活性炭改性后的實際應(yīng)用
來源：活性炭改性后的實際應(yīng)用 發(fā)布于：2021-04-14 08:14:06 瀏覽：424
為了探索活性炭化學表面改性引起的效應(yīng)，研究人員已經(jīng)在各種實際應(yīng)用中開發(fā)了改性活性炭（表1）。本期介紹活性炭的一些應(yīng)用領(lǐng)域。
表1：活性炭的幾種改性方法。
活性炭作為超級電容器
化學表面改性的活性炭廣泛用作儲能裝置。前材料使用同時化學(KOH)和物理(CO 2)活化方法生產(chǎn)活性炭。然后使用過氧化氫(H 2 O 2)，硝酸(HNO 3)和硫酸(H 2 SO 4)對所獲得的碳基材料進行表面氧化。作為改進的結(jié)果，未觀察到最終樣品的紋理特征的顯著變化，但表面的化學特性表現(xiàn)出明顯的變化。在活性炭的表面上引入了新的官能團，導致HNO 3處理的碳中的比電容增強。在另一個實驗中，使用其他原材料的KOH活化的活性炭。改性的活性炭在表面上誘導氧和氮基團。實驗結(jié)果表明，富含氮的活性炭表現(xiàn)出較高的電容比摻氧的活性炭強很多。這些結(jié)果表明，富氧活性炭中的表面羧基官能團阻止電解質(zhì)擴散到多孔網(wǎng)絡(luò)中，而氮基團的存在可以產(chǎn)生微中孔性和優(yōu)異的偽電容性質(zhì)。此外，HNO 3改性多孔木碳單塊可用于超級電容器。結(jié)果表明，與原始碳材料相比，電化學電容性能顯著提高。
活性炭作為二氧化碳吸附劑
使用氨改性活性炭能對二氧化碳快速吸附，是作為提高其CO 2獲取能力的替代方法。表面改性的活性炭的主要屬性是引入氮氣的功能性，其表現(xiàn)出強堿性，可以誘導路易斯酸堿相互作用與酸性二氧化碳分子。這提高了吸附性能。然而，CO 2之間的化學相互作用非常強分子和吸附劑表面可導致不良的吸附劑再生并且在經(jīng)濟上是不利的。因此，適度的物理吸附是有效吸附氣體分子并在需要時釋放它們的理想相互作用。
活性炭作為有機污染物吸附劑
研究表明，與金屬相比，活性炭廣泛用于吸附有機分子。有助于活性炭的高吸附性能的主要因素包括其優(yōu)異的紋理特征和合適的表面官能團的產(chǎn)生。據(jù)大家了解，富氧的酸性表面可以減少水性介質(zhì)中有機物質(zhì)的吸附，而它們的缺失會提高活性炭的吸附性能。在碳表面上引入的弱酸性官能團可以增加金屬吸附能力，同時降低酚類化合物在水性環(huán)境中的吸附。這實驗表明，在高濃度的表面酸性基團中苯酚物理吸附減少，這可能是由于碳基面的分散力降低。這表明，隨著碳表面基面上π電子的可用性增加和吸附位置的氧含量降低，苯酚吸附增加。其他一些研究通過水優(yōu)選與氧部分的氫鍵吸附在活性炭表面上的事實解釋了苯酚的吸附減少。這導致形成阻礙酚分子進入微孔結(jié)構(gòu)的大團簇。這些氧簇隨后通過在碳中定位自由電子來降低吸附性能。其他機制表明吸附電子和吸附質(zhì)的芳香結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生兩種相互作用，即π-分散和靜電相互作用。迄今為止，幾乎所有涉及從水溶液中去除有機物的實驗研究都使用苯酚和苯衍生化合物作為模型研究。除表面化學外，還應(yīng)考慮其他因素，如溶液的pH值，溶液的溫度，吸附劑的類型，氧氣的有效性和礦物質(zhì)含量，以便有效去除廢水中的有機污染物。
活性炭作為染料吸附劑
