活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　废水中常见的有机成分包括：蛋白质，碳水化合物，脂肪，油，聚合物，染料，酚，石油产品，表面活性剂等。如此复杂的废水成分迫使人们寻求新的效果更好的吸附剂。本文介绍的研究是在基于活性炭上进行的，在二氧化碳和碳酸钾的存在下对其进行了热化学处理，以改变其多孔结构，表面的酸碱性质，因此，对有机杂质的吸附性能。确定了活性炭对阴离子聚丙烯酸(PAA)和十二烷基硫酸钠(SDS)及其混合物的吸附性能。

　　实验用活性炭的制备方法与性质

　　本实验首先将起始材料在110°C干燥至恒重，然后压碎并筛分至0.5至1 mm的粒度。在石英管式反应器中，在吹入氮气流(0.170 L/min)下进行起始原材料的热解。将样品加热(10°C/分钟)从室温到最终热解温度600°C，并保持60分钟。然后，将获得的炭用800°C的蒸汽进行物理活化，以燃烧掉约50%的碳(即，在温度和活化剂的影响下，燃烧掉了50%的碳质材料)。为了改变表面基团的质地参数和酸碱特性，对这样制备的活性炭(表示为N)进行两种热化学处理。第一个步骤包括在900℃，氮气氛(流速0.330 L/min)下，用碳酸钾(N9K样品)进行额外的化学活化(旨在在先前生产的活性炭中形成额外的微孔结构)(碱/活性炭重量比为2：1)。之后，产品经过两步洗涤程序(用5%热HCl溶液和软化水洗涤)。最后，将样品在110°C下干燥以获得恒定质量。修改的另一个变体包括在900°C的二氧化碳气流中以0.250 L的流速额外活化/分钟，持续45分钟(N9C样品)。二氧化碳的使用旨在扩大蒸汽活性炭中存在的孔的直径。

　　活性炭和经改性后获得的样品的化学成分。两种修饰均导致灰分含量以及结构中特定元素的变化，其中这些变化对N9K样品而言更大。起始活性炭(N)暴露于碳酸钾会导致矿物质(灰分)的显着下降，同时氢含量下降两倍(可能是碳结构芳构化的结果)由于活性炭颗粒的表面氧化，增加了氧气量。还值得注意的是，灰分含量比在CO 2中退火的N9C样品低了近10倍。大气层。N9K中的灰分很可能是由于活化后将其用5%的盐酸溶液洗涤而导致的。图1所示的SEM图像也证实了各个活性炭的质地和形态多样性。可以看出，根据制备程序，样品在尺寸，形状以及孔的数量或排列方面存在显着差异。特别是在活性炭和N9C样品中可以观察到的较亮片段可能是其结构中存在灰分(矿物质)的结果。

　　图1：活性炭，N9K和N9C的SEM图像。

　　活性炭表面上聚丙烯酸的吸附机理

　　图2提出了在3 pH值下获得的三种被测活性炭表面上聚丙烯酸的吸附等温线(由于在这种pH条件下聚合物的最高吸附)。可以看出，在N活性炭表面上观察到最低的聚丙烯酸吸附。化学(N9K)和物理(N9C)活化后的改性固体样品显示出对聚合物大分子的更大吸附亲和力。对于N9C而言，这种效果尤为明显。为了解释这些依赖性，应分析聚丙烯酸大分子电离的变化(直接影响其在溶液中的大小，并确定它们进入具有特定平均直径的活性炭孔中的可能性)，以及随着pH值增加，固体表面电荷密度的变化。提出了不同pH值溶液中聚丙烯酸大分子的特征。在pH 3时，聚合物羧基的解离度极小，而在pH 4.5时，离子化和中性羧基的解离度相同(解离度达到50%)。反过来，在pH 6和9时，聚合物链发生总电离。多元酸大分子电离的变化决定了它们的大小-解离度的增加导致链的发展从卷曲结构(在pH 3)到显着延伸的构象(在pH 9)。此外，电位滴定结果(将在本文的其他部分进行讨论)表明，活性炭表面pH pzc的变化范围为5.33-6.82。这表明在pH值为3和4.5时，固体表面带有正电荷，并且阴离子聚合物吸附的静电条件是有利的。另一方面，在pH 9时，在完全解离的聚(丙烯酸)链与带负电的固体表面之间会发生强静电排斥。

　　图2：聚丙烯酸在pH为3的活性炭，N9K和N9C表面上的吸附等温线。

　　在图3中比较了初始浓度为100 ppm的活性炭，N9K和N9C表面上初始浓度为100 ppm的聚合物溶液中PAA(Γ)的吸附量。。可以看出，对于所有检查的活性炭，观察到随着pH升高聚合物吸附明显减少。这是由于所检查系统中的静电条件从有利的吸引条件(在较低的pH值)变为不利的排斥条件(在较高的pH值)而引起的。而且，在更酸性的环境中，聚合物链的盘绕构型使得吸附层的堆积更为紧密(高PAA吸附)。在较高的pH值下，PAA链发展的增加导致表面层中吸附的大分子的构型更加延长，其特征是聚合物链段的堆积密度显着降低(PAA吸附低)。

　　图3：在pH值分别为3、4.5、6和9的活性炭，N9K和N9C表面上，初始浓度为100 ppm的聚合物溶液中PAA(Γ)的吸附量。

　　研究了使用活性炭从水溶液中阴离子表面活性剂(SDS)吸附重均分子量为2000 Da的聚丙烯酸的可能性。应用了三种类型的吸附剂：活性炭(在600°C的氮气氛中热解，然后在800°C的蒸汽中进行物理活化)，N9K样品(在900°C的条件下用碳酸钾进行其他化学活化)和N9C样品(在900°C下用二氧化碳进行其他物理活化)。结果表明，在pH 3的N9C活性炭表面上，阴离子聚合物的吸附量较大。这是聚合物大分子最卷曲的结构的结果。另外，带正电的固体表面和带负电的聚合物线圈之间的静电引力使得能够形成由致密堆积的大分子组成的吸附层，从而导致聚合物的较大吸附量。用二氧化碳进行物理活化的活性炭(具有基本碱性特征)对于来自液体介质的聚合物大分子是非常好的吸附剂。因此，与其他氧化物和碳吸附剂相比，它是一种极具竞争力的材料。

本文链接：http://www.hyhxt.net/hangye/hy848.html

查看更多分类请点击：公司资讯    行业新闻    媒体报导    百科知识