活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　芳香族化合物常用于化学工业。它们通常在制造过程中用作原料和溶剂。苯属于化学工业生产水中常见的污染物类别，近期化学工业废水造成的环境污染成长速度惊人。因此，为了除去这种危险的化合物确保安全供水。本文提出了一种环境无危害的方法，用1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺改性活性炭。这种官能化改性试过提高活性炭的表面积和孔体积来同时增强活性炭的去除效率，并降低该方法的总成本。原始和官能化形式的活性炭通过使用氮吸附/解吸，热重分析，XRD分析和扫描电子显微镜，进行了批量吸附实验测试。

　　活性炭具有高比表面积和表面积与体积比，复杂的表面特征，是一种介孔吸附剂。这种表面化学是决定吸附剂吸附能力的一个因素。然而，这种表面化学与表面基团直接相关。这些表面基团可以通过热处理，酸处理和碱处理轻松修改。此外，由于离子液体具有独特的可调特性和多种特性(极低的蒸气压，高的热稳定性和化学稳定性，不易燃性和高溶剂容量)和环境友好性，因此作为酸性或碱性改性的替代物而备受关注。为了确保共价键合，它们充当活性炭和其他组分之间的粘合剂。我们选择1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺。在常规位置使用庞大的基团增强了表面活性剂的分散能力。但是，甲基避免了化合物中的去质子化。此外，最常用的是基于咪唑的离子液体，因为它易于分散并且链长较长，具有高完整性和稳定性，这取决于所用的阴离子。另一方面，疏水基团增加了表面活性剂在水性介质中的溶解度，因为全氟磺酰亚胺形成具有低粘度和高电导率的水解稳定的疏水性离子液体。

　　在本文中，选择活性炭作为吸附剂在水溶液中吸附苯。通过离子液体处理进行活性炭的改性，以在石墨结构表面上引入含氧官能团，并在详细表征，动力学和等温线研究的帮助下证明比较用离子液体官能化的活性炭与原始活性炭对苯的去除效率。

　　改性和非改性的活性炭特征对比

　　孔结构的对比

　　图1a中示出了原始和改性活性炭的氮吸附/解吸等温线。等温线的初始曲率定义了单层覆盖，圆形膝盖是改性活性炭中存在一些微孔的证据。改性活性炭的更宽，表明与原始样品相比，单层覆盖范围更大。这种大的单层覆盖率意味着改性活性炭具有比普通活性炭大得多的表面积。由于表面积是孔径和孔数的函数。因此，孔径分布表示化学处理对氧化后活性炭性能的影响，如图1b所示。很明显，与非官能化样品相比，离子液体改性样品中的微孔尺寸分布非常明显，这是由于氧化剂通过石墨结构扩散为基质而在框架中产生孔隙。因此，观察到这些微孔的产生有助于提高活性炭的吸附能力。

　　图1：氮吸附/解吸等温线和活性炭的粒度分布。

　　扫描电子显微镜表征

　　原始和改性活性炭的形态行为总结在图2中。两种不同的放大倍数(10μm和1μm)用于检测官能化前后的表面形态。很明显，活性炭在官能化之前由不规则的异质表面组成。在用离子液体进行表面改性后，没有观察到对结构的明显损坏。表面粗糙度从离子液体处理逐渐得到改善，离子液体处理与引入含氧官能团有关。此外，通过在官能化后在结构中引入小的和更大的孔，已经批准了活性炭的无定形性质。据信这些微球是高比表面积和总孔体积的原因。改性活性炭在其结构中显示出更多的孔隙，这意味着除了制备方法之外，活性炭的形态很大程度上取决于所用的氧化剂。

　　图2：FESEM。

　　热重对比分析

　　在改性之前和之后的活性炭的热重分析使得能够确定它们的热稳定性以说明计算的最佳条件。该图(图3)表明，在与水分蒸发相关的第一区域中，原始和离子液体处理的活性炭的热稳定性分别为71.03%和99.97%。即使在羟基降解后，离子液体处理的活性炭的热稳定性也高于活性炭的热稳定性。原始和氧化活性炭之间的重量损失差异可归因于活性炭上羧基取代导致的亲水性变化。在由于碳分解而发生快速重量损失的第二阶段中，原始和离子液体处理的活性炭的热稳定性为11.32%和98.86%。第三次重量损失与化学结构在795℃左右的分解有关，其中原始和离子液体处理的活性炭显示11.85%和9.44%的稳定性。原始活性炭中的剩余材料很可能是在其他氧化处理中去除的催化剂，并且改善了表面改性活性炭的总纯度。结论，改性活性炭样品表现出高得多的热分解温度，这表明吸附剂的热稳定组合。热稳定性的这种增加可能是由于增加的分子间相互作用和1-己基-3-甲基咪唑三氟磺酰亚胺的配位性质。

　　图3：TGA曲线。

　　苯吸附研究方法

　　吸附动力学研究。吸附动力学模型用于评估吸附机理的速率和吸附剂去除疏水性污染物的效果。在这项研究中，改性活性炭对苯的吸附数据由三种众所周知的动力学模型拟合，即假一级，伪二级和粒子内扩散模型。吸附等温线研究。为了设计吸附系统，使用吸附等温线。

　　改性后的活性炭由于表面改性，在微孔和中孔范围内获得了具有宽孔隙分布的高表面积和孔体积。在建议的改性途径下，活性炭表现出有希望的性能。随后，该官能化导致在石墨碳网络结构的表面上引入含氧配合物，这最终导致改性活性炭的吸附能力增加。苯的消除在批量实验中进行，活性炭与改性活性炭相似的实验条件下，改性活性炭对苯的去除率较高。

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