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活性炭预处理的研究进展

2019-08-10 01:48:55

活性炭又名活性炭黑,主要由富含碳的有机材料(如煤、果壳、核桃壳、木材、椰壳等)经炭化、成型、活化等工序转换而成,主要成分除了碳以外还有氧、氢、金属等元素。由于活性炭中微晶碳在结构上是不规则排列细孔间的交叉连接,活化时碳组织会产生缺陷,因此它是一种多孔性物质,具有孔结构发达、比表面积大等特点。活性炭净化器根据所使用原料、产品形状和制备技术的不同,市场上大约有上千个品种。

吸附性能作为活性炭较主要的性能,其与活性炭表面的化学组成与孔隙结构有关;其次是活性炭的催化性能,包括本身作为催化剂和催化剂载体,这与活性炭表面富含的含氧官能团与孔隙结构有关。活性炭性能的发挥取决于表面化学性能和表面物理结构性能特征,纯净的活性炭表面是非极性的,且吸附选择性弱,但由于活性炭的原料及制备工艺等的不同导致活性炭表面的化学组成和孔结构也各不一样。而要促使活性炭性能发挥,满足各种用途要求,进行预处理改性表面性能至关重要。随着其应用领域的不断扩展必将对活性炭性能提出高要求,这也将进一步促进活性炭预处理改性技术的发展。

近年来,通过改性剂以及不同物理法、化学法或物理化学联合处理等方法对活性炭进行表面性能的改性研究一直以来是人们研究的重点,也成为了目前活性炭研究中较普通、较有价值的发展方向之一。

活性炭本体性能

1吸附性能

吸附性能作为活性炭较主要的性能,与其本身的孔隙结构特点和表面化学组成是密不可分的。活性炭具有非常丰富的孔隙结构,形成了活性炭巨大的表面积,使活性炭具有吸附气体和液体分子的能力,因此活性炭的孔隙结构对活性炭的吸附性能有非常重要的影响。

活性炭表面的化学组成分子与吸附质分子之间的相互作用力对吸附性能有一定的影响,其中对活性炭吸附性质产生较大影响的化学基团主要是含氧官能团和含氮官能团。化学吸附和物理吸附是吸附的两种主要形式,化学吸附即单分子层吸附,吸附质分子与活性炭之间形成表面化学键(共价键、离子键),吸附质呈单分子层分布,主要可除去一些金属离子(或吸附某些金属活性组分)和极性污染物;物理吸附主要是活性炭分子与吸附质分子表面的相互作用力(如范德华力),它能够逐渐构成多分子层吸附,对有机污染物能够有效地吸附。当某一吸附质与活性炭的表面接触时,究竟发生化学吸附还是物理吸附,或两种皆有,这主要取决于活性炭的结构及表面性质、吸附质的性质和温度等因素。

2催化性能

活性炭催化性能主要包括本身作为催化剂和作为催化剂载体。活性炭催化性能主要由其孔隙结构与表面含氧基团决定,特殊的孔结构和较大的比表面是其作为催化剂以及催化剂载体的优点,而表面含氧基团对催化剂活性组分的吸附以及活性组分分散度有着重要影响,且表面含氧量愈高酸性愈强,反之,表面氧含量愈低,碱性就愈强。活性炭本身作为催化剂的主要反应有光气的合成(氯气和一氧 化碳反应)、三氧 化硫的合成(二氧 化硫经催化氧 化),2一苯基一2一甲氧基乙醇的合成(环氧苯乙烷和甲醇催化反应)等。

活性炭作为载体,负载活性金属组分形成的催化剂,可大大提高该催化剂的催化活性,特别是对于贵金属催化剂可使少量的金属组分高度分散在载体表面上增加催化活性,同时也可以改善其力学性质。

1表面物理改性

活性炭表面物理改性主要是通过物理和化学的手段来增加比表面积、调节孔径及其分布,以达到改性活性炭表面物理结构的目的。表面物理改性先是在活性炭的制备过程中添加一定的活化剂进行活化处理改性,活化剂包括氧 化性气体(如Oz,COz,HzO、空气等)、碱金属和碱土金属的氢氧 化物(如KOH,NaOH等)、无机盐类(如ZnClz,CaClz等)以及一些酸类(如H3POQ等;其次,可利用微波辐射技术代替传统的加热技术对其进行物理改性。国内多位学者均研究了微波辐射对活性炭表面结构的影响,通过不同微波条件改性后的活性炭比表面积与总孔容略有减小,但微孔比表面积显著增大,从而提高其吸附和催化性能。

2表面化学改性

活性炭表面化学改性主要是通过物理和化学的方法来改善活性炭表面官能团,使其具有一定的特性(如极性、酸碱性等),从而提高其吸附和催化性能,表面化学改性的同时一般都伴随有物理改性。目前主要有氧 化、还原、酸碱、微波和等离子体改性。

对活性炭进行氧 化预处理改性是目前活性炭预处理的主要手段之一,可以提高其表面的含氧官能团数量,从而相应地增加活性炭表面的酸性、极性和亲水性,提高各组分在活性炭上的作用力、分散性和稳定性,进而达到提高活性炭吸附性能和催化性能的效果,常用的氧 化剂为HN03,HzOz,HzSOQ,HC10和(NHQ)2S208等中的一种或多种。