在過去的幾十年里，紡織和染料工業(yè)正在取得重大進展。然而，從廢水中去除多余的染料仍然是研究人員的一項挑戰(zhàn)性任務(wù)。我們分別用6M和10M硝酸和過氧化氫檢測表面改性的活性炭，同時在700℃下在H 2或N 2氣氛中加熱。結(jié)果表明，在高溫下用H 2處理制備的樣品表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附陰離子和陽離子染料的能力。在另一個有趣的實驗中，使用兩種紡織染料在酸改性的活性炭表面和堿性碳表面上吸附。吸附能力表明，由于碳基面中的局域π電子與染料分子中的自由電子之間的分散力，基本表面在染料吸收中起到有益作用。另一方面，酸處理的樣品由于碳表面的氧化官能團和染料分子之間存在排斥力而表現(xiàn)出降低的吸附。相反，這些結(jié)果不能應(yīng)用于所有紡織染料。一些染料表現(xiàn)出降低的吸附性和增加的基本特性。在此，酸性紅73和酸性黃23顯示出改善的攝取，但酸性藍74表現(xiàn)出降低的攝取。然而，這些染料主要由有機結(jié)構(gòu)組成。因此，可以制定一般假設(shè)增加活性炭表面的酸性官能團應(yīng)導致染料吸收減少。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，活性炭持續(xù)暴露于臭氧氣體中作為氧化劑將堿性表面位置轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝员砻嫖稽c。因此，亞甲藍的吸收減少。通過氧化可以從活性碳帶釋放電子這一事實進一步闡述了這一點，這降低了染料環(huán)結(jié)構(gòu)中的π電子系統(tǒng)與碳表面上的石墨平面之間的色散相互作用。
在另一個實驗中，使用2M硝酸和鹽酸來改性碳表面。使用了這些碳，研究亞甲藍的攝取能力。使用HCl和HNO 3處理分別使吸附容量降低了10.6%和13.5%。得出結(jié)論，類似的機制是造成這些結(jié)果的原因，其中在活性炭和電子表面形成酸官能團，從而減少了亞甲藍的吸收。他們進一步解釋了使用這兩種酸導致的活性差異。用HCl處理的碳比用HNO 3處理的碳表現(xiàn)出更大的吸收。這可歸因于負離子(Cl -)可以吸附在碳表面上的正位點上，并且可以在碳表面上誘導負電荷，從而促進帶正電荷的染料分子的吸附。然而，與這些實驗相反，也有人聲稱濃H 2SO 4的高溫氧化可導致亞甲藍吸附增加。這可以通過高溫改性后增加的中孔體積來證明，這可以導致染料吸附增強。
我們對于活性炭改性應(yīng)用的期望有哪些，開發(fā)經(jīng)濟上廉價的活性炭電極，其能夠以最小的電阻存儲大量能量。類似地，碳基材料具有增強CO 2的基本表面吸收是為了緩解全球變暖，是非常需要的。另一方面，需要進一步研究具有表面活性劑改性的活性炭以消除來自水性介質(zhì)的污染物，以獲得優(yōu)異的性能，因為該領(lǐng)域的實驗結(jié)果是有限的。此外，考慮到特定污染物的吸收增加和減少的影響，可以誘導選擇性吸附，這為清潔能源和環(huán)境科學領(lǐng)域提供了新的途徑。除了這些研究結(jié)果之外，重要的缺點是改性過程的成本和改性過程中使用的剩余危險化學品的處理。在回收吸附劑時，應(yīng)注意用于改性的化學品不應(yīng)進入大氣，須要回收。吸附劑應(yīng)用于循環(huán)測量并易于再生。牢記所有這些要點，該領(lǐng)域需要簡單，新穎，簡單和更環(huán)保的技術(shù)來改性活性炭。
表1：活性炭的幾種改性方法。
| 原材料 | 活化方法 | 改性后的變化 |
| 活性炭 | KOH活化 | 增加表面積導致高比電容 |
| 活性炭 | 用2%重量的六胺進行氮摻雜 | 增加了超級電容器應(yīng)用的電極電容 |
| 活性炭 | 硝酸氧化 | 在氧化后增強了能量密度 |
