活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭中去除钾离子，为了生产超低电容量的低钾离子(K+)的纯活性炭，在盐酸(HCl)洗涤的基础上，采用新型氧化-超声波处理方法处理由氢氧化钾活化的椰壳活性炭。之所以活性炭产品展现出高钾离子由于氢氧化钾活化的工艺限制，导致已经形成的活性炭孔隙被阻塞，这对超级电容器的比电容和循环寿命有负面影响。因此，有必要从交流电中的超级活性炭中去除钾离子，以期大大提高超级电容器的电化学性能。

　　一般情况下，活性炭中存在的钾离子常常在孔隙中扩散，氯化氢洗涤不能有效去除。尽管超声波振荡对于将钾离子分散到溶液中是有效的，但是氧化过程能够减弱活性炭孔壁与钾离子之间的作用力，导致活性炭样品的深度净化。因此，在利用新型的氧化-超声波处理来降低活性炭中的钾离子含量。钾离子含量对活性炭性能的影响将体现在物理和电化学性能上。

　　从活性炭样品中去除钾离子

　　钾离子的移除过程中包含两个步骤。在第一步中，分别用100ml 0.3,0.5,0.7,1.0和1.2wt%的HCl溶液浸渍2.0g所获得的活性炭。然后将混合物在电热恒温水箱中在80℃下搅拌30-150分钟。氧化-超声波处理用于在第二步中深度净化氯化氢洗涤的活性炭。在超声波振荡器中，将100ml不同重量比的0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0重量%的H2O2溶液与2.0g 氯化氢洗涤的活性炭在10-80℃混合2-10小时。最终处理过的样品在120℃真空条件下干燥过夜。之后，所得活性炭样品分别被命名为ac-W，AC-WH和AC-WHU，分别对应于水，氯化氢和氧化- 超声处理。

　　影响钾离子去除过程的因素

　　盐酸处理对交流钾离子含量的影响

　　在本文中，首先用氯化氢溶液处理活性炭(AC-W)样品以除去钾离子。详细研究了氯化氢溶液的处理时间和质量分数的影响。从图1(a)可以看出，氯化氢溶液的质量分数与钾离子含量之间的关系为90 min。图中还显示随着氯化氢溶液质量分数从0增加到1.0 wt%，钾离子含量呈现明显的下降趋势。过量的酸根离子导致钾离子在电双层过程中从交流困难中消除，形成于钾离子表面。因此，HCl溶液的最佳质量分数为1.0重量%。

　　图1(b)显示了钾离子含量与HCl溶液质量分数为1.0 wt%的处理时间之间的关系。钾离子含量从1242mg / kg显着降低到417mg / kg，处理时间从30min增加到2h，2h后不再发生变化。因此，选择120 min的处理时间和1.0 wt%的HCl溶液作为整个实验的最佳处理条件，相应的活性炭样品称为AC-WH 1%/ 120min。

　　图1。氯化氢溶液的质量分数和处理时间对活性炭的钾离子含量的影响。

　　氧化-超声波处理对活性炭的钾离子含量的影响

　　然后对活性炭(AC-WH 1%/ 120min)进行氧化 - 超声处理以深度除去钾离子。研究了H2O2溶液的质量分数，超声温度和超声时间对活性炭中钾离子含量的影响。得到的结果和图2所示。H2O2溶液的质量分数在超声时间6小时和超声温度60℃下在0-1.0重量%的范围内。表明不含H2O2的活性炭的钾离子含量处理量为256 mg / kg，大大低于活性炭(AC-WH 1%/ 120min)和417 mg / kg，这与超声波作用能够加速固体间的液体传质过程，促使交流孔内的一些非碳化物质与钾离子一起分散到溶液中。从图2(a)可以看出，活性炭的钾离子含量从256显着降低到61 mg / kg，此后当H2O2溶液的质量分数从0增加到0.6 wt%时，基本保持不变。。因此，可以说H2O2处理对生产低钾离子含量的活性炭有很大的影响。一方面，作为氧化剂，H2O2溶液可以减小钾离子和活性炭孔壁之间的作用力，使其容易转移到溶液中。另一方面，活性炭中的钾离子可以与一些有机基团以化学键的形式共存，这些有机基团可以通过H2O2溶液的存在而被破坏，使得可以有效的去除活性炭中的钾离子。

　　图2。(a)H2O2溶液的质量分数，(b)超声温度和(c)超声时间对活性炭的钾离子含量的影响。

　　这次内容中，使用新型的氧化-超声波过程深层去除活性炭的钾离子。实验结果表明，用1.0%氯化氢溶液洗涤活性炭样品120分钟，然后用0.6wt%H2O2溶液在60℃下在超声波振荡器中处理8h具有非常低的钾离子含量约46毫克/公斤。

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