石墨碳氧化制備活性碳纖維表面酸性及吸附性能

石墨碳氧化制備活性碳纖維表面酸性及吸附性能

碳有機(jī)纖維（acf）比表面大，吸附性能好，再生能力強(qiáng)。與表面相比，可制造4000mg比面高的活性炭，但仍不能滿足人們的需求。隨著活性碳纖維的增加，活動(dòng)收率降低，因此比表面無限期延長。為了更有效地開發(fā)出活性碳纖維的潛力，并具有獨(dú)特的吸附性能，采用化學(xué)改性處理是一種明顯的方法。活性碳纖維表面的不飽和鍵,以化學(xué)形式與其它原子和原子基團(tuán)結(jié)合,構(gòu)成獨(dú)特的表面化學(xué)結(jié)構(gòu).在低于燃燒溫度條件下,石墨微晶碳氧化生成的表面氧化物主要有羧基、酚烴基、內(nèi)脂基、醌基等含氧官能團(tuán),還有含S,N,鹵素等官能團(tuán).對表面特性的研究表明,表面各種官能團(tuán)及酸堿性與吸附平衡有著密切關(guān)系:表面酸性降低,對酸性及中性有機(jī)物的吸附能力降低,對堿性有機(jī)物的吸附能力增強(qiáng).1化學(xué)加熱acf法通過氣相氧化和液相氧化可以增強(qiáng)活性碳纖維的表面酸性.氣相氧化:活性碳纖維在空氣中低溫度(300-350℃)下氧化,在表面產(chǎn)生含氧官能團(tuán),提高親水性和表面酸性;液相氧化:活性碳纖維與HNO3,H2SO4等酸性溶液發(fā)生氧化反應(yīng),引入含氧基團(tuán),隨著酸液濃度的提高,活性碳纖維表面酸性增強(qiáng).活性碳纖維與Cl2,NH3反應(yīng)可以使表面由非極性轉(zhuǎn)變?yōu)闃O性.經(jīng)化學(xué)處理的樣品編號及表面化學(xué)處理方法為:H0——水蒸氣活化法得到ACF,比表面積864m2/g;H1——將H0放入濃度為5%的HNO3水溶液中浸泡10min,取出后在80℃的恒溫箱內(nèi)烘干,使水與未與ACF表面反應(yīng)結(jié)合的HNO3揮發(fā)掉;H2——將H0放入濃度10%的HNO3水溶液中浸泡10min,取出后在80℃恒溫烘干;H3——將H0放入加熱爐內(nèi)升溫至350℃,在空氣中氧化10min后取出;H4——將H0放入加熱爐內(nèi)升溫至300℃,通入少量氯氣反應(yīng)10min;H5——將H0放入加熱爐中在氮?dú)獗Ｗo(hù)下升溫至800℃,通入NH310min,然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下降溫.2碳固定劑對so2吸附的影響2.1u3000酸液內(nèi)酸鈉緩沖液濃度測量用分析純NaOH藥劑配成0.1mol/L的標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉水溶液,分別稱取化學(xué)處理前后的活性碳纖維樣品H0,H1,H2,H3各1g,放入4個(gè)帶密封塞的錐形瓶中,在每個(gè)錐形瓶中加入25mL標(biāo)準(zhǔn)溶液,在振蕩器上振蕩1h后,靜置24h,然后過濾.用0.1mol/L的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定濾液,測量浸泡前后NaOH溶液濃度的變化,計(jì)算出每克樣品消耗NaOH的摩爾數(shù),即為樣品表面酸性官能團(tuán)總量.NaOH濾液的濃度C:C=V1VC0(1)C=V1VC0(1)式中,V為滴定用HCl標(biāo)準(zhǔn)液液的體積,L;V1為氫氧化鈉濾液體積,L;C0為標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液的濃度,mol/L.樣品消耗的NaOH摩爾數(shù)nn=V0C0?V0C(2)n=V0C0-V0C(2)式中,V0為浸泡前NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積,L.實(shí)驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果見表1.用氫氧化鈉中和滴定法測定的酸性官能團(tuán)主要有羧基、內(nèi)脂基和酚羥基基團(tuán),它們可能存在的形式為:羧基,C內(nèi)脂基,酚羥基.