| 活性炭 | 用木質(zhì)材料和H 3 PO 4制備活性炭，并用NH 3改性 | 加入氮基團增強了的吸附速度和容量 |
| 活性炭 | 通過酸和堿處理產(chǎn)生高極性碳表面 | 對相對極性的甲基叔丁基醚和相對非極性的三氯乙烯吸附 |
| 活性炭 | 用HNO 3和HCl 酸處理 | 酸處理產(chǎn)生更多活性的酸性表面基團，例如羧基和內(nèi)酯，導致堿性染料的吸附減少 |
| 活性炭 | 使用HNO 3，H 2 O 2，NH 3進行化學處理 | 由于活性炭的化學改性，具有優(yōu)異的染料吸附性能 |
化學表面改性的活性炭廣泛用作儲能裝置。前材料使用同時化學(KOH)和物理(CO 2)活化方法生產(chǎn)活性炭。然后使用過氧化氫(H 2 O 2)，硝酸(HNO 3)和硫酸(H 2 SO 4)對所獲得的碳基材料進行表面氧化。作為改進的結(jié)果，未觀察到最終樣品的紋理特征的顯著變化，但表面的化學特性表現(xiàn)出明顯的變化。在活性炭的表面上引入了新的官能團，導致HNO 3處理的碳中的比電容增強。在另一個實驗中，使用其他原材料的KOH活化的活性炭。改性的活性炭在表面上誘導氧和氮基團。實驗結(jié)果表明，富含氮的活性炭表現(xiàn)出較高的電容比摻氧的活性炭強很多。這些結(jié)果表明，富氧活性炭中的表面羧基官能團阻止電解質(zhì)擴散到多孔網(wǎng)絡(luò)中，而氮基團的存在可以產(chǎn)生微中孔性和優(yōu)異的偽電容性質(zhì)。此外，HNO 3改性多孔木碳單塊可用于超級電容器。結(jié)果表明，與原始碳材料相比，電化學電容性能顯著提高。
活性炭作為二氧化碳吸附劑
使用氨改性活性炭能對二氧化碳快速吸附，是作為提高其CO 2獲取能力的替代方法。表面改性的活性炭的主要屬性是引入氮氣的功能性，其表現(xiàn)出強堿性，可以誘導路易斯酸堿相互作用與酸性二氧化碳分子。這提高了吸附性能。然而，CO 2之間的化學相互作用非常強分子和吸附劑表面可導致不良的吸附劑再生并且在經(jīng)濟上是不利的。因此，適度的物理吸附是有效吸附氣體分子并在需要時釋放它們的理想相互作用。
活性炭作為有機污染物吸附劑
研究表明，與金屬相比，活性炭廣泛用于吸附有機分子。有助于活性炭的高吸附性能的主要因素包括其優(yōu)異的紋理特征和合適的表面官能團的產(chǎn)生。據(jù)大家了解，富氧的酸性表面可以減少水性介質(zhì)中有機物質(zhì)的吸附，而它們的缺失會提高活性炭的吸附性能。在碳表面上引入的弱酸性官能團可以增加金屬吸附能力，同時降低酚類化合物在水性環(huán)境中的吸附。這實驗表明，在高濃度的表面酸性基團中苯酚物理吸附減少，這可能是由于碳基面的分散力降低。這表明，隨著碳表面基面上π電子的可用性增加和吸附位置的氧含量降低，苯酚吸附增加。其他一些研究通過水優(yōu)選與氧部分的氫鍵吸附在活性炭表面上的事實解釋了苯酚的吸附減少。這導致形成阻礙酚分子進入微孔結(jié)構(gòu)的大團簇。這些氧簇隨后通過在碳中定位自由電子來降低吸附性能。其他機制表明吸附電子和吸附質(zhì)的芳香結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生兩種相互作用，即π-分散和靜電相互作用。迄今為止，幾乎所有涉及從水溶液中去除有機物的實驗研究都使用苯酚和苯衍生化合物作為模型研究。除表面化學外，還應(yīng)考慮其他因素，如溶液的pH值，溶液的溫度，吸附劑的類型，氧氣的有效性和礦物質(zhì)含量，以便有效去除廢水中的有機污染物。
活性炭作為染料吸附劑
