活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭浸渍氧化铜的去除乙烯

　　乙烯是一种植物激素调节剂，可刺激叶绿素损失并促进软化和老化，导致水果变质并缩短采后保质期。乙烯即使在低浓度下也具有生理活性，测量范围为百万分率(ppm)到十亿分率(ppb)，会导致新鲜农产品在运输和储存过程中迅速变质。商业活性炭已被用作各种农产品储存和运输过程中的乙烯清除剂。

　　迄今为止，用于去除乙烯的主要吸附剂有活性炭、沸石、有机聚合物和有机金属结构，其中以活性炭为重点，它是去除挥发性有机化合物(VOC)最常用的吸附材料。与其他吸附剂相比，活性炭的优势包括微孔结构发达、表面积大、机械强度高以及易于再生。然而，仅有这些特性不足以确保吸附过程更有效。提高活性炭对目标分子吸附选择性的一种方法是相应地修改其化学表面性质。

　　通过掺杂高价金属物质对活性炭进行化学改性，已用于提高对某些VOCs的吸附选择性。首先，活性炭的多孔结构物理吸附所选金属，高价金属通过活性炭的化学表面基团还原。因此，负载镁、锌、铜和锆氧化物的活性炭对丙酮和甲苯等VOCs表现出强烈的吸附作用，这可以通过VOC金属氧化物的酸碱相互作用、表面官能团和吸附质的极性来解释。此外，据报道，在用氧化铜浸渍的活性炭表面，一些含氧官能团被覆盖，从而产生了更多的表面位点，甲苯的吸附就发生在这些表面位点上。另一项吸附实验表明，在活性炭上引入CuO可以通过氢键显着提高硅氧烷的吸附性能。

　　活性炭浸渍氧化铜分析

　　元素映射分析对应于浸渍氧化铜的活性炭的FESEM图像。元素映射分析提供了有关该材料内不同元素的分布和组成的宝贵信息。元素映射揭示了活性炭样品表面关键元素(包括碳(C)、氧(O)和铜(Cu))的空间分布。通过这项分析，我们可以直观地看到氧化铜纳米颗粒在活性炭基质中的分散情况，并评估浸渍过程的均匀性。值得注意的是，元素映射突出显示了铜浓度高的区域，表明氧化铜已成功浸渍到活性炭基质上。

　　图1：浸渍氧化铜的活性炭的FESEM图像对应的元素映射分析。

　　乙烯在活性炭上的吸附机理

　　在恒定温度下，当施加的浓度较低时，平衡吸附的乙烯量较低。随着施加浓度的增加，吸附容量会增加，每个碳样品的吸附容量都会达到最大值。由于活性炭样品上提供了新的表面位点，因此CuO浸渍样品的性能略高。这两个样品都呈现出最大的微孔体积，这表明吸附性能也与活性炭的结构特性有关。此外，CuO浸渍的活性炭样品产生的活性炭具有较小的平均微孔直径(1.36纳米)，这是一个重要参数，可以解释乙烯分子(动力学直径约为3.9Å)与碳化学结构之间的相互作用。约为乙烯直径两倍的微孔更易于进入，避免了吸附物堵塞，有利于吸附性能。

　　水分对乙烯吸附影响的结果在图2显示。可以看出，水分的存在不会影响这里评估的所有活性炭样品对乙烯的吸附。然而，在非活性炭的情况下观察到了很大的差异，吸附能力降低了。这些结果表明，水分子不会阻塞发生乙烯吸附的活性炭表面位点。湿度是水果储藏系统中的一个重要因素，低于理想范围(通常~85%)，脱水和枯萎会增加。因此，吸附剂必须能够在高相对湿度环境中吸附乙烯。由木质素废料生成的活性炭似乎可以作为替代吸附材料，从高湿度的封闭环境中去除乙烯。

　　图2：有无水分对乙烯吸附的影响：(A)未活化的活性炭，(B)活性炭，(C)浸渍氧化铜的活性炭，(D)氧气气氛中的活性炭。

　　使用活性炭去除乙烯似乎是通过多种吸附机制的组合进行的，这些吸附机制包括乙烯与羟基以及与活性炭表面上的铜的相互作用。因此，活性炭表面上的羟基官能团和乙烯分子之间可以形成氢键加合物。此外，吸附乙烯的π分子轨道将电子密度捐赠给金属氧化物的空s轨道，导致CuO浸渍活性炭样品的吸附容量增加。

　　活性炭浸渍氧化铜的去除乙烯，与其他生成的多孔材料相比，用氧化铜进行表面改性可提高乙烯吸附能力。这种活性炭的表面酸性有利于在浸渍CuO的活性炭样品上有效吸附乙烯，其中由于表面OH基团和乙烯分子的相互作用以及氧化铜的空s轨道与乙烯分子C=C键的π电子之间的相互作用而形成氢键加合物。水分的存在不会影响巴鲁活性炭样品的吸附能力，这使得这种活性炭成为从高湿度的封闭容器中去除乙烯的极佳吸附剂选择。未来的工作应侧重于评估这种新型吸附剂在更年期水果储存过程中的实际应用的再生性能和操作条件。

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