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活性炭用电处理进行表面改性/三聚氰胺在活性炭上的吸附

2020-11-05 | 24

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活性炭用电处理进行表面改性

电处理是施加到某些材料表面的高压和高频放电。该设备通过放电使电极和基板之间的气体(O3,O2)电离而引起表面氧化,从而在表面上引起共价反应并改变材料性能。然而,尽管已经研究了类似的处理方法,例如等离子体处理和空气介电势垒放电,但该处理方法尚未用于引起活性炭的表面改性。因此,本研究的目的是评估电处理(放电)对商用活性炭表面改性的影响。表面改性可能导致活性炭具有不同的性能。在这项研究中,使用粉末状的活性炭。活性炭在距源4.5厘米高的不同暴露时间(2、5、8和10分钟)进行电处理。为了观察处理引起的差异,对活性炭进行了酸度,表面官能团,傅立叶变换红外光谱(FTIR)和热重分析。   材料和方法   在这项研究中,使用了活性炭。活性炭经过三维表面电击设备, 0.5 kW功率,220 V和60 Hz的频率产生的放电(图1)。  图1:电击设备(a)控制箱、(b)电击头、(c)排放头、(d)表面处理布置。   电处理用于促进样品的表面氧化。将样品放在铝箱中(图1d),目的是为了均匀处理并避免过程中的损失,因为活性炭呈粉末状,并且与放电接触会造成损失。使用了四种电处理,改变了样品对放电的暴露时间。标准处理方法之一(T1)。因此,在该处理中没有进行曝光放电。其他处理的曝光时间分别为2、5、8和10分钟(分别为T2,T3,T4和T5)。每次处理称重约2.0 g的活性炭。电击头部高度确定为4.5厘米。   表面分析和功能组   活性炭表面化学的研究非常重要,因为对于某些应用,吸附剂和被吸附物之间的反应或相互作用是必要的。表面化学与活性炭表面上官能团的存在及其特性有关。可以观察到,尽管有些变化,但是随着电处理的暴露时间的增加,酸度有增加的趋势。因此,可以推断出表面氧化是通过氧原子的插入和借助化学键形成官能团,从而改变了活性炭的表面化学而发生的。通过暴露于电处理而发生的化学反应促进了材料表面原子与该处理所结合的原子(主要是氧原子)之间形成共价反应。共价反应是由放电引起的气体电离产生的。   

傅里叶变换红外光谱(FTIR)   处理过的和未处理过的活性炭的光谱如图2所示。根据光谱,基本上有两个主要的带,它们根据分子振动具有活性炭。3500 cm-1处的谱带对应于OH拉伸,主要是羧酸官能团。1600-1700 cm-1处的谱带对应于酚基中羧酸或内酯的C=O拉伸。  图2:来自活性炭未处理和电处理过的FTIR光谱。   热重分析(TGA)   热重分析如图3所示。可以观察到处理过的和未处理过的活性炭的降解情况。这种分析可以评估高温下的热稳定性以及某些结构随温度的退化。  图3:在N 2气体下未处理的活性炭和相应的处理的热重曲线。   根据图3,不同的处理导致热分解曲线有所不同。此外,不同处理的残留质量也有所不同,处理T1,T4和T5呈现更高的残留质量,表明这些处理具有更高的耐热性。处理T2和T3的残留量较低,表明处理的耐热性较低。此外,这些处理在后期残留质量之间存在重大差异而脱颖而出。根据处理(电击时间),降解曲线的差异可能与表面上不同官能团的存在有关。在热过程中,由于存在的官能团,会形成不同的产物,从而导致更高或更低的质量损失,因为活性炭的热分解反应了其表面上官能团的存在。然后,官能团的类型和数量都会影响热重曲线。但是,由于表面官能团的降解与其结构不同,因此官能团的类型具有更大的影响,并且可以解释处理之间的差异。   

活性炭的表面改性和吸附性能:这项研究的表面改性活性炭在通过质地和吸附能力进行了表征和测试。表面改性受到电处理的影响。这些结果与时间电击有关,与未处理的活性炭完全不同。通过吸附等温线(阳离子和阴离子),动力学吸附,表面积和扫描电子显微镜对表面改性的活性炭进行评估。电晕处理影响了阴离子和阳离子染料的吸附。由于表面化学和质地特性的差异,电处理过的活性炭在吸附这些不同分子时具有不同的行为。然而,由于质地特性的下降,电晕处理会对吸附产生负面影响(亚甲蓝减少25%,刚果红减少14%)。吸附平衡的处理之间存在差异。这些差异是由于活性炭的表面修饰。表面积和孔隙率受到电处理的影响。扫描电子显微镜显示,比较了原始活性炭和经过处理的活性炭,发现孔隙被放电破坏。   我们评估了电处理对商用活性炭表面改性的影响。电处理根据放电时间对活性炭进行了表面改性。发生这种修饰是由于表面氧化反应,特别是C和O原子之间的共价键。反应通过气体的电离发生,使表面更具反应性。通常,处理过的活性炭具有较高的酸度,较高的羧酸含量,氧气和挥发性含量,O/C比以及较少的内酯,苯酚,碳和固定碳含量。根据处理,由于新的表面基团,分子振动能,热分解曲线和残余质量存在差异。


