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物理的および化学的活性化方法
物理的及び化学的活性化法とは、上記２つの活性化法を組み合わせて多孔質材料を作製する方法をいう。一般に、最初に化学的活性化が実行され、次に物理的活性化が実行されます。まずセルロースを68%~85%のH3PO4溶液に85℃で2時間浸漬し、マッフル炉で4時間炭化し、その後CO2で活性化します。得られた活性炭の比表面積は３７００ｍ２・ｇ−１と高かった。サイザル麻繊維を原料として使用し、H3PO4賦活で得られた活性炭繊維（ACF）を一度活性化し、N2保護下で830℃まで加熱し、その後水蒸気を賦活剤として二次賦活してみます。 60 分間の活性化後に得られた ACF の比表面積は大幅に向上しました。
活性化物質の細孔構造性能の特性評価炭素
一般的に使用される活性炭の性能特性評価方法と適用方向を表 2 に示します。材料の細孔構造特性は、データ分析と画像分析の 2 つの側面からテストできます。
活性炭の細孔構造最適化技術の研究進捗
活性炭は豊富な細孔と大きな比表面積を持ちながら、さまざまな分野で優れた性能を発揮します。しかし、原料の選択性が広く、製造条件が複雑であるため、最終製品には一般に、無秩序な細孔構造、異なる比表面積、無秩序な細孔サイズ分布、および限定された表面化学特性という欠点があります。したがって、投与量が多く、適用プロセスの適応性が狭いなどの欠点があり、市場の要求を満たすことができません。したがって、構造を最適化および調整し、その総合的な利用性能を向上させることは、実用上非常に重要です。細孔構造の最適化と制御に一般的に使用される方法には、化学的制御、ポリマーブレンド、触媒活性化制御などがあります。
化学物質規制技術
化学的制御技術とは、化学試薬で活性化した多孔質材料を二次活性化（改質）し、元の細孔を侵食したり、微細孔を拡大したり、さらに新たな微細孔を生成して材料の比表面積や細孔構造を増加させる技術を指します。一般的に1回の活性化処理で完成した製品を0.5～4倍の薬液に浸漬し、細孔構造を整え比表面積を増加させるのが一般的です。あらゆる種類の酸およびアルカリ溶液を二次活性化用の試薬として使用できます。
酸表面酸化改質技術
酸による表面酸化修飾は、一般的に使用される調整方法です。適切な温度では、酸酸化剤が活性炭内部の細孔を強化し、細孔サイズを改善し、閉塞した細孔を浚渫することができます。現在、国内外の研究は主に無機酸の修飾に焦点を当てています。 HN03 は一般的に使用される酸化剤であり、多くの学者は HN03 を活性炭の改質に使用しています。トン・リーら。 [28] は、HNO3 が活性炭表面の酸素含有官能基および窒素含有官能基の含有量を増加させ、水銀の吸着効果を向上させることができることを発見しました。
活性炭をHN03で修飾すると、修飾後、活性炭の比表面積は652m2・g-1から241m2・g-1に減少し、平均細孔径は1.27nmから1.641nmに増加し、ベンゾフェノンの吸着容量は増加しました。模擬ガソリンでは 33.7% 増加しました。それぞれ体積濃度 10% および 70% の HNO3 を含む改質木材活性炭。結果は、10％HNO3で修飾された活性炭の比表面積が925.45m2・g-1から960.52m2・g-1に増加したことを示しています。 70% HNO3 で修飾した後、比表面積は 935.89m2・g-1 に減少しました。 ２つの濃度のＨＮＯ３で修飾された活性炭によるＣｕ２＋の除去率は、それぞれ７０％および９０％を超えた。
吸着分野で使用される活性炭の場合、吸着効果は細孔構造だけでなく吸着剤の表面化学的性質にも依存します。細孔構造は活性炭の比表面積と吸着能力を決定し、表面の化学的特性は活性炭と吸着質の間の相互作用に影響を与えます。最後に、活性炭を酸修飾すると、活性炭内部の細孔構造を調整して閉塞した細孔を除去できるだけでなく、材料表面の酸性基の含有量を増加させ、表面の極性と親水性を高めることができることが判明しました。 。 HClで修飾した活性炭によるEDTAの吸着能力は修飾前と比較して49.5%増加し、HNO3修飾よりも優れていました。
市販の活性炭をそれぞれ HNO3 と H2O2 で改質しました。改質後の比表面積は、改質前の比表面積のそれぞれ91.3%、80.8%であった。カルボキシル、カルボニル、フェノールなどの新たな含酸素官能基を表面に付加しました。 HNO3 修飾によるニトロベンゼンの吸着能力は修飾前の 3.3 倍と最も良好でした。酸修飾後の活性炭の含酸素官能基含有量の増加が表面数の増加につながったことがわかります。活性点は、ターゲット吸着質の吸着能力を向上させるのに直接的な効果がありました。
