活性炭國(guó)家專(zhuān)精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　活性炭是指與顯示孔的碳的形式相對(duì)應(yīng)的一種材料。這些孔增加了表面積，促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)和吸附過(guò)程，使活性炭能夠進(jìn)行吸附。活性炭的吸附能力取決于其質(zhì)地和化學(xué)性質(zhì)。我們使用了煤制備了煤質(zhì)活性炭，并研究了其吸附三甲胺的能力。煤原則上具有疏水性，但是，可以通過(guò)使用氧化劑在表面添加極性官能團(tuán)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。含氧基團(tuán)與水相互作用，進(jìn)而可以吸收其他能夠發(fā)生氫鍵的分子。

　　煤質(zhì)活性炭的制造方法

　　本次研究的活性炭是通過(guò)物理活化而得到的，幾乎沒(méi)有任何改動(dòng)。簡(jiǎn)而言之，將5克次煙煤在烤箱中使用空氣對(duì)流在185°C下預(yù)氧化48小時(shí)。然后，使用臥式烘箱以10℃/min的加熱速率在N 2氣氛(N 2 99.99%純度)下將煤在750℃加熱60分鐘。該系統(tǒng)配備了一個(gè)氧氣收集器，以最大程度地減少前體材料的燃燒。然后，將樣品放入耐火陶瓷容器中，并在惰性CO 2氣氛中以950℃的溫度加熱90分鐘，純度為99.99%，流量為100 ml/min。熱處理完成后，將活性炭逐漸冷卻至50°C，取出樣品并在真空下的干燥器中儲(chǔ)存。

　　掃描電鏡對(duì)活性炭的合成與表征

　　5.00克煤產(chǎn)生3.55克活性炭，產(chǎn)率為71%。與起始礦物煤(圖1C和1D)相比，活性炭的SEM分析顯示出孔隙度增加(圖1A和1B)，后者顯示出光滑的質(zhì)地，表面具有不規(guī)則的形態(tài)，并且沒(méi)有孔隙。

　　圖1：A、B活性炭，C、D煤的SEM顯微照片。

　　活性炭和煤的紅外光譜

　　樣品煤和活性炭的FT-IR分析(分別為圖2A和2B)表明，樣品煤的振動(dòng)模式比活性炭多，這反映出較高的氧氣，硫和氮含量。

　　圖2：a煤和b活性炭樣品的FT-IR光譜。

　　pH值對(duì)三甲胺吸附的影響

　　研究了pH值對(duì)三甲胺在活性炭上吸附的影響。在該過(guò)程中，發(fā)生吸附現(xiàn)象的溶液的pH值是非常重要的參數(shù)，尤其是在三甲胺為布朗斯臺(tái)德堿的情況下。在官能團(tuán)和吸附劑表面之間產(chǎn)生的靜電荷的大小主要取決于介質(zhì)的pH。在pH值為2、4、7和9的情況下，用0.200g的活性炭測(cè)量了在0、30和60分鐘時(shí)三甲胺的吸附百分比，結(jié)果總結(jié)在圖3中。

　　圖3：在活性炭上不同pH和保留時(shí)間下三甲胺吸附的變化。

　　結(jié)果表明，pH對(duì)活性炭的吸收能力有很大影響。在中性或堿性pH值下，活性炭在60分鐘時(shí)吸收100%的三甲胺，但在pH值為4或2時(shí)，相同量的活性炭?jī)H捕獲50%的三甲胺。可以解釋這一事實(shí)，因?yàn)榛钚蕴勘砻婢哂兴嵝�，可以被去質(zhì)子化，從而促進(jìn)與陽(yáng)離子有機(jī)化合物的相互作用。因此，可以容易地將不存在于氮原子中的一對(duì)電子給予在活性炭表面上產(chǎn)生的氧原子。反過(guò)來(lái)，改變?nèi)芤旱膒H值會(huì)導(dǎo)致在碳表面上形成不同的離子種類(lèi)和不同的電荷，從而降低了與陽(yáng)離子形式的胺的相互作用。

　　本次使用煤制成的活性炭在表面顯示出大量的氧化官能團(tuán)，這些官能團(tuán)是通過(guò)用空氣進(jìn)行預(yù)氧化處理并在950°C下用CO 2活化180分鐘而形成的。這種活性炭適用于在受控pH條件下使用活性炭和三甲胺之間的適當(dāng)暴露時(shí)間來(lái)去除三甲胺(一種來(lái)自漁業(yè)的水和空氣的常見(jiàn)污染物)。煤在水溶液中吸附三甲胺的良好行為歸因于它們的微孔特性和高溫下被CO 2活化的酸性化學(xué)表面。

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