可以看出,經(jīng)過化學(xué)處理后,活性碳纖維表面的酸性官能團(tuán)含量有不同程序的提高.2.2acf的so2平衡吸附量測定靜態(tài)吸附:將H0,H1,H2,H3的樣品各1g放入SO2純氣體容器中,保持SO2氣體壓力不變,24h后,測定ACF的SO2平衡吸附質(zhì)量百分?jǐn)?shù),結(jié)果列于表2;動(dòng)態(tài)吸附:SO2恒定源的濃度為12mg/m3(是一般環(huán)境SO2濃度的100倍),以1.5L/min的速率將SO2與氮?dú)獾幕旌蠚怏w通過實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附,24h后,測量活性碳纖維對SO2的動(dòng)態(tài)吸附質(zhì)量百分?jǐn)?shù),結(jié)果列于表3.2.3活性碳纖維對含氮酸的吸附能力從表2的數(shù)據(jù)可見,化學(xué)改性后,活性碳纖維對SO2的靜態(tài)吸附質(zhì)量百分?jǐn)?shù)增大幅度不大,不超過10%,表明ACF對純SO2的靜態(tài)吸附與含氧官能團(tuán)的關(guān)系不是很大,而主要取決于ACF的比表面積和微孔結(jié)構(gòu),在靜態(tài)下,SO2充滿整個(gè)空間,ACF的不飽和力場很容易捕捉到SO2分子吸附到微孔內(nèi)的表面上.將SO2動(dòng)態(tài)吸附質(zhì)量百分?jǐn)?shù)與酸性官能團(tuán)之間的關(guān)系繪于圖1中,可以發(fā)現(xiàn)SO2的動(dòng)態(tài)吸附質(zhì)量百分?jǐn)?shù)隨活性碳纖維表面酸性官能團(tuán)摩爾濃度的增多呈近似直線上升.在ACF的SO2動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)中,前10h內(nèi),各個(gè)ACF樣品的SO2吸附率都在95%以上,以后吸附率逐漸降低.含有酸性官能團(tuán)較多的ACF顯示出強(qiáng)大的吸附能力,特別是在低濃度吸附質(zhì)氣氛中,優(yōu)勢更為明顯.根據(jù)報(bào)道,PAN基活性碳纖維中含氮官能團(tuán)以C?N,N?N形式存在,它們對SO2,H2S等有特殊的吸附能力.ACF表面化學(xué)處理后,在表面引入酸性官能團(tuán),吸附能力更強(qiáng).經(jīng)HNO3處理的ACF實(shí)質(zhì)上就是引入了含氮、含氧的酸性基團(tuán),空氣氧化處理的ACF也引入了含氧官能團(tuán).這些酸性官能團(tuán)的引入,明顯提高了ACF對低濃度SO2的捕捉能力,吸附能力顯著增強(qiáng).2.4a.acf-so2的動(dòng)態(tài)吸附能力ACF表面是非極性的,SO2是極性分子,改變ACF的表面極性,對活性碳纖維的SO2動(dòng)態(tài)吸附將產(chǎn)生影響.ACF與Cl2,NH3反應(yīng)可以使ACF表面由非極性轉(zhuǎn)變?yōu)闃O性,H4,H5樣品的SO2動(dòng)態(tài)吸附結(jié)果列于表4.從表4的數(shù)據(jù)可以看出,H4比H0樣品的吸附質(zhì)量百分?jǐn)?shù)提高了45%,H5樣品提高了65%,表明改變ACF的極性,有利于提高活性碳纖維對SO2的動(dòng)態(tài)吸附能力.Cl原子與C原子結(jié)合,生成了含氮官能團(tuán),使ACF具有表面極性,除了不飽和力場的吸附力外,ACF又具有了一個(gè)對極性分子所特有的靜電吸引力,增強(qiáng)了ACF捕捉吸附SO2分子的能力;NH3分子與C原子反應(yīng)的結(jié)果,不僅改變了ACF的極性,同時(shí)在ACF的表面生成了含N,H,O等元素的官能團(tuán),它們都對具有極性、酸性氧化物分子SO2起到特殊的吸附作用.所以,經(jīng)過NH3處理的ACF對SO2的吸附能力大大增強(qiáng).3acf對酸性的動(dòng)態(tài)吸附能力通過ACF表面化學(xué)處理可以改變ACF表面的酸堿性、極性,對SO2的吸附起到良好作用.用液相氧化和氣相氧化的方法提高了活性碳纖