Optimisation de la structure des pores du carbone poreux -Ⅱ

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Méthode d'activation physique et chimique

La méthode d'activation physique et chimique fait référence à la méthode de préparation de matériaux poreux en combinant les deux méthodes d'activation ci-dessus. Généralement, l’activation chimique est effectuée en premier, puis l’activation physique est effectuée. Trempez d’abord la cellulose dans une solution à 68 % ~ 85 % H3PO4 à 85℃ pendant 2 h, puis carbonisez-la dans un four à moufle pendant 4 h, puis activez-la avec du CO2. La surface spécifique du charbon actif obtenu atteignait 3 700 m2.g-1. Essayez d'utiliser la fibre de sisal comme matière première et activez une fois la fibre de charbon actif (ACF) obtenue par activation H3PO4, chauffez-la à 830 ℃ sous protection N2, puis utilisez la vapeur d'eau comme activateur pour l'activation secondaire. La surface spécifique de l’ACF obtenue après 60 minutes d’activation a été significativement améliorée.

 

Caractérisation des performances de la structure poreuse des actifscarbone

 
Les méthodes de caractérisation des performances du charbon actif et les directions d'application couramment utilisées sont présentées dans le tableau 2. Les caractéristiques de la structure des pores du matériau peuvent être testées sous deux aspects : l'analyse des données et l'analyse des images.

 

Progrès de la recherche sur la technologie d'optimisation de la structure des pores du charbon actif

Bien que le charbon actif ait des pores riches et une énorme surface spécifique, il présente d'excellentes performances dans de nombreux domaines. Cependant, en raison de sa grande sélectivité en matière première et de ses conditions de préparation complexes, les produits finis présentent généralement les inconvénients d'une structure de pores chaotique, d'une surface spécifique différente, d'une distribution désordonnée de la taille des pores et de propriétés chimiques de surface limitées. Par conséquent, il existe des inconvénients tels qu'un dosage élevé et une adaptabilité étroite dans le processus d'application, qui ne peuvent pas répondre aux exigences du marché. Par conséquent, il est d’une grande importance pratique d’optimiser et de réguler la structure et d’améliorer ses performances d’utilisation globale. Les méthodes couramment utilisées pour optimiser et réguler la structure des pores comprennent la régulation chimique, le mélange de polymères et la régulation par activation catalytique.

 

Technologie de régulation chimique

La technologie de régulation chimique fait référence au processus d'activation secondaire (modification) de matériaux poreux obtenus après activation avec des réactifs chimiques, érodant les pores d'origine, élargissant les micropores ou créant davantage de nouveaux micropores pour augmenter la surface spécifique et la structure des pores du matériau. D'une manière générale, le produit fini d'une activation est généralement immergé dans 0,5 à 4 fois de solution chimique pour réguler la structure des pores et augmenter la surface spécifique. Toutes sortes de solutions acides et alcalines peuvent être utilisées comme réactifs pour l’activation secondaire.

 

Technologie de modification de l'oxydation de surface acide

La modification par oxydation de surface acide est une méthode de régulation couramment utilisée. À une température appropriée, les oxydants acides peuvent enrichir les pores du charbon actif, améliorer la taille de ses pores et drainer les pores obstrués. À l'heure actuelle, la recherche nationale et étrangère se concentre principalement sur la modification des acides inorganiques. Le HN03 est un oxydant couramment utilisé et de nombreux chercheurs l’utilisent pour modifier le charbon actif. Tong Li et coll. [28] ont découvert que HN03 peut augmenter la teneur en groupes fonctionnels contenant de l'oxygène et de l'azote à la surface du charbon actif et améliorer l'effet d'adsorption du mercure.

En modifiant le charbon actif avec HN03, après modification, la surface spécifique du charbon actif a diminué de 652 m2·g-1 à 241 m2·g-1, la taille moyenne des pores a augmenté de 1,27 nm à 1,641 nm et la capacité d'adsorption de la benzophénone en essence simulée a augmenté de 33,7 %. Charbon actif de bois modifié avec une concentration volumique de 10 % et 70 % de HN03, respectivement. Les résultats montrent que la surface spécifique du charbon actif modifié avec 10 % de HN03 est passée de 925,45 m2·g-1 à 960,52 m2·g-1 ; après modification avec 70 % de HN03, la surface spécifique a diminué à 935,89 m2·g-1. Les taux d'élimination du Cu2+ par le charbon actif modifié avec deux concentrations de HN03 étaient respectivement supérieurs à 70 % et 90 %.

