การเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างรูพรุนคาร์บอนที่มีรูพรุน -Ⅱ

ยินดีต้อนรับสู่เว็บไซต์ของเราสำหรับข้อมูลผลิตภัณฑ์และคำปรึกษา

เว็บไซต์ของเรา:https://www.vet-china.com/

 

วิธีการกระตุ้นทางกายภาพและเคมี

วิธีการกระตุ้นทางกายภาพและเคมีหมายถึงวิธีการเตรียมวัสดุที่มีรูพรุนโดยการรวมวิธีการกระตุ้นทั้งสองวิธีข้างต้น โดยทั่วไป การกระตุ้นทางเคมีจะดำเนินการก่อน จากนั้นจึงดำเนินการกระตุ้นทางกายภาพ ขั้นแรก แช่เซลลูโลสในสารละลาย H3PO4 68%~85% ที่ 85°C เป็นเวลา 2 ชั่วโมง จากนั้นทำให้เป็นคาร์บอนในเตาเผาเป็นเวลา 4 ชั่วโมง จากนั้นเปิดใช้งานด้วย CO2 พื้นที่ผิวจำเพาะของถ่านกัมมันต์ที่ได้รับจะสูงถึง 3700m2·g-1 ลองใช้เส้นใยป่านศรนารายณ์เป็นวัตถุดิบ และเปิดใช้งานเส้นใยคาร์บอนกัมมันต์ (ACF) ที่ได้จากการเปิดใช้งาน H3PO4 หนึ่งครั้ง ให้ความร้อนที่ 830 ℃ ภายใต้การป้องกัน N2 จากนั้นใช้ไอน้ำเป็นตัวกระตุ้นสำหรับการกระตุ้นครั้งที่สอง พื้นที่ผิวจำเพาะของ ACF ที่ได้รับหลังการกระตุ้น 60 นาทีได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ

 

การศึกษาลักษณะเฉพาะของประสิทธิภาพโครงสร้างรูพรุนของสารกัมมันต์คาร์บอน

 
วิธีการระบุลักษณะสมรรถนะของถ่านกัมมันต์ที่ใช้กันทั่วไปและทิศทางการใช้งานแสดงไว้ในตารางที่ 2 ลักษณะโครงสร้างรูพรุนของวัสดุสามารถทดสอบได้จากสองด้าน: การวิเคราะห์ข้อมูลและการวิเคราะห์ภาพ

 

ความคืบหน้าการวิจัยเทคโนโลยีการปรับโครงสร้างรูพรุนของถ่านกัมมันต์

แม้ว่าถ่านกัมมันต์จะมีรูขุมขนกว้างและพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ แต่ก็มีประสิทธิภาพที่ดีเยี่ยมในหลายสาขา อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสามารถเลือกวัตถุดิบได้หลากหลายและมีเงื่อนไขการเตรียมการที่ซับซ้อน ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปโดยทั่วไปจึงมีข้อเสียของโครงสร้างรูพรุนที่วุ่นวาย พื้นที่ผิวจำเพาะที่แตกต่างกัน การกระจายขนาดรูพรุนที่ไม่เป็นระเบียบ และคุณสมบัติทางเคมีของพื้นผิวที่จำกัด ดังนั้นจึงมีข้อเสีย เช่น ปริมาณขนาดใหญ่และความสามารถในการปรับตัวที่แคบในกระบวนการสมัคร ซึ่งไม่สามารถตอบสนองความต้องการของตลาดได้ ดังนั้นจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในทางปฏิบัติในการเพิ่มประสิทธิภาพและควบคุมโครงสร้างและปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้งานที่ครอบคลุม วิธีการที่ใช้กันทั่วไปในการปรับและควบคุมโครงสร้างรูพรุน ได้แก่ การควบคุมทางเคมี การผสมโพลีเมอร์ และการควบคุมการกระตุ้นตัวเร่งปฏิกิริยา

 

