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

碳有機纖維（acf）比表面大，吸附性能好，再生能力強。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，并具有獨特的吸附性能，采用化學改性處理是一種明顯的方法?；钚蕴祭w維表面的不飽和鍵,以化學形式與其它原子和原子基團結合,構成獨特的表面化學結構.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,還有含S,N,鹵素等官能團.對表面特性的研究表明,表面各種官能團及酸堿性與吸附平衡有著密切關系:表面酸性降低,對酸性及中性有機物的吸附能力降低,對堿性有機物的吸附能力增強.1化學加熱acf法通過氣相氧化和液相氧化可以增強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,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,引入含氧基團,隨著酸液濃度的提高,活性碳纖維表面酸性增強.活性碳纖維與Cl2,NH3反應可以使表面由非極性轉變?yōu)闃O性.經(jīng)化學處理的樣品編號及表面化學處理方法為: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表面反應結合的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10min;H5——將H0放入加熱爐中在氮氣保護下升溫至800℃,通入NH310min,然后在氮氣保護下降溫.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的標準氫氧化鈉水溶液,分別稱取化學處理前后的活性碳纖維樣品H0,H1,H2,H3各1g,放入4個帶密封塞的錐形瓶中,在每個錐形瓶中加入25mL標準溶液,在振蕩器上振蕩1h后,靜置24h,然后過濾.用0.1mol/L的鹽酸標準溶液滴定濾液,測量浸泡前后NaOH溶液濃度的變化,計算出每克樣品消耗NaOH的摩爾數(shù),即為樣品表面酸性官能團總量.NaOH濾液的濃度C:C=V1VC0(1)C=V1VC0(1)式中,V為滴定用HCl標準液液的體積,L;V1為氫氧化鈉濾液體積,L;C0為標準鹽酸溶液的濃度,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標準溶液的體積,L.實驗及計算結果見表1.用氫氧化鈉中和滴定法測定的酸性官能團主要有羧基、內(nèi)脂基和酚羥基基團,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)過化學處理后,活性碳纖維表面的酸性官能團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)量百分數(shù),結果列于表2;動態(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與氮氣的混合氣體通過實驗樣品進行動態(tài)吸附,24h后,測量活性碳纖維對SO2的動態(tài)吸附質(zhì)量百分數(shù),結果列于表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,化學改性后,活性碳纖維對SO2的靜態(tài)吸附質(zhì)量百分數(shù)增大幅度不大,不超過10%,表明ACF對純SO2的靜態(tài)吸附與含氧官能團的關系不是很大,而主要取決于ACF的比表面積和微孔結構,在靜態(tài)下,SO2充滿整個空間,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動態(tài)吸附質(zhì)量百分數(shù)與酸性官能團之間的關系繪于圖1中,可以發(fā)現(xiàn)SO2的動態(tài)吸附質(zhì)量百分數(shù)隨活性碳纖維表面酸性官能團摩爾濃度的增多呈近似直線上升.在ACF的SO2動態(tài)吸附實驗中,前10h內(nèi),各個ACF樣品的SO2吸附率都在95%以上,以后吸附率逐漸降低.含有酸性官能團較多的ACF顯示出強大的吸附能力,特別是在低濃度吸附質(zhì)氣氛中,優(yōu)勢更為明顯.根據(jù)報道,PAN基活性碳纖維中含氮官能團以C?N,N?N形式存在,它們對SO2,H2S等有特殊的吸附能力.ACF表面化學處理后,在表面引入酸性官能團,吸附能力更強.經(jīng)HNO3處理的ACF實質(zhì)上就是引入了含氮、含氧的酸性基團,空氣氧化處理的ACF也引入了含氧官能團.這些酸性官能團的引入,明顯提高了ACF對低濃度SO2的捕捉能力,吸附能力顯著增強.2.4a.acf-so2的動態(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動態(tài)吸附將產(chǎn)生影響.ACF與Cl2,NH3反應可以使ACF表面由非極性轉變?yōu)闃O性,H4,H5樣品的SO2動態(tài)吸附結果列于表4.從表4的數(shù)據(jù)可以看出,H4比H0樣品的吸附質(zhì)量百分數(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的動態(tài)吸附能力.Cl原子與C原子結合,生成了含氮官能團,使ACF具有表面極性,除了不飽和力場的吸附力外,ACF又具有了一個對極性分子所特有的靜電吸引力,增強了ACF捕捉吸附SO2分子的能力;NH3分子與C原子反應的結果,不僅改變了ACF的極性,同時在ACF的表面生成了含N,H,O等元素的官能團,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.3acf對酸性的動態(tài)吸附能力通過ACF表面化學處理可以改變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