קידום פחמן רב פונקציונלי מופעל עבור הסרת סימולטני של מספר רב של

פחמן מופעל כבר זמן רב הוכר כאחד המודעות המגוון ביותר של מודעות בשיקום סביבתי, במיוחד עבור מים וטיהור אווירי. שטח פני השטח הגבוה שלה, מבנה ⁇ , ועלות נמוכה יחסית הפכו אותו הכרחי להסרת חומרים אורגניים, chlorine, וקצת חומרים צמחיים מופעלים, אך ורק לעתים רחוקות, תרחישים זיהום אמיתי, כרוכים רק באפקטים תעשייתיים בודדים, מכילים מספר רב של כימיקלים עמידים, והם מכילים פחמן אורגניים, בדרך כלל, תרכובות, חומרים מסוכנים.

יסודות של פחמן מופעל ומגבלותיו

פחמן מופעל שואב את הכוח המודעת שלו מרשת נרחבת של מיקרו-פוחיות, mesopores, ומאקרוpores שנוצרו במהלך הפעלה פיזית או כימית של מבשרי פחמן כגון פחם, קליפות קוקוס, עץ או אפונה. האזור הכולל יכול לעלות על 1500 מ '2 /g, מתן אתרים בשפע עבור מודעות פיזיות באמצעות כוחות ואינטראקציות פתואליות.

למרות היתרונות האלה, פחמן מופעל קונבנציונלי יש מגבלות טבועות כאשר מתמודדים עם תערובת מורכבת של זיהום:

(FLT:0) בעיות אוטואימוניות: FLT:1 הוא מפרסם תרכובות אורגניות לא קוטביות ביעילות, אבל מבצע גרוע עבור מולקולות קוטביות, מינים יוןיים, ומכות מתמוססות.
(FLT:0) יכולת ללקות כבדות:FreaLT:1 ללא קבוצות פונקציונליות ספציפיות, הסרת מתכת כבדה היא מינימלית ולעתים קרובות תלויה ב- pH.
(ב) [15] חוסר יכולת לזלזל במזהמים: ⁇ 1 (ה- AC המסורתי) מעביר רק קונטנטים משלב אחד למשנהו, הדורשים סילוק או התחדשות.
השפעות:0 (FLT:1 בתערובת, מולקולות אורגניות גדולות חוסמות pores ולהפחית את היכולת הכוללת עבור מטרות קטנות יותר.

חסרונות אלה הניעו את החיפוש אחר גרסאות מרובות פונקציונליות שלא רק מודעות אלא גם מחיתולים קטליטיים או לוכדים באופן סלקטיבי אבקות מגוונות.

עקרונות עיצוב עבור פחמן רב-Functional מופעל

הנדסה חומר יחיד להסרת סוגים מרובים של זיהום דורש שילוב מכוון של תכונות פיזיות וכימיקליות:

(FLT:0) נקבוביות היררכיות: FIRLT:1 [שילוב של mesopores (2–50 nm) לצד מיקרו-פוחיות מאפשר למולקולות גדולות יותר כמו צבעים או חומצות לחות לגשת משטחים פנימיים תוך שמירה על שטח פני השטח גבוה למולקולות קטנות.
(FLT:0Surface Functionization:FLT:103) החזקה קוהון של קבוצות chelating (למשל, thiols, amines, carboxylates) יוצרת אתרים מחייבים עבור מתכות כבדות.מבוא של קבוצות אמוניום quaternary מאפשר חילופי ion עבור arsenate או chromate.
מרכזי לוחמה:0Catalytic: FLT:1 Embedding מתכת nanoparticles (למשל, ברזל, נחושת, כסף) או תחמוצת מתכת מעניקה תכונות קטליטיות להשפלה חמצון של אבקות אורגניות או פעילות אנטיבקטריאלית.
אדריכלות:0 (Nanoscale architecture:FLT:1) גיאומטריה פודרה נשלטת בקנה מידה ננומטר מגבירה את מספר אתרי קצה פעיל ומשפרת תחבורה המונית.

