活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　电处理是施加到某些材料表面的高压和高频放电。该设备通过放电使电极和基板之间的气体(O3，O2)电离而引起表面氧化，从而在表面上引起共价反应并改变材料性能。然而，尽管已经研究了类似的处理方法，例如等离子体处理和空气介电势垒放电，但该处理方法尚未用于引起活性炭的表面改性。因此，本研究的目的是评估电处理(放电)对商用活性炭表面改性的影响。表面改性可能导致活性炭具有不同的性能。在这项研究中，使用粉末状的活性炭。活性炭在距源4.5厘米高的不同暴露时间(2、5、8和10分钟)进行电处理。为了观察处理引起的差异，对活性炭进行了酸度，表面官能团，傅立叶变换红外光谱(FTIR)和热重分析。

　　材料和方法

　　在这项研究中，使用了活性炭。活性炭经过三维表面电击设备， 0.5 kW功率，220 V和60 Hz的频率产生的放电(图1)。

　　图1：电击设备(a)控制箱、(b)电击头、(c)排放头、(d)表面处理布置。

　　电处理用于促进样品的表面氧化。将样品放在铝箱中(图1d)，目的是为了均匀处理并避免过程中的损失，因为活性炭呈粉末状，并且与放电接触会造成损失。使用了四种电处理，改变了样品对放电的暴露时间。标准处理方法之一(T1)。因此，在该处理中没有进行曝光放电。其他处理的曝光时间分别为2、5、8和10分钟(分别为T2，T3，T4和T5)。每次处理称重约2.0 g的活性炭。电击头部高度确定为4.5厘米。

　　表面分析和功能组

　　活性炭表面化学的研究非常重要，因为对于某些应用，吸附剂和被吸附物之间的反应或相互作用是必要的。表面化学与活性炭表面上官能团的存在及其特性有关。可以观察到，尽管有些变化，但是随着电处理的暴露时间的增加，酸度有增加的趋势。因此，可以推断出表面氧化是通过氧原子的插入和借助化学键形成官能团，从而改变了活性炭的表面化学而发生的。通过暴露于电处理而发生的化学反应促进了材料表面原子与该处理所结合的原子(主要是氧原子)之间形成共价反应。共价反应是由放电引起的气体电离产生的。

　　由于处理而引起的不同官能团的数量。通常，与其他官能团相比，主要官能团是羧酸。除酸度外，由羧酸形成的基团数目也有增加的趋势，同时增加了电晕处理的暴露时间。这个事实可能解释了酸性增加的趋势，因为这些基团是强酸，并且是活性炭酸性的主要成分。随着暴露时间的增加，羧基的形成是由于表面氧化，活性碳与大气中的氧之间形成了共价键。同样，暴露时间的增加可能会降低来自活性炭的电子密度，从而降低活性炭的还原性能。

　　傅里叶变换红外光谱(FTIR)

　　处理过的和未处理过的活性炭的光谱如图2所示。根据光谱，基本上有两个主要的带，它们根据分子振动具有活性炭。3500 cm-1处的谱带对应于OH拉伸，主要是羧酸官能团。1600-1700 cm-1处的谱带对应于酚基中羧酸或内酯的C=O拉伸。

　　图2：来自活性炭未处理和电处理过的FTIR光谱。

　　热重分析(TGA)

　　热重分析如图3所示。可以观察到处理过的和未处理过的活性炭的降解情况。这种分析可以评估高温下的热稳定性以及某些结构随温度的退化。

　　图3：在N 2气体下未处理的活性炭和相应的处理的热重曲线。

　　根据图3，不同的处理导致热分解曲线有所不同。此外，不同处理的残留质量也有所不同，处理T1，T4和T5呈现更高的残留质量，表明这些处理具有更高的耐热性。处理T2和T3的残留量较低，表明处理的耐热性较低。此外，这些处理在后期残留质量之间存在重大差异而脱颖而出。根据处理(电击时间)，降解曲线的差异可能与表面上不同官能团的存在有关。在热过程中，由于存在的官能团，会形成不同的产物，从而导致更高或更低的质量损失，因为活性炭的热分解反应了其表面上官能团的存在。然后，官能团的类型和数量都会影响热重曲线。但是，由于表面官能团的降解与其结构不同，因此官能团的类型具有更大的影响，并且可以解释处理之间的差异。

　　活性炭的表面改性和吸附性能

　　这项研究的表面改性活性炭在通过质地和吸附能力进行了表征和测试。表面改性受到电处理的影响。这些结果与时间电击有关，与未处理的活性炭完全不同。通过吸附等温线(阳离子和阴离子)，动力学吸附，表面积和扫描电子显微镜对表面改性的活性炭进行评估。电晕处理影响了阴离子和阳离子染料的吸附。由于表面化学和质地特性的差异，电处理过的活性炭在吸附这些不同分子时具有不同的行为。然而，由于质地特性的下降，电晕处理会对吸附产生负面影响(亚甲蓝减少25%，刚果红减少14%)。吸附平衡的处理之间存在差异。这些差异是由于活性炭的表面修饰。表面积和孔隙率受到电处理的影响。扫描电子显微镜显示，比较了原始活性炭和经过处理的活性炭，发现孔隙被放电破坏。

　　我们评估了电处理对商用活性炭表面改性的影响。电处理根据放电时间对活性炭进行了表面改性。发生这种修饰是由于表面氧化反应，特别是C和O原子之间的共价键。反应通过气体的电离发生，使表面更具反应性。通常，处理过的活性炭具有较高的酸度，较高的羧酸含量，氧气和挥发性含量，O/C比以及较少的内酯，苯酚，碳和固定碳含量。根据处理，由于新的表面基团，分子振动能，热分解曲线和残余质量存在差异。表面改性可以提高活性炭吸附特定物质的能力，因为表面化学是影响吸附的主要因素。电晕处理可以成为活性炭表面改性的一种新方法，可以提高活性炭的比吸附能力。需要针对电晕处理过的活性炭对吸附过程的影响进行的新研究，并且需要在不同的吸附剂和条件下进行。电处理可用于木材和其他木质纤维素材料中以改变性能。

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