根據(jù)近期需求活性炭被用作具有儲(chǔ)存限制的儲(chǔ)能介質(zhì)，并且其在空氣凈化器和汽車過濾器領(lǐng)域中的使用迅速增加。為了在這些領(lǐng)域中的更好發(fā)展需要開發(fā)高比表面積的活性炭。以前的研究中了解到活性炭中的揮發(fā)性物質(zhì)含量越高活化出來(lái)的比表面積越大，活性炭的揮發(fā)性物質(zhì)受碳表面上的氧官能團(tuán)的含量的影響。為了研發(fā)具有高比表面積的活性炭，在炭活化期間可用作有用電子供體的氧官能團(tuán)硝酸處理后并摻入活性炭中。根據(jù)原料的表面特征，氧官能團(tuán)的結(jié)合方式不同來(lái)測(cè)試制成的活性炭表面積。

　　通過硝酸處理和活化制備活性炭

　　選擇木質(zhì)材料和椰殼作為活性炭的原料。研磨所有活性炭，并且僅在實(shí)驗(yàn)中使用粒度在20-40目范圍內(nèi)的那些。使用硝酸將氧官能團(tuán)結(jié)合在活性炭的表面上。將分別將兩種材料和硝酸溶液置于燒瓶?jī)?nèi)并攪拌并在80℃下加熱12小時(shí)。將經(jīng)表面處理的活性炭用蒸餾水洗滌多次直至它們變?yōu)橹行?pH7.0)后，將它們?cè)诩訜嶂?05℃的烘箱中脫水至少12小時(shí)。根據(jù)5%、10%、20%濃度硝酸處理?xiàng)l件下獲得六個(gè)樣品。表面處理后的活性炭通過與化學(xué)活化劑固體混合而經(jīng)歷活化反應(yīng)。活化反應(yīng)在750℃下進(jìn)行1小時(shí)并在850℃下以10℃/分的加熱速率進(jìn)行3小時(shí)。整個(gè)過程重復(fù)三次，活化之前六個(gè)酸處理后的樣品。

　　圖1：通過硝酸處理和活化活性炭的程序和目的。

　　硝酸處理活性炭的近似分析和元素分析

　　本研究中使用的活性炭的近似分析和元素分析結(jié)果如圖2所示。基本組成顯示出取決于用于制備活性炭的原料的差異，椰殼活性炭的固定碳和碳含量高于木質(zhì)活性炭。木質(zhì)的揮發(fā)性物質(zhì)平均為10.48±0.14%，比椰殼的2.96±0.08%平均揮發(fā)性物質(zhì)高約3倍，并且由于使用硝酸進(jìn)行表面處理后急劇增加。在元素分析的結(jié)果中，氧氣明顯增加，這表明表面官能團(tuán)的摻入通過硝酸處理是無(wú)縫的。根據(jù)活性炭的類型，氧含量增加存在明顯差異。因此，通過表面處理增加的揮發(fā)性物質(zhì)有助于在活化過程中形成缺陷區(qū)域。因此，與通過活化反應(yīng)的初始條件相比，預(yù)期形成高比表面積。

　　圖2：關(guān)于硝酸處理的活性炭的近似和元素分析的結(jié)果。

　　活化處理炭的比表面積

　　已知微孔在化學(xué)活化過程中形成，因?yàn)榛罨瘎﹥?nèi)金屬被還原。因此，通過表面處理?yè)饺氲难豕倌軋F(tuán)可在活化期間用作有用的電子供體。換言之，預(yù)期它們?cè)诰哂懈弑缺砻娣e的活性炭的生產(chǎn)中貢獻(xiàn)更多。雖然起始材料的程度存在差異，但與沒經(jīng)過硝酸處理的相比，沒有表面處理的活性炭比表面積分別增加了約2.05倍和1.68倍。在活化與表面處理后的樣品，活性炭的比表面積和孔分布顯示出不同的結(jié)果，這取決于氧官能團(tuán)在碳前體中的摻入程度。盡管與表面處理相關(guān)的活化樣品的比表面積增加，但是根據(jù)目標(biāo)活性炭存在輕微差異。對(duì)于木質(zhì)活性炭，所有表面處理樣品的比表面積低于化學(xué)活化后的木質(zhì)活性炭，并且比表面積在降至20%濃度之前增加至10%處理濃度。對(duì)于椰殼活性炭，根據(jù)表面處理濃度的比表面積的增加與木質(zhì)活性炭的相似，但比表面積高于化學(xué)活化的椰殼活性炭。根據(jù)目標(biāo)活性炭的這種差異似乎與用于生產(chǎn)活性炭的起始材料的物理特性有關(guān)。結(jié)合在碳固體表面中的氧官能團(tuán)在活化過程中對(duì)孔形成有顯著貢獻(xiàn)，并且已經(jīng)被氧化的羧基官能團(tuán)導(dǎo)致碳固體的結(jié)構(gòu)在活化過程中塌陷，這減少了孔區(qū)域。在現(xiàn)有微孔中活化后，對(duì)微孔和中孔開發(fā)椰殼活性炭的孔分布，并且具有低氧官能團(tuán)摻入的表面處理樣品中的微孔膨脹以顯示朝向中孔發(fā)展的分布。對(duì)于椰殼活性炭，通過表面處理將羰基沒有主要擴(kuò)散到羧基，這表明與木質(zhì)活性炭相比，孔發(fā)展容易，因?yàn)橥ǔ�摻入羰基�?/p>

　　圖3：用硝酸和活化處理的活性炭的孔徑分布。

　　對(duì)于制造高比表面積的活性炭的研究測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)硝酸處理濃度增加時(shí)，根據(jù)目標(biāo)活性炭的表面特征不同地?fù)饺胙豕倌軋F(tuán)。對(duì)于與木質(zhì)活性炭相比用相同的20%硝酸濃度處理的椰殼活性炭表面，-COOH官能團(tuán)含量比木質(zhì)活性炭小約3倍。用于增加比表面積的氧官能團(tuán)是羰基，并且隨著官能團(tuán)的含量增加，羰基擴(kuò)散到羧基。在活化劑含量降低的條件下，摻入5.69%羰基經(jīng)過硝酸處理后的木質(zhì)活性炭比表面積最多增加了0.18-35.58%。此外，摻入了4.75%的羰基的椰殼活性炭的比表面積的發(fā)展最大為0.34-24.73%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過控制氧官能團(tuán)類型和碳含量可以增加活性炭的比表面積。

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