na0H de diferentes concentraciones para controlar la estructura de los poros. Los resultados mostraron que una menor concentración de álcali conducía al aumento y la expansión de los poros. El mejor efecto se logró cuando la concentración de masa fue del 20%. El carbón activado tuvo la mayor superficie específica (681m2·g-1) y volumen de poros (0,5916cm3·g-1). Cuando la concentración másica de NaOH excede el 20%, la estructura de los poros del carbón activado se destruye y los parámetros de la estructura de los poros comienzan a disminuir. Esto se debe a que la alta concentración de la solución de NaOH corroerá el esqueleto de carbono y una gran cantidad de poros colapsarán.

Preparación de carbón activado de alto rendimiento mediante mezcla de polímeros. Los precursores fueron resina furfural y alcohol furfurílico, y el etilenglicol fue el agente formador de poros. La estructura de los poros se controló ajustando el contenido de los tres polímeros y se obtuvo un material poroso con un tamaño de poro entre 0,008 y 5 µm. Algunos estudiosos han demostrado que la película de poliuretano-imida (PUI) se puede carbonizar para obtener una película de carbono, y que la estructura de los poros se puede controlar cambiando la estructura molecular del prepolímero de poliuretano (PU) [41]. Cuando el PUI se calienta a 200 °C, se generarán PU y poliimida (PI). Cuando la temperatura del tratamiento térmico aumenta a 400 °C, la pirólisis de PU produce gas, lo que da como resultado la formación de una estructura de poros en la película de PI. Después de la carbonización se obtiene una película de carbono. Además, el método de mezcla de polímeros también puede mejorar algunas propiedades físicas y mecánicas del material hasta cierto punto.

 

Tecnología de regulación de activación catalítica.

La tecnología de regulación de la activación catalítica es en realidad una combinación de un método de activación química y un método de activación con gas a alta temperatura. Generalmente, se añaden sustancias químicas a las materias primas como catalizadores, y los catalizadores se utilizan para ayudar en el proceso de carbonización o activación para obtener materiales de carbono porosos. En términos generales, los metales suelen tener efectos catalíticos, pero los efectos catalíticos varían.

De hecho, normalmente no existe un límite obvio entre la regulación de la activación química y la regulación de la activación catalítica de materiales porosos. Esto se debe a que ambos métodos agregan reactivos durante el proceso de carbonización y activación. El papel específico de estos reactivos determina si el método pertenece a la categoría de activación catalítica.

La estructura del propio material de carbono poroso, las propiedades físicas y químicas del catalizador, las condiciones de la reacción catalítica y el método de carga del catalizador pueden tener diferentes grados de influencia en el efecto de regulación. Utilizando carbón bituminoso como materia prima, Mn(N03)2 y Cu(N03)2 como catalizadores se pueden preparar materiales porosos que contienen óxidos metálicos. La cantidad adecuada de óxidos metálicos puede mejorar la porosidad y el volumen de los poros, pero los efectos catalíticos de diferentes metales son ligeramente diferentes. Cu(N03)2 puede promover el desarrollo de poros en el rango de 1,5~2,0 nm. Además, los óxidos metálicos y las sales inorgánicas contenidas en las cenizas de la materia prima también desempeñarán un papel catalítico en el proceso de activación. Xie Qiang y cols. [42] creían que la reacción de activación catalítica de elementos como el calcio y el hierro en materia inorgánica puede promover el desarrollo de poros. Cuando el contenido de estos dos elementos es demasiado elevado, la proporción de poros medianos y grandes en el producto aumenta significativamente.

 

Conclusión

Aunque el carbón activado, como el material de carbón poroso verde más utilizado, ha desempeñado un papel importante en la industria y la vida, todavía tiene un gran potencial de mejora en la expansión de la materia prima, la reducción de costos, la mejora de la calidad, la mejora de la energía, la extensión de la vida útil y la mejora de la resistencia. . Encontrar materias primas de carbón activado baratas y de alta calidad, desarrollar tecnología de producción de carbón activado limpia y eficiente y optimizar y regular la estructura de los poros del carbón activado de acuerdo con diferentes campos de aplicación será una dirección importante para mejorar la calidad de los productos de carbón activado y promover el desarrollo de alta calidad de la industria del carbón activado.