다공성 탄소 기공 구조의 최적화 -Ⅱ

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물리적, 화학적 활성화 방법

물리적, 화학적 활성화 방법은 위의 두 가지 활성화 방법을 결합하여 다공성 물질을 제조하는 방법을 말한다. 일반적으로 화학적 활성화가 먼저 수행된 후 물리적 활성화가 수행됩니다. 먼저 셀룰로오스를 68%~85% H3PO4 용액에 85℃에서 2시간 동안 담근 후 머플로에서 4시간 동안 탄화시킨 후 CO2로 활성화시킵니다. 얻어진 활성탄의 비표면적은 3700m2·g-1로 높았다. 사이잘 섬유를 원료로 사용하여 H3PO4 활성화로 얻은 활성탄소섬유(ACF)를 1회 활성화시킨 후 N2 보호하에 830℃로 가열한 후 수증기를 활성화제로 사용하여 2차 활성화를 시도하였습니다. 활성화 60분 후에 얻은 ACF의 비표면적이 크게 향상되었습니다.

 

활성화된 기공 구조 성능의 특성 분석탄소

 
일반적으로 사용되는 활성탄 성능 특성화 방법 및 적용 방향은 표 2에 나와 있습니다. 재료의 기공 구조 특성은 데이터 분석과 이미지 분석의 두 가지 측면에서 테스트할 수 있습니다.

 

활성탄의 기공구조 최적화 기술 연구 진행

활성탄은 기공이 풍부하고 비표면적이 크지만 여러 분야에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 그러나 원료 선택성이 넓고 제조 조건이 복잡하기 때문에 완제품은 일반적으로 혼란스러운 기공 구조, 서로 다른 비표면적, 무질서한 기공 크기 분포 및 제한된 표면 화학적 특성이라는 단점을 가지고 있습니다. 따라서 적용 과정에서 복용량이 많고 적응성이 좁은 등의 단점이 있어 시장 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 따라서 구조를 최적화 및 규제하고 포괄적인 활용 성능을 향상시키는 것은 실질적인 의미가 큽니다. 기공 구조를 최적화하고 조절하기 위해 일반적으로 사용되는 방법에는 화학적 조절, 폴리머 혼합 및 촉매 활성화 조절이 포함됩니다.

 

화학물질 규제 기술

화학적 조절 기술은 화학 시약으로 활성화한 후 얻은 다공성 물질을 2차 활성화(개질)하여 원래의 기공을 침식하거나 미세 기공을 확장하거나 새로운 미세 기공을 추가로 생성하여 재료의 비표면적과 기공 구조를 증가시키는 과정을 말합니다. 일반적으로 1회 활성화된 완제품을 약액에 0.5~4배 침지하여 기공구조를 조절하고 비표면적을 증가시키는 것이 일반적입니다. 모든 종류의 산 및 알칼리 용액을 2차 활성화를 위한 시약으로 사용할 수 있습니다.

 

산성 표면 산화 개질 기술

산성 표면 산화 변형은 일반적으로 사용되는 조절 방법입니다. 적절한 온도에서 산성산화제는 활성탄 내부의 기공을 풍부하게 하고 기공 크기를 개선하며 막힌 기공을 준설할 수 있습니다. 현재 국내외 연구는 주로 무기산의 개질에 중점을 두고 있다. HN03은 일반적으로 사용되는 산화제이며 많은 학자들이 HN03을 사용하여 활성탄을 변형합니다. Tong Liet al. [28]은 HNO3가 활성탄 표면의 산소 함유 및 질소 함유 작용기의 함량을 증가시키고 수은의 흡착 효과를 향상시킬 수 있음을 발견했습니다.

HN03로 활성탄을 개질한 결과, 개질 후 활성탄의 비표면적이 652m2·g-1에서 241m2·g-1로 감소하였고, 평균기공크기는 1.27nm에서 1.641nm로 증가하였으며, 벤조페논의 흡착능력은 증가하였다. 시뮬레이션 휘발유는 33.7% 증가했습니다. HN03의 부피 농도를 각각 10% 및 70%로 변경한 목재 활성탄. 결과는 10% HN03로 개질된 활성탄의 비표면적이 925.45m2·g-1에서 960.52m2·g-1로 증가한 것으로 나타났습니다. 70% HN03로 개질한 후 비표면적은 935.89m2·g-1로 감소했습니다. 두 가지 농도의 HNO3로 개질된 활성탄에 의한 Cu2+ 제거율은 각각 70%와 90% 이상이었습니다.