เทคโนโลยีการควบคุมสารเคมี

เทคโนโลยีการควบคุมสารเคมีหมายถึงกระบวนการกระตุ้นทุติยภูมิ (การดัดแปลง) ของวัสดุที่มีรูพรุนที่ได้รับหลังจากการกระตุ้นด้วยรีเอเจนต์เคมี การกัดเซาะรูพรุนเดิม การขยายไมโครรูพรุน หรือการสร้างไมโครรูพรุนใหม่เพิ่มเติมเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวจำเพาะและโครงสร้างรูพรุนของวัสดุ โดยทั่วไปแล้ว ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปจากการเปิดใช้งานครั้งเดียวโดยทั่วไปจะแช่อยู่ในสารละลายเคมี 0.5~4 เท่า เพื่อควบคุมโครงสร้างรูพรุนและเพิ่มพื้นที่ผิวจำเพาะ สารละลายกรดและด่างทุกชนิดสามารถใช้เป็นรีเอเจนต์สำหรับการกระตุ้นขั้นที่สองได้

 

เทคโนโลยีการปรับเปลี่ยนออกซิเดชันพื้นผิวกรด

การปรับเปลี่ยนออกซิเดชันที่พื้นผิวของกรดเป็นวิธีการควบคุมที่ใช้กันทั่วไป ที่อุณหภูมิที่เหมาะสม สารออกซิแดนท์ที่เป็นกรดสามารถเพิ่มรูขุมขนภายในถ่านกัมมันต์ ปรับปรุงขนาดรูพรุน และขุดลอกรูขุมขนที่ถูกบล็อก ปัจจุบันการวิจัยในประเทศและต่างประเทศมุ่งเน้นไปที่การปรับเปลี่ยนกรดอนินทรีย์เป็นหลัก HN03 เป็นสารออกซิแดนท์ที่ใช้กันทั่วไป และนักวิชาการหลายคนใช้ HN03 เพื่อปรับเปลี่ยนถ่านกัมมันต์ ถง ลี และคณะ [28] พบว่า HN03 สามารถเพิ่มปริมาณของกลุ่มฟังก์ชันที่ประกอบด้วยออกซิเจนและไนโตรเจนบนพื้นผิวของถ่านกัมมันต์ และปรับปรุงผลการดูดซับของปรอท

การปรับเปลี่ยนถ่านกัมมันต์ด้วย HN03 หลังจากการดัดแปลง พื้นที่ผิวจำเพาะของถ่านกัมมันต์ลดลงจาก 652m2·g-1 เป็น 241m2·g-1 ขนาดรูพรุนเฉลี่ยเพิ่มขึ้นจาก 1.27nm เป็น 1.641nm และความสามารถในการดูดซับของเบนโซฟีโนน ในน้ำมันเบนซินจำลองเพิ่มขึ้น 33.7% การดัดแปลงถ่านกัมมันต์จากไม้ด้วยความเข้มข้นเชิงปริมาตร 10% และ 70% ของ HN03 ตามลำดับ ผลการวิจัยพบว่าพื้นที่ผิวจำเพาะของถ่านกัมมันต์ที่ดัดแปลงด้วย 10% HN03 เพิ่มขึ้นจาก 925.45m2·g-1 เป็น 960.52m2·g-1; หลังจากการดัดแปลงด้วย 70% HN03 พื้นที่ผิวจำเพาะลดลงเหลือ 935.89m2·g-1 อัตราการกำจัด Cu2+ โดยถ่านกัมมันต์ดัดแปลงด้วยความเข้มข้นสองระดับของ HN03 สูงกว่า 70% และ 90% ตามลำดับ