活性炭の有機酸修飾に関する報告は無機酸に比べて少ない。活性炭の細孔構造特性とメタノールの吸着に対する有機酸修飾の影響を比較します。修飾後、活性炭の比表面積と全細孔容積は減少しました。酸味が強いほど減少量は大きくなります。シュウ酸、酒石酸およびクエン酸で修飾した後、活性炭の比表面積は898.59m2・g-1から788.03m2・g-1、685.16m2・g-1および622.98m2・g-1にそれぞれ減少した。しかし、活性炭の微細気孔率は改質後に増加しました。クエン酸で修飾された活性炭の微細孔率は 75.9% から 81.5% に増加しました。
シュウ酸と酒石酸による修飾はメタノールの吸着に有益ですが、クエン酸には阻害効果があります。しかし、J.Paul Chenらは、 [35] は、クエン酸で修飾された活性炭が銅イオンの吸着を強化できることを発見しました。リン・タンら。 [36] ギ酸、シュウ酸、アミノスルホン酸で変性した市販の活性炭。修飾後、比表面積と細孔容積が減少しました。完成品の表面にはO-HC-O、C-O、S=Oなどの含酸素官能基が形成され、不均一なエッチング溝や白い結晶が現れました。アセトンとイソプロパノールの平衡吸着能力も大幅に増加しました。
アルカリ溶液改質技術
学者の中には、アルカリ溶液を使用して活性炭の二次活性化を行う人もいます。自家製の石炭ベースの活性炭にさまざまな濃度のNaOH溶液を含浸させ、細孔構造を制御します。結果は、アルカリ濃度が低いほど細孔の増加と拡大が促進されることを示しました。最高の効果は、質量濃度が 20% の場合に達成されました。活性炭は比表面積（681m2・g-1）と細孔容積（0.5916cm3・g-1）が最も高かった。 NaOH の質量濃度が 20% を超えると、活性炭の細孔構造が破壊され、細孔構造パラメータが減少し始めます。これは、高濃度の NaOH 溶液が炭素骨格を腐食し、多数の細孔が崩壊するためです。
ポリマーブレンドにより高性能活性炭を調製します。前駆体はフルフラール樹脂とフルフリルアルコールであり、エチレングリコールが細孔形成剤でした。 3種類のポリマーの含有量を調整することで細孔構造を制御し、細孔径0.008～5μmの多孔質材料を得た。一部の学者は、ポリウレタンイミドフィルム (PUI) を炭化して炭素フィルムを得ることができ、ポリウレタン (PU) プレポリマーの分子構造を変えることで細孔構造を制御できることを証明しました [41]。 PUIを200℃に加熱するとPUとポリイミド(PI)が生成します。熱処理温度が400℃に上昇すると、PUの熱分解によりガスが発生し、PIフィルム上に細孔構造が形成されます。炭化後、炭素膜が得られる。さらに、ポリマーブレンド法は、材料の物理的および機械的特性をある程度改善することもできます。
触媒活性制御技術
触媒活性制御技術は、実際には薬品活性化法と高温ガス活性化法を組み合わせたものです。一般に、化学物質を触媒として原料に添加し、その触媒を用いて炭化または賦活処理を補助し、多孔質炭素材料を得る。一般に金属は一般的に触媒効果を持っていますが、その触媒効果にはばらつきがあります。
実際、多孔質材料の化学的活性化制御と触媒的活性化制御の間には、通常、明確な境界はありません。これは、どちらの方法も炭化および活性化プロセス中に試薬を追加するためです。これらの試薬の特定の役割により、その方法が触媒活性化のカテゴリーに属するかどうかが決まります。
多孔質炭素材料自体の構造、触媒の物理的および化学的特性、触媒反応条件、触媒の担持方法はすべて、調整効果に異なる程度の影響を及ぼします。原料として瀝青炭を使用し、Mn(NO3)2 と Cu(NO3)2 を触媒として金属酸化物を含む多孔質材料を製造できます。適切な量の金属酸化物は気孔率と細孔容積を改善できますが、金属が異なれば触媒効果はわずかに異なります。 Cu(NO3)2 は 1.5 ～ 2.0nm の範囲の細孔の発達を促進します。また、原料灰に含まれる金属酸化物や無機塩も活性化過程で触媒の役割を果たします。謝強ら。 [42] は、無機物中のカルシウムや鉄などの元素の触媒活性化反応が細孔の発達を促進できると考えました。これら 2 つの元素の含有量が多すぎると、製品中の中細孔および大細孔の割合が著しく増加します。
結論
活性炭は、最も広く使用されている緑色多孔質炭素材料として産業や生活において重要な役割を果たしてきましたが、原材料の拡大、コスト削減、品質の向上、エネルギーの向上、寿命の延長、強度の向上など、依然として大きな可能性を秘めています。 。高品質で安価な活性炭原料の発見、クリーンで効率的な活性炭製造技術の開発、さまざまな応用分野に応じた活性炭の細孔構造の最適化と制御は、活性炭製品の品質を向上させ、活性炭の普及を促進するための重要な方向性となります。活性炭産業の高品質な発展。
投稿日時: 2024 年 8 月 27 日