Pour le charbon actif utilisé dans le domaine de l'adsorption, l'effet d'adsorption dépend non seulement de la structure des pores mais également des propriétés chimiques de surface de l'adsorbant. La structure des pores détermine la surface spécifique et la capacité d'adsorption du charbon actif, tandis que les propriétés chimiques de surface affectent l'interaction entre le charbon actif et l'adsorbat. Enfin, il a été constaté que la modification acide du charbon actif peut non seulement ajuster la structure des pores à l'intérieur du charbon actif et éliminer les pores obstrués, mais également augmenter la teneur en groupes acides à la surface du matériau et améliorer la polarité et l'hydrophilie de la surface. . La capacité d'adsorption de l'EDTA par le charbon actif modifié par HCI a augmenté de 49,5 % par rapport à celle avant modification, ce qui était meilleure que celle de la modification HNO3.

Charbon actif commercial modifié avec respectivement HNO3 et H2O2 ! Les surfaces spécifiques après modification étaient respectivement de 91,3 % et 80,8 % de celles avant modification. De nouveaux groupes fonctionnels contenant de l'oxygène tels que carboxyle, carbonyle et phénol ont été ajoutés à la surface. La capacité d'adsorption du nitrobenzène par modification HNO3 était la meilleure, soit 3,3 fois celle avant modification. On constate que l'augmentation de la teneur en groupes fonctionnels contenant de l'oxygène dans le charbon actif après modification acide a conduit à une augmentation du nombre de surfaces points actifs, qui ont eu un effet direct sur l’amélioration de la capacité d’adsorption de l’adsorbat cible.

Par rapport aux acides inorganiques, il existe peu de rapports sur la modification des acides organiques du charbon actif. Comparez les effets de la modification des acides organiques sur les propriétés de la structure des pores du charbon actif et l'adsorption du méthanol. Après modification, la surface spécifique et le volume total des pores du charbon actif ont diminué. Plus l'acidité est forte, plus la diminution est importante. Après modification avec de l'acide oxalique, de l'acide tartrique et de l'acide citrique, la surface spécifique du charbon actif a diminué de 898,59 m2.g-1 à 788,03 m2.g-1, 685,16 m2.g-1 et 622,98 m2.g-1 respectivement. Cependant, la microporosité du charbon actif a augmenté après modification. La microporosité du charbon actif modifié à l'acide citrique est passée de 75,9 % à 81,5 %.

La modification de l'acide oxalique et de l'acide tartrique est bénéfique pour l'adsorption du méthanol, tandis que l'acide citrique a un effet inhibiteur. Cependant, J.Paul Chen et al. [35] ont découvert que le charbon actif modifié avec de l'acide citrique peut améliorer l'adsorption des ions cuivre. Lin Tang et coll. [36] charbon actif commercial modifié avec de l'acide formique, de l'acide oxalique et de l'acide aminosulfonique. Après modification, la surface spécifique et le volume des pores ont été réduits. Des groupes fonctionnels contenant de l'oxygène tels que 0-HC-0, C-0 et S=0 se sont formés à la surface du produit fini, et des canaux gravés inégaux et des cristaux blancs sont apparus. La capacité d’adsorption à l’équilibre de l’acétone et de l’isopropanol a également augmenté de manière significative.

 

Technologie de modification de solution alcaline

Certains chercheurs ont également utilisé une solution alcaline pour effectuer une activation secondaire sur du charbon actif. Imprégnez du charbon actif fait maison à base de charbon avec une solution Na0H de différentes concentrations pour contrôler la structure des pores. Les résultats ont montré qu’une concentration plus faible en alcali était propice à l’augmentation et à l’expansion des pores. Le meilleur effet a été obtenu lorsque la concentration massique était de 20 %. Le charbon actif avait la surface spécifique (681 m2.g-1) et le volume de pores (0,5916 cm3.g-1) les plus élevés. Lorsque la concentration massique de Na0H dépasse 20 %, la structure des pores du charbon actif est détruite et les paramètres de la structure des pores commencent à diminuer. En effet, la forte concentration de solution Na0H corrodera le squelette carboné et un grand nombre de pores s'effondreront.