柱状活性炭的特性

  柱状炭先进性:因为以优质木屑和椰壳为原料,所制备的柱状活性炭比传统的煤质柱状炭灰部低,杂质少,气相吸附值,CTC占绝对优势。 煤柱状活性炭具有孔隙结构发达、比面积大、吸附能力强、机械强度高、床层电阻小、化学稳定性能好、易再生、耐用等优点。

  产品孔径分布合理,达到最大吸附和解吸,大大提高了产品寿命(平均2-3年),是普通煤质炭的1.4倍。 柱状炭适用性:、气相吸附; 有机溶剂回收(苯系气体甲苯、醋酸纤维行业的丙酮回收)杂质和有害气体的去除、废气的回收、炼油厂、加油站、油库过剩汽油回收; .活性炭催化剂使用的均四氯乙烷脱HCl制备三氯乙烯。



三聚氰胺在活性炭上的吸附


   三聚氰胺对活性炭的吸附对活性炭的质量和表面的吸附有什么样的影响,三聚氰胺被广泛用于木质制品的生产,其作用包括精密封条、涂料、粘接剂、阻燃剂的用途。 在更广泛的应用中,混凝土、纸和织物中含有增塑剂。 三聚氰胺及其降解产物主要使用频繁,可能污染水和土壤,需要在环境中去除。 此次,就3种具有不同表面积、孔径分布、氧含量的活性炭3种吸附三聚氰胺进行比较研究。

   为了全面了解三聚氰胺的吸附过程和活性炭的不同,专门从事气体吸附实验。 由分子的大小和活性炭的表面积修正吸附物分子的理论。 三聚氰胺吸附测定方法优化了活性炭用量和三聚氰胺溶液浓度范围的影响,定量分析了吸附前后以及这些研究使用的所有活性炭中三聚氰胺的最佳条件。 最初的实验涉及不同的吸附剂量和用于吸附物的检测和定量的各种方法。 三聚氰胺溶液的浓度范围考虑三聚氰胺在水中的溶解度(酸性碱性条件)及吸附实验前后的溶液中的可测定水平来选择。 由于三聚氰胺(m  )是碱,在水溶液中多次经历酸/碱平衡反应,可形成不同的质子化合物(参见图1 )。

   三聚氰胺将水溶液中的物质质子化。 活性炭对三聚氰胺的吸附环境是在30的碱性(0.1 M  NaOH  )和酸性(0.1 M  HCl  )介质条件下,3种活性炭对三聚氰胺的吸附。 在同样的平衡浓度下,碱性介质中三聚氰胺的吸附比酸性溶液中的吸附显着有利,明显依赖于吸附剂材料的表面积。 三聚氰胺在水中高度取向的热分解石墨上的吸附表明,由于胺基的存在,三聚氰胺通过与三聚氰胺分子的氢键与碳基质和其他三聚氰胺分子相互作用,可以形成组织良好的分子排列(氢供体)和中心环的n原子(氢受体)。 三聚氰胺分子在形成六角形的多孔超分子网络之前被单独或二聚体吸附。 这些结果说明了酸性和对碱性介质的吸附有很大差异的理由。 在酸性介质中,质子化的三聚氰胺分子间及三聚氰胺与活性炭间的相互作用不太有利,可能会引起非常低的吸附值。

   三聚氰胺是30下3种活性炭的吸附等温线,用活性炭表面积标准化。 另一方面,在碱性介质中,中孔和大孔活性炭在低浓度下显示出更高的三聚氰胺吸收。 不能用于等温线的确定,这可能表示起因于材料的细孔结构的低浓度下活性炭的吸附效果差。 在活性炭上吸附三聚氰胺的试验中被发现了。 碱溶液中活性炭吸附量之所以显着增加,只是因为未质子化的三聚氰胺与活性炭更好地相互作用,在相邻的三聚氰胺分子间形成HN=H氢键。 通过降低pH值,从活性炭中释放吸附的三聚氰胺,根据需要也可以释放吸附的物质。 发现活性炭可以从溶液中除去三聚氰胺。



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