흡착 분야에 사용되는 활성탄의 경우 흡착 효과는 기공 구조뿐만 아니라 흡착제의 표면 화학적 특성에 따라 달라집니다. 기공 구조는 활성탄의 비표면적과 흡착 능력을 결정하는 반면, 표면 화학적 특성은 활성탄과 흡착물 사이의 상호 작용에 영향을 미칩니다. 최종적으로 활성탄의 산개질은 활성탄 내부의 기공 구조를 조정하여 막힌 기공을 깨끗하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 소재 표면의 산성기 함량을 증가시켜 표면의 극성 및 친수성을 강화시킬 수 있음을 밝혀냈습니다. . HCI로 개질된 활성탄에 의한 EDTA의 흡착능력은 개질 전과 비교하여 49.5% 증가하였으며, 이는 HNO3 개질에 비해 우수한 것으로 나타났다.

각각 HNO3와 H2O2로 개질된 상업용 활성탄! 개질 후의 비표면적은 개질 전의 비표면적 각각 91.3% 및 80.8%를 나타냈다. 카르복실, 카르보닐, 페놀과 같은 새로운 산소 함유 작용기가 표면에 추가되었습니다. HNO3 개질에 의한 니트로벤젠의 흡착능은 개질 전의 3.3배로 가장 좋았으며, 산 개질 후 활성탄의 산소 함유 작용기 함량 증가로 표면 수의 증가로 이어지는 것으로 나타났다. 활성점은 표적 흡착물의 흡착 능력 향상에 직접적인 영향을 미쳤습니다.

무기산과 비교하여 활성탄의 유기산 개질에 대한 보고는 거의 없습니다. 유기산 개질이 활성탄의 기공 구조 특성과 메탄올 흡착에 미치는 영향을 비교합니다. 개질 후 활성탄의 비표면적과 총 기공 부피가 감소했습니다. 산도가 강할수록 감소폭이 커집니다. 옥살산, 타르타르산 및 구연산으로 개질한 후 활성탄의 비표면적은 각각 898.59m2·g-1에서 788.03m2·g-1, 685.16m2·g-1 및 622.98m2·g-1로 감소했습니다. 그러나 활성탄의 미세다공성은 개질 후 증가하였다. 구연산으로 개질된 활성탄의 미세다공성은 75.9%에서 81.5%로 증가했습니다.

옥살산과 타르타르산 변형은 메탄올 흡착에 유익한 반면, 구연산은 억제 효과가 있습니다. 그러나 J.Paul Chen et al. [35] 구연산으로 변형된 활성탄이 구리 이온의 흡착을 향상시킬 수 있음을 발견했습니다. Lin Tanget al. [36] 포름산, 옥살산 및 아미노술폰산으로 변형된 상업용 활성탄. 수정 후 비표면적과 기공 부피가 감소했습니다. 완성된 제품의 표면에는 0-HC-0, C-0, S=0 등의 산소 함유 관능기가 형성되었으며, 고르지 못한 에칭 채널과 백색 결정이 나타났다. 아세톤과 이소프로판올의 평형 흡착 능력도 크게 증가했습니다.

 

알칼리용액 개질기술

일부 학자들은 활성탄에 대한 2차 활성화를 위해 알칼리 용액을 사용하기도 했습니다. 다양한 농도의 NaOH 용액을 직접 만든 석탄 기반 활성탄에 함침시켜 기공 구조를 제어합니다. 그 결과, 알칼리 농도가 낮을수록 기공 증가 및 팽창에 도움이 되는 것으로 나타났습니다. 가장 좋은 효과는 질량 농도가 20%일 때 달성되었습니다. 활성탄은 비표면적(681m2·g-1)과 기공용적(0.5916cm3·g-1)이 가장 높았다. NaOH의 질량 농도가 20%를 초과하면 활성탄의 기공 구조가 파괴되고 기공 구조 매개변수가 감소하기 시작합니다. 이는 고농도의 NaOH 용액이 탄소 골격을 부식시키고 많은 수의 기공이 붕괴되기 때문입니다.

