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活性炭表面化学改性介绍
文章作者:韩研网络部 更新时间:2019-2-21 13:43:02

  碳基材料被认为是与气体吸附,储能和废水处理的一种吸附材料,一般用于去除有机和无机污染物。活性炭上的有效吸附很大程度上依赖于主要骨架的表面化学和纹理特征。活化技术和前体的性质对表面功能具有强烈影响。因此,研究员的主要重点是通过选择合适的前体进行所需的吸附,以最佳方式创新或改进活化方法。已经使用各种方法,包括酸处理,碱处理和浸渍方法来设计具有化学改性表面的活性炭。本期提供关于活性炭表面改性的介绍。

  表面化学特性

  碳基材料的表面化学基本上依赖于化学表面的异质性,这与表面上杂原子的位置有关。杂原子通常被称为母体基质中存在的除碳以外的一组原子,例如氧,氮,氢,硫和磷。这些元素的性质和测量依赖于前体或接种方法在激活处理。通过观察这些杂原子的性质,提出了包含杂原子的表面官能团以及芳族碳中的离域电子可以产生具有酸性或碱性表面的活性炭。

  酸性表面

  与酸性表面的活性炭主要包括含氧官能团。这些基团通常位于基面的外表面或边缘上,并且在控制碳的化学性质中起主要作用。这些特定的外部位置主要被认为是吸附位点,因此这些特定点处的氧浓度对碳的吸附能力具有很大影响。广泛的研究工作和结果表明,含碳原子的少数基团,包括羧基,色烯,内酯,苯酚,醌,吡喃酮,羰基和醚,通常位于碳表面上(图1)。具有羧酸基团的官能团是通常用于表面酸度。其他表面酸性基团包括羧酸酐,内酯和酚羟基。

活性炭的酸性和碱性表面功能

  基本表面

  负责活性炭的基本表面的两个主要功能是:能够结合质子稠合芳族结构和碱性表面官能团(例如,富含氮的官能团)的离域π电子。以前的研究探索了某些含氧的官能团,包括色烯,酮和吡喃酮,也可以促进碳的碱性(图1)。另一方面,广泛的研究表明,活性炭的碱性来自碳基质中的共振π电子。详细说来,碳层中的π电子可以充当路易斯基本位点。研究了两个系列碳的基本表面特征,证明无氧碳表面可以有效地从水介质中吸附质子。优异的吸附能力被认为是位于碳微晶基面上富含π电子的区域中的位点。因此,这些地区具有路易斯基本特征。类似地,通过在碳表面上引入富氮官能团的化学改性可以促进从大气中吸附CO 2。氮部分通常诱导基本特征,这可以提高通过偶极-偶极相互作用,氢键和共价键合碳表面与酸性物质之间的相互作用。

  活性炭的表面化学改性

  活性炭具有三种不同类型的依赖于表面官能团化学性质的化学表面(酸性,碱性和中性)。通过改变表面上的官能团可以改变这些化学特性。

  酸处理

  为了酸化活性炭的表面,表面通常被氧化,因为它通过降低矿物质含量来增强碳表面的酸性特征和亲水性。硝酸(HNO 3),硫酸(H 2 SO 4)和磷酸(H 3 PO 4)被广泛地用于此目的。在氧化过程中,在碳表面上产生富氧官能团,包括羧基,内酯和酚羟基。用于产生氧衍生的​​酸性基团的最常用的活化方法是通过气体和含水氧化剂的氧化。二氧化碳,氧气,蒸汽和空气在气相氧化中用作氧化剂。低温氧化导致强酸性官能团(例如羧基)的产生,而升高的温度导致弱酸性基团(例如酚)的形成。液相氧化使用较少的能量,因为与气相氧化相比,低温氧化可在表面引入更高的氧含量。

  碱处理

  具有碱处理的活性炭在表面上诱导正电荷,这增强了带负电荷的部分的吸附。产生具有基本表面特征的多孔碳的最方便的方法是在高温下用氢气或氨处理。用氨对高温处理(400-900℃)活性炭导致在碳表面上形成碱性氮基团。氮官能可以通过反应被掺杂有含氮(如氨,硝酸和各种胺)或活化在富含氮气的环境中。可能存在的氮形式包括以下基团:酰胺,酰亚胺,内酰胺,吡咯和吡啶基。氨处理的主要作用是提高活性炭表面的碱性。除了在高温下引入碱性氮原子外,排除氧基基团可以显着提高活性炭的碱度。这些氮官能团通常诱导碱性,这可以通过偶极-偶极相互作用,氢键和共价键促进吸附剂和酸性物质之间的相互作用。

  化学浸渍

  人们普遍认为,通过浸渍适当的化学物质可以显着提高活性炭对消除有害毒素的吸附能力。可以将浸渍解释为活性炭内表面中化学物质的均匀分布。然而,一些研究人员引入表面官能团如浸渍技术相关联。在这种情况下,我们指的是用不影响活性炭表面pH的物质浸渍。这些浸渍材料可以是金属或聚合物质,其通常不会引起显着的pH变化。浸渍活性炭表面应通过改善其内置的催化氧化能力来增强材料的主要性能,促进活性炭和浸渍剂之间的协同作用,以增强吸附并增加材料的惰性能力。多孔载体。用于生产浸渍活性炭的一般工业加工方法包括使用回转窑或流化床用浸渍剂喷射未用过的碳。通常,浸渍材料包括氢氧化物,碳酸盐,铬酸盐或硝酸盐。

  表面活性剂改性的活性炭

  众多研究努力正在致力于表面阴离子和阳离子表面活性剂。对这些表面活性剂在碳表面上的吸附的全面解释仍不清楚。一般假设声明表面活性剂和活性炭之间的疏水相互作用是表面活性剂在活性炭表面上吸附的主要来源。然而,这些表面活性剂改性的碳作为吸附剂直接暗示从水溶液中除去污染物是罕见的。有一种新的改性方法,其中粒状活性炭掺杂阳离子表面活性剂,以便在小规模实验室测试中改善从地下水中去除高氯酸盐的ppb水平。他们发现,与原始活性炭相比,用十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)表面活性剂改性的活性炭在模拟的20-22分钟空床中将高氯酸盐穿透时间提高了30倍。

  在这篇介绍中,提出了一些基于活性炭改性方面的方法,以提高水和空气中各种污染物的吸附能力。使用不同的活化剂来诱导不同表面官能团的形成。通常,从水性环境的金属离子的摄取需要酸性处理,而碱性诱导强烈建议用于去除阴离子污染物,有机部分和CO的2从空中。在研究了所有可能的改性方法之后,人们发现酸性处理通常是研究和使用最多的技术,可能是由于其简单,易于使用,许多氧化剂的可用性以及已经使用的众所周知的氧化机理。多年来。目前,研究人员的主要关注点是设计具有改性表面和优异的纹理参数的活性炭。

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