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　　活性炭改性后吸附丙酮，活性炭使用氧化鎂改性后用于吸附丙酮。本期研究使用X射線衍射，掃描電子顯微鏡，透射電子顯微鏡和氮吸附等溫線測(cè)量來表征五種改性活性炭復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性。研結(jié)果表明，活性炭含有適當(dāng)?shù)难趸V可有效提高丙酮的吸附能力，歸因于氧化鎂納米粒子與丙酮分子之間的強(qiáng)化學(xué)吸附，所以改性活性炭可以很好的吸附丙酮。

　　空氣污染有很多原因最主要的是揮發(fā)性有機(jī)化合物，即使在很低的濃度下也會(huì)清晰的聞到臭味，并且?guī)в幸欢ǖ闹掳┬?。要如何趨?shì)這類空氣污染呢，目前有幾種方法可以用來減少空氣污染包括冷凝、蒸餾、生物處理、催化氧化和活性炭吸附。

　　丙酮是一種氧化的揮發(fā)性有機(jī)化合物，使用活性炭物理吸附不一定能很好的去除丙酮，所以化學(xué)吸附也是一種完善的方法。有數(shù)據(jù)證明一些金屬氧化物材料對(duì)丙酮具有出色的吸附能力，例如氧化鎂是一種堿土金屬氧化物，在常溫下可以很好的吸附丙酮。然而氧化鎂的吸附量有限不能大面積改善空氣環(huán)境，因此我們使用活性炭與氧化鎂結(jié)合使得吸附能力和吸附量的協(xié)同。

　　圖1、不同氧化鎂含量的改性活性炭的圖像：(a)活性炭，(b)活性炭中氧化鎂含量5%，(c)活性炭中氧化鎂含量10%，(d)活性炭中氧化鎂含量20%，(e)活性炭中氧化鎂含量30%和(f)活性炭中氧化鎂含量10%放大的SEM圖像。

　　形態(tài)學(xué)分析

　　采用掃描電子顯微鏡技術(shù)觀察了不同氧化鎂含量的改性活性炭表面物理形態(tài)。顯微照片如圖1所示。在活性炭的情況下(參見圖1a)，碳單塊的骨架在未改性的活性炭樣品的表面上沒有缺陷或裂縫。然而，觀察到合成的改性活性炭(參見圖3b-e由于高溫活化過程，塌陷成小塊并形成大量通孔。此外，隨著浸漬濃度的增加，越來越多的氧化鎂顆粒被支撐在活性炭的表面上?？梢郧宄乜闯?，隨著氧化鎂的量增加，活性炭的表面變得粗糙。參考圖3f中放大的SEM圖像，復(fù)合材料表面的氧化鎂顆粒呈現(xiàn)無序的小球形結(jié)構(gòu)并且彼此重疊以產(chǎn)生“葡萄”形態(tài)。這一事實(shí)意味著隨著煅燒溫度的增加，由于在高煅燒溫度下的顆粒聚集，顆粒尺寸增大。

　　為了進(jìn)一步揭示改性活性炭的微觀結(jié)構(gòu)，我們進(jìn)行了TEM，選擇區(qū)域電子衍射(SAED)和能量色散譜(EDS)測(cè)量。由于所有樣品具有相似的形態(tài)，因此選擇活性炭中氧化鎂含量10%的樣品作為典型實(shí)例。TEM圖像(參見圖2a)顯示樣品由許多小的氧化鎂納米晶體和碳基質(zhì)組成。圖2b顯示改性活性炭的HR-TEM圖像。層間距為2.1的氧化鎂晶格條紋歸因于立方氧化鎂的(200)晶格面。相應(yīng)樣品的SAED圖案(圖2b的插圖)顯示明亮的圓圈環(huán)，表明所選區(qū)域中氧化鎂的多晶性質(zhì)。分配給氧化鎂的(111)，(200)，(220)和(222)反射的衍射同心環(huán)是明顯的，并且結(jié)果與從XRD數(shù)據(jù)獲得的氧化鎂平面一致。如圖2c-e所示，EDS映射結(jié)果表明鎂和氧元素均勻分布在活性炭表面而不是明顯的聚集。