폴리머 블렌딩을 통해 고성능 활성탄을 제조합니다. 전구체는 푸르푸랄 수지와 푸르푸릴 알코올이었고, 조공제는 에틸렌 글리콜이었다. 세 가지 고분자의 함량을 조절하여 기공구조를 조절하였고, 기공크기가 0.008~5μm 사이인 다공성 물질을 얻었다. 일부 학자들은 폴리우레탄이미드 필름(PUI)이 탄화되어 탄소 필름을 얻을 수 있고 폴리우레탄(PU) 프리폴리머의 분자 구조를 변경하여 기공 구조를 제어할 수 있음을 입증했습니다[41]. PUI를 200°C로 가열하면 PU와 폴리이미드(PI)가 생성됩니다. 열처리 온도가 400°C까지 올라가면 PU 열분해로 인해 가스가 발생하고, 이로 인해 PI 필름에 기공 구조가 형성됩니다. 탄화 후 탄소막이 얻어집니다. 또한 폴리머 블렌딩 방법은 재료의 물리적, 기계적 특성을 어느 정도 향상시킬 수도 있습니다.

 

촉매 활성화 조절 기술

촉매활성화 조절기술은 사실상 화학적 활성화 방식과 고온가스 활성화 방식이 결합된 기술이다. 일반적으로 원료에 촉매로 화학물질을 첨가하는데, 이 촉매는 다공성 탄소재료를 얻기 위한 탄화 또는 활성화 과정을 보조하는 역할을 한다. 일반적으로 금속은 일반적으로 촉매 효과가 있지만 촉매 효과는 다양합니다.

실제로 다공성 물질의 화학적 활성화 조절과 촉매 활성화 조절 사이에는 일반적으로 명확한 경계가 없습니다. 이는 두 방법 모두 탄화 및 활성화 과정에서 시약을 추가하기 때문입니다. 이러한 시약의 특정 역할에 따라 해당 방법이 촉매 활성화 범주에 속하는지 여부가 결정됩니다.

다공성 탄소 재료 자체의 구조, 촉매의 물리적, 화학적 특성, 촉매 반응 조건 및 촉매 로딩 방법은 모두 조절 효과에 서로 다른 영향을 미칠 수 있습니다. 역청탄을 원료로 하고 Mn(NO3)2와 Cu(NO3)2를 촉매로 사용하면 금속산화물을 함유한 다공성 물질을 제조할 수 있다. 적절한 양의 금속 산화물은 다공성과 기공 부피를 향상시킬 수 있지만 금속마다 촉매 효과는 약간 다릅니다. Cu(NO3)2는 1.5~2.0nm 범위의 기공 발달을 촉진할 수 있습니다. 또한, 원료재에 함유된 금속산화물과 무기염도 활성화 과정에서 촉매 역할을 하게 됩니다. Xie Qianget al. [42]는 무기물 내 칼슘, 철 등의 원소의 촉매 활성화 반응이 기공의 발달을 촉진할 수 있다고 믿었다. 이 두 요소의 함량이 너무 높으면 제품 내 중대형 기공의 비율이 크게 증가합니다.

 

결론

활성탄은 가장 널리 사용되는 녹색 다공성탄소 소재로서 산업과 생활에 중요한 역할을 해왔지만, 여전히 원료 확대, 원가 절감, 품질 향상, 에너지 향상, 수명 연장 및 강도 향상 등의 개선 가능성이 크다 . 고품질의 저렴한 활성탄 원료를 찾고, 깨끗하고 효율적인 활성탄 생산 기술을 개발하며, 다양한 응용 분야에 따라 활성탄의 기공 구조를 최적화 및 조절하는 것은 활성탄 제품의 품질 향상과 홍보에 중요한 방향이 될 것입니다. 활성탄 산업의 고품질 발전.