活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭引入分子筛高效吸附环氧乙烷

　　环氧乙烷(EO)是生产乙二醇、防冻剂和其他基本化学品的重要化学品。然而，其高毒性、易燃性以及与空气形成爆炸性混合物的能力对安全处理、储存和工业应用提出了相当大的挑战。高效的吸附技术对于从气流中去除EO并防止其释放到环境中是必不可少的。将活性炭引入分子筛代表了这一领域的一项有希望的进步，通过优化分子筛的结构和化学性质来提高EO吸附的效率。

　　分子筛及其在吸附中的作用

　　与活性炭相比，具有纳米多孔铝硅酸盐骨架结构的分子筛具有结构稳定、耐腐蚀、耐高温等优点，在吸附和催化领域有广泛的应用。但由于比表面积小、孔结构单一，分子筛容易因反应产物在孔道中积累而发生自毒化。

　　活性炭的作用

　　活性炭是一种众所周知的吸附剂，具有高表面积和优异的孔隙分布。它通常用于工业过程中的气体净化、VOC去除以及作为催化剂载体。活性炭主要通过物理吸附起作用，利用范德华力将气体或蒸汽吸引并保持在表面。

　　活性炭之所以特别适合用于吸附过程，是因为它具有高度多孔的无定形结构，能够吸附各种分子。它具有微孔和中孔，可以容纳各种大小的分子，补充了分子筛的孔隙特异性。活性炭还具有利用功能基团改变其表面化学性质的潜力，从而增强其与目标分子的相互作用。本文以羧甲基纤维素为黏合剂，通过机械混合和挤出法制备了一系列 华活性炭分子筛复合材料(图1)。

　　图1：活性炭分子筛复合材料合成示意图。

　　活性炭与分子筛结合的协同效益

　　通过将活性炭整合到分子筛中，研究人员探索出了显著提高环氧乙烷整体吸附性能的协同作用。由于两种材料的互补性，混合结构可以提高吸附能力和选择性。

　　1、增强表面积和孔隙可达性

　　活性炭增加了可用于吸附的总表面积。碳结构具有更广泛的孔径，可以吸附仅靠分子筛可能无法有效吸附的EO分子。这种额外的吸附途径可确保吸附更多的EO分子，从而提高总容量。

　　2、改进吸附动力学

　　将活性炭引入分子筛可加快吸附速度。活性炭对较小分子的吸附速度更快，有助于更快地吸附EO。碳的中孔结构有助于EO分子更容易扩散到分子筛的微孔中，从而提高整个系统的效率。

　　3、选择性增强，竞争减少

　　分子筛以其基于孔径的选择性吸附而闻名，但当存在多种气体时，它们会面临竞争。活性炭具有非选择性吸附机制，可吸附较大的非目标分子，从而减少对分子筛孔隙的竞争。这提高了分子筛专注于环氧乙烷的能力，同时防止吸附不需要的化合物。

　　4、热稳定性和化学稳定性

　　活性炭为分子筛提供了额外的热稳定性和化学稳定性。碳的抗热降解性有助于延长分子筛在高温环境下的使用寿命。此外，碳的惰性可保护分子筛免受反应性物质引起的潜在化学降解，尤其是在反应性吸附过程中使用环氧乙烷时。

　　结构分析

　　所制备样品的SEM照片如图2所示。活性炭具有丰富的大孔，平均孔径为9.2μm(图2a)，表明粘结剂的用​​量合适，未造成孔隙堵塞。图2e显示具有均匀的结构。活性炭分子筛复合材料由于分子筛的引入，表面显得粗糙，如图2b，f所示。随着分子筛含量的增加，活性炭复合材料在活性炭表面出现了大量无序、交织的柱状晶单元(图2c，g)。令人惊讶的是，分布在活性炭表面的分子筛颗粒并没有造成明显的炭孔堵塞。随着分子筛含量的进一步增加，分子筛颗粒密集地分散在活性炭表面，导致大部分炭孔被堵塞(图2d，h)。

　　图2：(a)活性炭、(e)分子筛、(b,f)活性炭复合材料-10%在不同放大倍数下的SEM图像，(c,g)活性炭复合材料-20%在不同放大倍数下的SEM图像，以及(d,h)活性炭复合材料-30%在不同放大倍数下的SEM图像。

　　应用和未来前景

　　将活性炭集成到分子筛中用于吸附环氧乙烷，在化学制造、环境保护和气体净化等各个行业都具有巨大潜力。这种混合系统为EO吸附提供了一种经济高效的解决方案，可最大限度地降低其工业用途相关的风险并确保符合环境法规。

　　此外，这种方法的模块化特性允许设计针对除环氧乙烷以外的其他气体或挥发性有机化合物的定制吸附剂。随着行业面临越来越大的减排和提高安全性的压力，活性炭和分子筛的组合提供了一种多功能且可扩展的气体吸附方法。

　　活性炭和分子筛的结合在环氧乙烷的吸附方面取得了重大进展。通过利用活性炭的高表面积和宽孔分布以及分子筛的选择性，研究人员开发出了一种可提高吸附能力、吸附速率和稳定性的系统。随着各行各业不断寻求更安全、更有效的方法来处理挥发性化学物质，这种混合吸附技术有望在确保安全、可持续性和运营效率方面发挥关键作用。

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