在過去的幾十年里，紡織和染料工業(yè)正在取得重大進展。然而，從廢水中去除多余的染料仍然是研究人員的一項挑戰(zhàn)性任務(wù)。我們分別用6M和10M硝酸和過氧化氫檢測表面改性的活性炭，同時在700℃下在H 2或N 2氣氛中加熱。結(jié)果表明，在高溫下用H 2處理制備的樣品表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附陰離子和陽離子染料的能力。在另一個有趣的實驗中，使用兩種紡織染料在酸改性的活性炭表面和堿性碳表面上吸附。吸附能力表明，由于碳基面中的局域π電子與染料分子中的自由電子之間的分散力，基本表面在染料吸收中起到有益作用。另一方面，酸處理的樣品由于碳表面的氧化官能團和染料分子之間存在排斥力而表現(xiàn)出降低的吸附。相反，這些結(jié)果不能應(yīng)用于所有紡織染料。一些染料表現(xiàn)出降低的吸附性和增加的基本特性。在此，酸性紅73和酸性黃23顯示出改善的攝取，但酸性藍74表現(xiàn)出降低的攝取。然而，這些染料主要由有機結(jié)構(gòu)組成。因此，可以制定一般假設(shè)增加活性炭表面的酸性官能團應(yīng)導致染料吸收減少。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，活性炭持續(xù)暴露于臭氧氣體中作為氧化劑將堿性表面位置轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝员砻嫖稽c。因此，亞甲藍的吸收減少。通過氧化可以從活性碳帶釋放電子這一事實進一步闡述了這一點，這降低了染料環(huán)結(jié)構(gòu)中的π電子系統(tǒng)與碳表面上的石墨平面之間的色散相互作用。
在另一個實驗中，使用2M硝酸和鹽酸來改性碳表面。使用了這些碳，研究亞甲藍的攝取能力。使用HCl和HNO 3處理分別使吸附容量降低了10.6%和13.5%。得出結(jié)論，類似的機制是造成這些結(jié)果的原因，其中在活性炭和電子表面形成酸官能團，從而減少了亞甲藍的吸收。他們進一步解釋了使用這兩種酸導致的活性差異。用HCl處理的碳比用HNO 3處理的碳表現(xiàn)出更大的吸收。這可歸因于負離子(Cl -)可以吸附在碳表面上的正位點上，并且可以在碳表面上誘導負電荷，從而促進帶正電荷的染料分子的吸附。然而，與這些實驗相反，也有人聲稱濃H 2SO 4的高溫氧化可導致亞甲藍吸附增加。這可以通過高溫改性后增加的中孔體積來證明，這可以導致染料吸附增強。
我們對于活性炭改性應(yīng)用的期望有哪些，開發(fā)經(jīng)濟上廉價的活性炭電極，其能夠以最小的電阻存儲大量能量。類似地，碳基材料具有增強CO 2的基本表面吸收是為了緩解全球變暖，是非常需要的。另一方面，需要進一步研究具有表面活性劑改性的活性炭以消除來自水性介質(zhì)的污染物，以獲得優(yōu)異的性能，因為該領(lǐng)域的實驗結(jié)果是有限的。此外，考慮到特定污染物的吸收增加和減少的影響，可以誘導選擇性吸附，這為清潔能源和環(huán)境科學領(lǐng)域提供了新的途徑。除了這些研究結(jié)果之外，重要的缺點是改性過程的成本和改性過程中使用的剩余危險化學品的處理。在回收吸附劑時，應(yīng)注意用于改性的化學品不應(yīng)進入大氣，須要回收。吸附劑應(yīng)用于循環(huán)測量并易于再生。牢記所有這些要點，該領(lǐng)域需要簡單，新穎，簡單和更環(huán)保的技術(shù)來改性活性炭。
本文作者：董帝豪
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