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Metodo di attivazione fisica e chimica
Il metodo di attivazione fisica e chimica si riferisce al metodo di preparazione di materiali porosi combinando i due metodi di attivazione sopra menzionati. Generalmente, viene eseguita prima l'attivazione chimica, quindi viene eseguita l'attivazione fisica. Per prima cosa immergere la cellulosa in una soluzione di H3PO4 al 68%~85% a 85℃ per 2 ore, quindi carbonizzarla in un forno a muffola per 4 ore e quindi attivarla con CO2. L'area superficiale specifica del carbone attivo ottenuto era pari a 3700 m2·g-1. Prova a utilizzare la fibra di sisal come materia prima e attiva una volta la fibra di carbone attivo (ACF) ottenuta dall'attivazione di H3PO4, riscaldala a 830 ℃ sotto protezione N2 e quindi utilizza il vapore acqueo come attivatore per l'attivazione secondaria. L'area superficiale specifica dell'ACF ottenuta dopo 60 minuti di attivazione è risultata significativamente migliorata.
Caratterizzazione delle prestazioni della struttura dei pori degli attivaticarbonio
I metodi di caratterizzazione delle prestazioni del carbone attivo comunemente utilizzati e le indicazioni applicative sono mostrati nella Tabella 2. Le caratteristiche della struttura dei pori del materiale possono essere testate da due aspetti: analisi dei dati e analisi delle immagini.
Progressi della ricerca sulla tecnologia di ottimizzazione della struttura dei pori del carbone attivo
Sebbene il carbone attivo abbia pori ricchi e un'enorme superficie specifica, offre prestazioni eccellenti in molti campi. Tuttavia, a causa dell’ampia selettività delle materie prime e delle complesse condizioni di preparazione, i prodotti finiti generalmente presentano gli svantaggi di una struttura caotica dei pori, una diversa area superficiale specifica, una distribuzione disordinata delle dimensioni dei pori e proprietà chimiche superficiali limitate. Pertanto, ci sono svantaggi come un dosaggio elevato e una scarsa adattabilità nel processo di applicazione, che non possono soddisfare le esigenze del mercato. Pertanto è di grande importanza pratica ottimizzare e regolare la struttura e migliorarne le prestazioni di utilizzo complessivo. I metodi comunemente utilizzati per ottimizzare e regolare la struttura dei pori includono la regolazione chimica, la miscelazione dei polimeri e la regolazione dell'attivazione catalitica.
Tecnologia di regolazione chimica
La tecnologia di regolazione chimica si riferisce al processo di attivazione secondaria (modifica) di materiali porosi ottenuti dopo l'attivazione con reagenti chimici, erodendo i pori originali, espandendo i micropori o creando ulteriormente nuovi micropori per aumentare l'area superficiale specifica e la struttura dei pori del materiale. In generale, il prodotto finito di un'attivazione viene generalmente immerso in 0,5~4 volte di soluzione chimica per regolare la struttura dei pori e aumentare l'area superficiale specifica. Tutti i tipi di soluzioni acide e alcaline possono essere utilizzati come reagenti per l'attivazione secondaria.
Tecnologia di modifica dell'ossidazione superficiale acida
La modificazione dell'ossidazione superficiale acida è un metodo di regolazione comunemente utilizzato. A una temperatura adeguata, gli ossidanti acidi possono arricchire i pori all'interno del carbone attivo, migliorarne la dimensione dei pori e dragare i pori ostruiti. Attualmente, la ricerca nazionale ed estera si concentra principalmente sulla modifica degli acidi inorganici. HN03 è un ossidante comunemente usato e molti studiosi utilizzano HN03 per modificare il carbone attivo. Tong Li et al. [28] hanno scoperto che HN03 può aumentare il contenuto di gruppi funzionali contenenti ossigeno e azoto sulla superficie del carbone attivo e migliorare l'effetto di adsorbimento del mercurio.
Modificando il carbone attivo con HN03, dopo la modifica, l'area superficiale specifica del carbone attivo è diminuita da 652 m2·g-1 a 241 m2·g-1, la dimensione media dei pori è aumentata da 1,27 nm a 1,641 nm e la capacità di adsorbimento del benzofenone la benzina simulata è aumentata del 33,7%. Carbone attivo modificante del legno con concentrazione in volume rispettivamente del 10% e del 70% di HN03. I risultati mostrano che la superficie specifica del carbone attivo modificato con il 10% di HN03 è aumentata da 925,45 m2·g-1 a 960,52 m2·g-1; dopo la modifica con il 70% HN03, la superficie specifica è scesa a 935,89 m2·g-1. I tassi di rimozione di Cu2+ mediante carbone attivo modificato con due concentrazioni di HN03 erano rispettivamente superiori al 70% e al 90%.