Préparation de charbon actif haute performance par mélange de polymères. Les précurseurs étaient la résine furfural et l’alcool furfurylique, et l’éthylène glycol était l’agent porogène. La structure des pores a été contrôlée en ajustant la teneur des trois polymères et un matériau poreux avec une taille de pores comprise entre 0,008 et 5 µm a été obtenu. Certains chercheurs ont prouvé que le film de polyuréthane-imide (PUI) peut être carbonisé pour obtenir un film de carbone et que la structure des pores peut être contrôlée en modifiant la structure moléculaire du prépolymère de polyuréthane (PU) [41]. Lorsque le PUI est chauffé à 200°C, du PU et du polyimide (PI) seront générés. Lorsque la température du traitement thermique atteint 400°C, la pyrolyse du PU produit du gaz, entraînant la formation d'une structure poreuse sur le film PI. Après carbonisation, un film de carbone est obtenu. De plus, la méthode de mélange de polymères peut également améliorer dans une certaine mesure certaines propriétés physiques et mécaniques du matériau.

 

Technologie de régulation par activation catalytique

La technologie de régulation par activation catalytique est en fait une combinaison d’une méthode d’activation chimique et d’une méthode d’activation par gaz à haute température. Généralement, des substances chimiques sont ajoutées aux matières premières en tant que catalyseurs, et les catalyseurs sont utilisés pour faciliter le processus de carbonisation ou d'activation afin d'obtenir des matériaux carbonés poreux. De manière générale, les métaux ont généralement des effets catalytiques, mais ces effets catalytiques varient.

En fait, il n’y a généralement pas de frontière évidente entre la régulation par activation chimique et la régulation par activation catalytique des matériaux poreux. En effet, les deux méthodes ajoutent des réactifs pendant le processus de carbonisation et d'activation. Le rôle spécifique de ces réactifs détermine si la méthode appartient à la catégorie de l'activation catalytique.

La structure du matériau carboné poreux lui-même, les propriétés physiques et chimiques du catalyseur, les conditions de réaction catalytique et la méthode de chargement du catalyseur peuvent tous avoir différents degrés d'influence sur l'effet de régulation. En utilisant du charbon bitumineux comme matière première, du Mn(N03)2 et du Cu(N03)2 comme catalyseurs, on peut préparer des matériaux poreux contenant des oxydes métalliques. La quantité appropriée d'oxydes métalliques peut améliorer la porosité et le volume des pores, mais les effets catalytiques des différents métaux sont légèrement différents. Cu(N03)2 peut favoriser le développement de pores dans la plage de 1,5 à 2,0 nm. De plus, les oxydes métalliques et les sels inorganiques contenus dans les cendres de la matière première joueront également un rôle catalytique dans le processus d'activation. Xie Qiang et coll. [42] pensaient que la réaction d'activation catalytique d'éléments tels que le calcium et le fer dans la matière inorganique pouvait favoriser le développement des pores. Lorsque la teneur de ces deux éléments est trop élevée, la proportion de pores moyens et gros dans le produit augmente considérablement.

 

Conclusion

Bien que le charbon actif, en tant que matériau de carbone vert poreux le plus largement utilisé, ait joué un rôle important dans l'industrie et la vie, il présente encore un grand potentiel d'amélioration en termes d'expansion des matières premières, de réduction des coûts, d'amélioration de la qualité, d'amélioration de l'énergie, de prolongation de la durée de vie et d'amélioration de la résistance. . Trouver des matières premières de charbon actif de haute qualité et bon marché, développer une technologie de production de charbon actif propre et efficace, et optimiser et réguler la structure des pores du charbon actif en fonction de différents domaines d'application seront une direction importante pour améliorer la qualité des produits de charbon actif et promouvoir le développement de haute qualité de l’industrie du charbon actif.