สำหรับถ่านกัมมันต์ที่ใช้ในด้านการดูดซับ ผลของการดูดซับไม่เพียงขึ้นอยู่กับโครงสร้างของรูพรุนเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางเคมีของพื้นผิวของตัวดูดซับด้วย โครงสร้างรูพรุนจะกำหนดพื้นที่ผิวจำเพาะและความสามารถในการดูดซับของถ่านกัมมันต์ ในขณะที่คุณสมบัติทางเคมีของพื้นผิวส่งผลต่อปฏิสัมพันธ์ระหว่างถ่านกัมมันต์และตัวดูดซับ ในที่สุดก็พบว่าการปรับเปลี่ยนกรดของถ่านกัมมันต์ไม่เพียงแต่สามารถปรับโครงสร้างรูพรุนภายในถ่านกัมมันต์และล้างรูขุมขนที่ถูกบล็อก แต่ยังเพิ่มปริมาณของกลุ่มที่เป็นกรดบนพื้นผิวของวัสดุและเพิ่มขั้วและความชอบน้ำของพื้นผิว . ความสามารถในการดูดซับของ EDTA โดยถ่านกัมมันต์ที่ดัดแปลงโดย HCI เพิ่มขึ้น 49.5% เมื่อเทียบกับก่อนการดัดแปลง ซึ่งดีกว่าการดัดแปลง HNO3

ถ่านกัมมันต์ดัดแปลงเชิงพาณิชย์ด้วย HNO3 และ H2O2 ตามลำดับ! พื้นที่ผิวจำเพาะหลังการปรับปรุงคิดเป็นร้อยละ 91.3 และ 80.8 ของพื้นที่ผิวก่อนการปรับเปลี่ยน ตามลำดับ มีการเพิ่มหมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจน เช่น คาร์บอกซิล คาร์บอนิล และฟีนอล ลงบนพื้นผิว ความสามารถในการดูดซับของไนโตรเบนซีนโดยการดัดแปลง HNO3 ดีที่สุดคือ 3.3 เท่าของความสามารถในการดูดซับก่อนการดัดแปลง พบว่าการเพิ่มขึ้นของปริมาณของกลุ่มฟังก์ชันที่มีออกซิเจนในถ่านกัมมันต์หลังจากการดัดแปลงกรดทำให้จำนวนพื้นผิวเพิ่มขึ้น จุดแอคทีฟซึ่งมีผลโดยตรงต่อการปรับปรุงความสามารถในการดูดซับของตัวดูดซับเป้าหมาย

เมื่อเปรียบเทียบกับกรดอนินทรีย์ มีรายงานเพียงไม่กี่ฉบับเกี่ยวกับการดัดแปลงกรดอินทรีย์ของถ่านกัมมันต์ เปรียบเทียบผลของการดัดแปลงกรดอินทรีย์ต่อคุณสมบัติโครงสร้างรูพรุนของถ่านกัมมันต์และการดูดซับเมทานอล หลังจากการดัดแปลง พื้นที่ผิวจำเพาะและปริมาตรรูพรุนรวมของถ่านกัมมันต์ลดลง ยิ่งความเป็นกรดเข้มข้นเท่าใดก็ยิ่งลดลงเท่านั้น หลังจากการดัดแปลงด้วยกรดออกซาลิก กรดทาร์ทาริก และกรดซิตริก พื้นที่ผิวจำเพาะของถ่านกัมมันต์ลดลงจาก 898.59m2·g-1 เป็น 788.03m2·g-1, 685.16m2·g-1 และ 622.98m2·g-1 ตามลำดับ อย่างไรก็ตาม microporosity ของถ่านกัมมันต์เพิ่มขึ้นหลังจากการดัดแปลง microporosity ของถ่านกัมมันต์ที่ดัดแปลงด้วยกรดซิตริกเพิ่มขึ้นจาก 75.9% เป็น 81.5%