Per il carbone attivo utilizzato nel campo dell'adsorbimento, l'effetto di adsorbimento dipende non solo dalla struttura dei pori ma anche dalle proprietà chimiche superficiali dell'adsorbente. La struttura dei pori determina l'area superficiale specifica e la capacità di adsorbimento del carbone attivo, mentre le proprietà chimiche superficiali influenzano l'interazione tra carbone attivo e adsorbato. Infine si è scoperto che la modificazione acida del carbone attivo può non solo regolare la struttura dei pori all'interno del carbone attivo e liberare i pori ostruiti, ma anche aumentare il contenuto di gruppi acidi sulla superficie del materiale e migliorare la polarità e l'idrofilicità della superficie . La capacità di assorbimento dell'EDTA da parte del carbone attivo modificato con HCI è aumentata del 49,5% rispetto a quella prima della modifica, che era migliore di quella della modifica HNO3.
Carbone attivo commerciale modificato rispettivamente con HNO3 e H2O2! Le superfici specifiche dopo la modifica erano rispettivamente il 91,3% e l'80,8% di quelle prima della modifica. Alla superficie furono aggiunti nuovi gruppi funzionali contenenti ossigeno come carbossile, carbonile e fenolo. La capacità di adsorbimento del nitrobenzene mediante modifica di HNO3 era la migliore, pari a 3,3 volte rispetto a prima della modifica. Si è riscontrato che l'aumento del contenuto di gruppi funzionali contenenti ossigeno nel carbone attivo dopo la modifica acida ha portato ad un aumento del numero di superfici punti attivi, che hanno avuto un effetto diretto sul miglioramento della capacità di adsorbimento dell'adsorbato bersaglio.
Rispetto agli acidi inorganici, ci sono pochi rapporti sulla modificazione degli acidi organici del carbone attivo. Confrontare gli effetti della modificazione dell'acido organico sulle proprietà della struttura dei pori del carbone attivo e sull'adsorbimento del metanolo. Dopo la modifica, l’area superficiale specifica e il volume totale dei pori del carbone attivo sono diminuiti. Più forte è l'acidità, maggiore è la diminuzione. Dopo la modifica con acido ossalico, acido tartarico e acido citrico, l'area superficiale specifica del carbone attivo è diminuita rispettivamente da 898,59 m2·g-1 a 788,03 m2·g-1, 685,16 m2·g-1 e 622,98 m2·g-1. Tuttavia, la microporosità del carbone attivo è aumentata dopo la modifica. La microporosità del carbone attivo modificato con acido citrico è aumentata dal 75,9% all'81,5%.
La modificazione dell'acido ossalico e dell'acido tartarico è benefica per l'adsorbimento del metanolo, mentre l'acido citrico ha un effetto inibitorio. Tuttavia, J.Paul Chen et al. [35] hanno scoperto che il carbone attivo modificato con acido citrico può migliorare l'adsorbimento degli ioni rame. Lin Tang et al. [36] carbone attivo commerciale modificato con acido formico, acido ossalico e acido amminosolfonico. Dopo la modifica, la superficie specifica e il volume dei pori sono stati ridotti. Sulla superficie del prodotto finito si sono formati gruppi funzionali contenenti ossigeno come 0-HC-0, C-0 e S=0 e sono comparsi canali incisi irregolari e cristalli bianchi. Anche la capacità di assorbimento all’equilibrio di acetone e isopropanolo è aumentata significativamente.
Tecnologia di modificazione della soluzione alcalina
Alcuni studiosi hanno utilizzato anche la soluzione alcalina per effettuare l'attivazione secondaria sul carbone attivo. Impregnare il carbone attivo fatto in casa a base di carbone con una soluzione Na0H di diverse concentrazioni per controllare la struttura dei pori. I risultati hanno mostrato che una concentrazione alcalina inferiore era favorevole all’aumento e all’espansione dei pori. L'effetto migliore è stato ottenuto quando la concentrazione di massa era del 20%. Il carbone attivo aveva l'area superficiale specifica (681 m2·g-1) e il volume dei pori più elevati (0,5916 cm3·g-1). Quando la concentrazione di massa di Na0H supera il 20%, la struttura dei pori del carbone attivo viene distrutta e i parametri della struttura dei pori iniziano a diminuire. Questo perché l'elevata concentrazione della soluzione Na0H corroderà lo scheletro di carbonio e un gran numero di pori collasseranno.