　　圖2、(a)TEM和(b)改性活性炭氧化鎂含量10%樣品的HR-TEM圖像，(b)的插圖是相應(yīng)的SAED圖案。(c-e)改性活性炭氧化鎂含量10%樣品，鎂和氧的EDS映射元素。

　　活性炭丙酮吸附實(shí)驗(yàn)

　　活性炭丙酮吸附實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。丙酮突破實(shí)驗(yàn)在裝有水套的玻璃管柱中進(jìn)行，以保持25℃的恒定溫度。氮?dú)庀到y(tǒng)由兩部分組成并由質(zhì)量流量控制器控制，一個(gè)分支通過丙酮?dú)怏w發(fā)生器獲得的高濃度蒸汽。同時(shí)，為了調(diào)節(jié)丙酮蒸氣的濃度，氮?dú)馔ㄟ^另一個(gè)分支進(jìn)入氣體混合室稀釋高濃度丙酮蒸氣。隨后，將氣態(tài)混合物在25℃恒定溫度和大氣壓下引導(dǎo)到活性炭上。通過氣相色譜儀在線監(jiān)測(cè)氣體經(jīng)過活性炭的輸出濃度。

　　圖3、用于丙酮吸附的等溫吸附裝置。

　　丙酮吸附研究

　　丙酮吸附的典型結(jié)果如圖4a所示為穿透曲線?？紤]到絕對(duì)濃度的多樣性，然后將所呈現(xiàn)的濃度標(biāo)準(zhǔn)化，范圍從0到1通過從丙酮穿透曲線計(jì)算的區(qū)域的數(shù)值積分來評(píng)估吸附容量。值得注意的是，在所有吸附實(shí)驗(yàn)中出口丙酮濃度均為零，表明在穿透之前徹底清除了丙酮。每個(gè)實(shí)驗(yàn)中使用的樣品量為0.2g。

　　圖4、(a)突破曲線和(b)丙酮在具有不同氧化鎂含量的純氧化鎂和改性活性炭上的吸附等溫線。

　　如圖4a所示，六種滲透曲線的發(fā)展趨勢(shì)在一定溫度(25℃)和濃度(85.21m3 g-1)下是一致的。具體而言，曲線非常溫和地開始，而一旦突破發(fā)生，濃度就會(huì)急劇增加。隨著時(shí)間的推移，觀察到濃度逐漸穩(wěn)定。改性活性炭氧化鎂含量10%的樣品吸附容量在所有樣品中排名第一。穿透時(shí)間定義為出口濃度為入口濃度的10%時(shí)的時(shí)間。每個(gè)樣品的穿透時(shí)間也不同，丙酮在改性活性炭氧化鎂含量10%中的穿透時(shí)間最長(zhǎng)，表明其優(yōu)異的丙酮捕獲能力。

　　總之，已經(jīng)開發(fā)了一種簡(jiǎn)便且可控的方法，通過蒸發(fā)誘導(dǎo)的自組裝過程與隨后的熱解處理的組合，使用乙酸鎂作為鎂源，制備由氧化鎂納米復(fù)合材料改性的活性炭。改性活性炭氧化鎂含量10%的復(fù)合材料具有顯著的丙酮捕獲能力。值得注意的是，增加氧化鎂含量將大大增強(qiáng)丙酮在活性炭上的化學(xué)吸附，但同時(shí)降低物理吸附。量子化學(xué)計(jì)算表明，改性活性炭的電子性質(zhì)是其對(duì)丙酮的高吸附能力的原因，其相互作用屬于化學(xué)吸附。這種簡(jiǎn)單的合成使得活性炭能更好的吸附丙酮。