การปรับเปลี่ยนกรดออกซาลิกและกรดทาร์ทาริกมีประโยชน์ต่อการดูดซับเมทานอล ในขณะที่กรดซิตริกมีฤทธิ์ยับยั้ง อย่างไรก็ตาม J.Paul Chen และคณะ [35] พบว่าถ่านกัมมันต์ที่ถูกดัดแปลงด้วยกรดซิตริกสามารถเพิ่มการดูดซับไอออนของทองแดงได้ ลิน ถัง และคณะ [36] ถ่านกัมมันต์เชิงพาณิชย์ดัดแปลงที่มีกรดฟอร์มิก กรดออกซาลิก และกรดอะมิโนซัลโฟนิก หลังจากการปรับเปลี่ยน พื้นที่ผิวจำเพาะและปริมาตรรูพรุนลดลง หมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจน เช่น 0-HC-0, C-0 และ S=0 ถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป และช่องที่แกะสลักไม่เท่ากันและผลึกสีขาวปรากฏขึ้น ความสามารถในการดูดซับสมดุลของอะซิโตนและไอโซโพรพานอลก็เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเช่นกัน

 

เทคโนโลยีการปรับเปลี่ยนสารละลายอัลคาไลน์

นักวิชาการบางคนยังใช้สารละลายอัลคาไลน์เพื่อกระตุ้นการทำงานของถ่านกัมมันต์ขั้นที่สอง ชุบถ่านกัมมันต์ที่ใช้ถ่านหินทำเองด้วยสารละลาย Na0H ที่มีความเข้มข้นต่างกันเพื่อควบคุมโครงสร้างรูพรุน ผลการวิจัยพบว่าความเข้มข้นของอัลคาไลต่ำลงเอื้อต่อการเพิ่มและการขยายตัวของรูพรุน ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดจะเกิดขึ้นได้เมื่อความเข้มข้นของมวลเท่ากับ 20% ถ่านกัมมันต์มีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงสุด (681m2·g-1) และปริมาตรรูพรุน (0.5916cm3·g-1) เมื่อความเข้มข้นมวลของ Na0H เกิน 20% โครงสร้างรูพรุนของถ่านกัมมันต์จะถูกทำลาย และพารามิเตอร์โครงสร้างรูพรุนจะเริ่มลดลง เนื่องจากความเข้มข้นสูงของสารละลาย Na0H จะกัดกร่อนโครงกระดูกคาร์บอน และรูขุมขนจำนวนมากจะพังทลาย

การเตรียมถ่านกัมมันต์ประสิทธิภาพสูงโดยการผสมโพลีเมอร์ สารตั้งต้นคือเฟอร์ฟูรัลเรซินและเฟอร์ฟูริลแอลกอฮอล์ และเอทิลีนไกลคอลเป็นสารสร้างรูพรุน โครงสร้างรูพรุนถูกควบคุมโดยการปรับปริมาณของโพลีเมอร์ทั้งสามชนิด และได้วัสดุที่มีรูพรุนซึ่งมีขนาดรูพรุนระหว่าง 0.008 ถึง 5 ไมโครเมตร นักวิชาการบางคนได้พิสูจน์ว่าฟิล์มโพลียูรีเทน-อิไมด์ (PUI) สามารถถูกทำให้เป็นคาร์บอนเพื่อให้ได้ฟิล์มคาร์บอน และโครงสร้างของรูพรุนสามารถควบคุมได้โดยการเปลี่ยนโครงสร้างโมเลกุลของโพลียูรีเทน (PU) พรีโพลีเมอร์ [41] เมื่อ PUI ถูกให้ความร้อนถึง 200°C จะเกิด PU และโพลีอิไมด์ (PI) เมื่ออุณหภูมิการรักษาความร้อนสูงถึง 400°C PU ไพโรไลซิสจะผลิตก๊าซ ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของโครงสร้างรูพรุนบนฟิล์ม PI หลังจากคาร์บอไนเซชันจะได้ฟิล์มคาร์บอน นอกจากนี้ วิธีการผสมโพลีเมอร์ยังสามารถปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลของวัสดุได้ในระดับหนึ่ง

 

