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活性炭使用磷酸活化

发布时间: 2021-11-29  点击次数: 47次

  活性炭使用磷酸活化,碳质材料与磷酸的相互作用对于制造活性炭吸附剂和开发阻燃配方是重要的。上制备从木质纤维素和煤材料的活性炭的早期研究表明,磷酸的作用是通过碳质前体的键断裂和交联碎片促进结构转化。磷酸在木质纤维素材料和煤的热处理过程中显着减少了挥发物的析出,增加了活性炭的产量并降低了碳结构形成的温度。本研究的目的是表征聚酰亚胺共聚物在不同温度和不含磷酸条件下热解得到的活性炭的结构转变。

  聚酰亚胺共聚物的热处理导致共聚物的质量和体积逐渐减小(图1)。质量变化发生在400-600℃,体积变化范围在400-800℃。磷酸的加入极大地改变了热解过程中活性炭的质量和体积的变化。

  图1.质量(a)和体积(b)碳化过程中聚酰亚胺共聚物在有和没有磷酸的情况下变成活性炭。

  在400℃以下的初始质量损失反映了大分子的裂解,而在400〜500℃范围内的收率增加表现出交联过程的增强。在高于500℃的温度下,用磷酸获得的活性炭的质量收率更高。在此阶段,交联反应开始主导键断裂和解聚反应。聚酰亚胺共聚物向活性炭的转化伴随着显着的体积变化。最初的收缩是随着材料的膨胀,在600℃观察到值。这种现象被认为是由于磷酸在碳化过程中的双重作用:首先,它催化大分子裂解成更小的碎片; 其次,促进了分子之间交联的形成,导致碳材料与较大的结构单元重新排列,从而导致形成刚性交联固体。

  活性炭的孔隙发展

  显然,孔隙发育与扩张过程之间有着直接的联系。碳材料在400-600℃温度范围内膨胀(图1(b))对应于具有高表面积的多孔结构的发展(图2(a))。在较高温度下,材料的收缩导致比表面积的减小。

  图2.在600℃下用或不用磷酸得到的母体聚酰亚胺共聚物和活性炭的BET表面积(a)和孔径分布(b)的温度演变。

  孔径分布(图2(b))表明通过热处理无磷酸聚酰亚胺共聚物获得的活性炭从母体共聚物中继承了孔径大于20-40nm的介孔结构。磷酸活性炭的多孔结构由于碳材料在磷酸的作用下重新分布而具有2-4nm大小的更多微孔结构和介孔结构。

  元素分析

  对于磷酸活性炭,碳含量随温度下降。活性炭含量的降低是由于与磷酸的反应增强而导致外来原子如氧和磷的贡献增加。氧含量的增加最可能是由于形成含氧类磷酸盐的磷化合物。磷酸活化还促进在所有碳化温度下氮的消除。活性炭原材料与磷酸的碳化导致含磷化合物的碳。磷含量可达到800℃。在较高温度下,由于磷化合物的热破坏,磷含量降低。磷化合物的组成可以通过氧与磷原子比估计。O / P原子比随温度的降低而降低,在800℃时达到4.3以下。氧与磷的比例接近于磷酸的比值,因此预期磷化合物在结构上与磷酸盐类似。在较高的温度下,比例略有增加,表明磷碳结构被破坏。

  磷酸活化的活性炭有丰富表面官能团由电位滴定法证明。质子结合等温线表明,无磷酸热处理得到的活性炭在pH约为7时具有PZC中性表面,并含有非常少量的表面基团(图4(a))。相反,通过磷酸活化获得的活性炭在酸性表面基团的高浓度下在约pH 2下显示具有PZC的酸性表​​面。酸性表面基团的计算分布显示磷酸基团的存在显然源于磷酸、 羧酸基团、磷酸酯基,烯醇和酚基的第二解离常数(图3(b))。

  图3.在700℃用磷酸和不用磷酸得到的活性炭的质子结合等温线(a)和质子亲和力分布(b)。

  与热处理的活性炭相比,磷酸引起了活性炭原材料的结构和化学变化。

  结构变化:与热处理碳相比,磷酸促进原材料在较低温度下转化为碳结构。磷酸负责形成不同于热处理碳的高度发展的微/中孔结构。

  化学变化:磷酸引起氢和氮的消除,磷和氧以磷酸盐状结构引入。显着量的磷赋予碳酸性质,其可以在需要酸性的区域中使用,如金属离子吸附和催化。

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