Preparazione del carbone attivo ad alte prestazioni mediante miscelazione di polimeri. I precursori erano la resina furfurale e l'alcol furfurilico, mentre il glicole etilenico era l'agente che formava i pori. La struttura dei pori è stata controllata regolando il contenuto dei tre polimeri ed è stato ottenuto un materiale poroso con una dimensione dei pori compresa tra 0,008 e 5 μm. Alcuni studiosi hanno dimostrato che il film di poliuretano-immide (PUI) può essere carbonizzato per ottenere un film di carbonio e la struttura dei pori può essere controllata modificando la struttura molecolare del prepolimero di poliuretano (PU) [41]. Quando il PUI viene riscaldato a 200°C, verranno generati PU e poliimmide (PI). Quando la temperatura del trattamento termico sale a 400°C, la pirolisi del PU produce gas, con conseguente formazione di una struttura porosa sul film PI. Dopo la carbonizzazione si ottiene un film di carbonio. Inoltre, il metodo di miscelazione dei polimeri può anche migliorare in una certa misura alcune proprietà fisiche e meccaniche del materiale
Tecnologia di regolazione dell'attivazione catalitica
La tecnologia di regolazione dell'attivazione catalitica è in realtà una combinazione del metodo di attivazione chimica e del metodo di attivazione del gas ad alta temperatura. Generalmente, le sostanze chimiche vengono aggiunte alle materie prime come catalizzatori e i catalizzatori vengono utilizzati per assistere il processo di carbonizzazione o attivazione per ottenere materiali di carbonio porosi. In generale, i metalli hanno generalmente effetti catalitici, ma gli effetti catalitici variano.
In effetti, di solito non esiste un confine evidente tra la regolazione dell'attivazione chimica e la regolazione dell'attivazione catalitica dei materiali porosi. Questo perché entrambi i metodi aggiungono reagenti durante il processo di carbonizzazione e attivazione. Il ruolo specifico di questi reagenti determina se il metodo appartiene alla categoria dell'attivazione catalitica.
La struttura del materiale poroso in carbonio stesso, le proprietà fisiche e chimiche del catalizzatore, le condizioni della reazione catalitica e il metodo di caricamento del catalizzatore possono tutti avere diversi gradi di influenza sull'effetto di regolazione. Utilizzando carbone bituminoso come materia prima, Mn(N03)2 e Cu(N03)2 come catalizzatori possono preparare materiali porosi contenenti ossidi metallici. La quantità appropriata di ossidi metallici può migliorare la porosità e il volume dei pori, ma gli effetti catalitici dei diversi metalli sono leggermente diversi. Cu(N03)2 può favorire lo sviluppo di pori nell'intervallo 1,5~2,0 nm. Inoltre anche gli ossidi metallici e i sali inorganici contenuti nelle ceneri della materia prima svolgono un ruolo catalitico nel processo di attivazione. Xie Qiang et al. [42] ritenevano che la reazione di attivazione catalitica di elementi come calcio e ferro nella materia inorganica potesse favorire lo sviluppo dei pori. Quando il contenuto di questi due elementi è troppo elevato, la percentuale di pori medi e grandi nel prodotto aumenta notevolmente.
Conclusione
Sebbene il carbone attivo, in quanto materiale di carbonio poroso verde più utilizzato, abbia svolto un ruolo importante nell'industria e nella vita, ha ancora un grande potenziale di miglioramento nell'espansione delle materie prime, nella riduzione dei costi, nel miglioramento della qualità, nel miglioramento dell'energia, nell'estensione della vita e nel miglioramento della resistenza . Trovare materie prime di carbone attivo di alta qualità ed economiche, sviluppare una tecnologia di produzione di carbone attivo pulita ed efficiente e ottimizzare e regolare la struttura dei pori del carbone attivo in base ai diversi campi di applicazione sarà una direzione importante per migliorare la qualità dei prodotti a base di carbone attivo e promuovere lo sviluppo di alta qualità dell’industria del carbone attivo.
Orario di pubblicazione: 27 agosto 2024