เทคโนโลยีการควบคุมการเปิดใช้งานตัวเร่งปฏิกิริยา

เทคโนโลยีการควบคุมการกระตุ้นตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นการผสมผสานระหว่างวิธีการกระตุ้นทางเคมีและวิธีการกระตุ้นก๊าซอุณหภูมิสูง โดยทั่วไปสารเคมีจะถูกเติมเข้าไปในวัตถุดิบเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อช่วยในกระบวนการคาร์บอไนเซชันหรือการกระตุ้นเพื่อให้ได้วัสดุคาร์บอนที่มีรูพรุน โดยทั่วไปแล้ว โลหะโดยทั่วไปจะมีผลในการเร่งปฏิกิริยา แต่ผลของการเร่งปฏิกิริยาจะแตกต่างกันไป

ในความเป็นจริง โดยปกติแล้วไม่มีขอบเขตที่ชัดเจนระหว่างการควบคุมการกระตุ้นด้วยสารเคมีและการควบคุมการกระตุ้นตัวเร่งปฏิกิริยาของวัสดุที่มีรูพรุน เนื่องจากทั้งสองวิธีเพิ่มรีเอเจนต์ระหว่างกระบวนการคาร์บอไนเซชันและการกระตุ้น บทบาทเฉพาะของรีเอเจนต์เหล่านี้จะกำหนดว่าวิธีการนั้นอยู่ในหมวดหมู่ของการกระตุ้นตัวเร่งปฏิกิริยาหรือไม่

โครงสร้างของวัสดุคาร์บอนที่มีรูพรุนเอง คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของตัวเร่งปฏิกิริยา สภาวะของปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยา และวิธีการโหลดตัวเร่งปฏิกิริยา ล้วนมีอิทธิพลต่อผลของการควบคุมในระดับที่แตกต่างกัน การใช้ถ่านหินบิทูมินัสเป็นวัตถุดิบ Mn(N03)2 และ Cu(N03)2 เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถเตรียมวัสดุที่มีรูพรุนซึ่งมีออกไซด์ของโลหะได้ ปริมาณโลหะออกไซด์ที่เหมาะสมสามารถปรับปรุงความพรุนและปริมาตรรูพรุนได้ แต่ผลการเร่งปฏิกิริยาของโลหะชนิดต่างๆ จะแตกต่างกันเล็กน้อย Cu(N03)2 สามารถส่งเสริมการพัฒนารูขุมขนในช่วง 1.5~2.0nm นอกจากนี้ โลหะออกไซด์และเกลืออนินทรีย์ที่มีอยู่ในเถ้าวัตถุดิบยังจะมีบทบาทในการเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการกระตุ้นอีกด้วย เซี่ยเกียง และคณะ [42] เชื่อว่าปฏิกิริยากระตุ้นการเร่งปฏิกิริยาของธาตุต่างๆ เช่น แคลเซียมและธาตุเหล็กในสารอนินทรีย์สามารถส่งเสริมการพัฒนาของรูขุมขนได้ เมื่อเนื้อหาของทั้งสององค์ประกอบสูงเกินไป สัดส่วนของรูพรุนขนาดกลางและขนาดใหญ่ในผลิตภัณฑ์จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก

 

บทสรุป

แม้ว่าถ่านกัมมันต์ซึ่งเป็นวัสดุคาร์บอนที่มีรูพรุนสีเขียวที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด มีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมและชีวิต แต่ก็ยังมีศักยภาพที่ดีในการปรับปรุงการขยายวัตถุดิบ การลดต้นทุน การปรับปรุงคุณภาพ การปรับปรุงพลังงาน การยืดอายุ และการปรับปรุงความแข็งแรง . การค้นหาวัตถุดิบถ่านกัมมันต์คุณภาพสูงและราคาถูก การพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตถ่านกัมมันต์ที่สะอาดและมีประสิทธิภาพ และการเพิ่มประสิทธิภาพและการควบคุมโครงสร้างรูพรุนของถ่านกัมมันต์ตามสาขาการใช้งานที่แตกต่างกัน จะเป็นทิศทางสำคัญในการปรับปรุงคุณภาพของผลิตภัณฑ์ถ่านกัมมันต์และการส่งเสริม การพัฒนาคุณภาพสูงของอุตสาหกรรมถ่านกัมมันต์