קידום טכנולוגי מפתח

שינוי פני השטח באמצעות טיפול כימי

אחד המסלולים הפשוטים ביותר למול פונקציונליות הוא טיפול כימי של פחמן פעיל מסחרית זמין פחמן. Oxidation באמצעות חומצה חנקנית, מימן peroxide, או אוזון מגביר את צפיפות קבוצות המכיל חמצן המכילות חמצן, אשר משפר את המודעות של קוטבי מתכת cations באמצעות אינטראקציות אלקטרוסטטי. לדוגמה, פחמן oxed עם ammonium perulfate להראות משופר של דגימות נחושת ולהוביל עד 300% כדי אינטראקציות אלקטרוסטטי.

לעומת זאת, הפחתת סוכנים או תגובות זיהום יכול להציג בסיסים חנקניים המעדיפים את המחייב של contaminants וגזים חומציים. אי-התגורה עם תחמוצות מתכת כגון Fe2O3 או MnO2 יוצר חומרים היברידיים כי בו זמנית מודעות או צבע אורגני דהור באמצעות תגובות דמוי פנטון.

חומרים משותפים עם השפעות סינרגניות

שילוב פחמן מופעל עם חומרים ⁇ או reactive אחרים מניב תרכובות עם תכונות על אלה של רכיבים בודדים.

(FLT:0) הפעלת פחמן-ביוכריז מורכב: ⁇ FLT 1 Biochar מספק פחמן בעלות נמוכה עם תוכן מינרלים גבוה, בעוד מופעל פחמן מספק שטח פני שטח גבוה משטח.החומר המתקבל שיפור הסרת חומרי הדברה האורגנית ומתכות כבדות ממים לשטוף אדמה.
(FLT:0) הפעלת היברידיות פחמן-זאוליטי: ⁇ FLT 1:1 Zeolites להביא ion-exchange קיבולת ו אח מולקולרי.המורכב יכול להסיר ions ammonium ומיקרו-פולנטים אורגניים בו זמנית, שימושי עבור שפכים.
(FLT:0) הפעלת פחמן-גרף פחמן דו-חמצני אטומים aerogels:FLT:1 הסינרגיה בין גליונות תחמוצת 2D גרפן פחמן יוצר שטח על פני גבוה ותפקודי חמצן בשפע, המאפשר הסרת צבעים, אנטיביוטיקה, וצל מתכת כבד במעבר יחיד.

אלה מורכבים בדרך כלל מוכנים על ידי צמיחה של situ, שילוב פיזי, או שיטות ציפוי.שליטה קפדנית של היחס ותנאי הסינתזה נדרש כדי למנוע חסימת pore ולהבטיח העברת המונים.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

ננו-חומרים כגון חלקיקים מתכתיים (למשל, Ag, Cu, Pd), צינורות פחמן או מעבר מתכת dichalcogenides יכול להיות מוקרן על פני כדור הארץ מופעלים כדי להקנות פונקציונליות חדשה. חלקיקים Silver מספקים חלקיקים מספקים תכונות אנטי-בקטריאליות ואנטי-ויראליות, מה שהופך את המסובייקט המתאים לחיטוי מים בשלב זה לצד הסרת כימיקלים.

ביצוע ה- Carbon lattice עם heteroatoms (nitrogen, sulfur, בורון) משנה את המבנה האלקטרוני, יצירת אתרים פעילים להפחתת חמצן או מודעות של מינים ספציפיים. Nitrogen-do מופעל פחמן, למשל, מציג יכולת משופרת עבור CO2 לכידת ומורכבות מתכת כבדה עקב קבוצות pyrnicnic ו חנקן.זה פונקציונליות כפולה מבטיחה במיוחד עבור טיפול פחמן משולב.

מכניזם של פשטות סימולטנית

הבנת האופן שבו פחמן מופעל רב פונקציונלי מסיר מספר רב של זיהומים שונים דורש לשקול כמה מנגנונים מקבילים:

(FLT:0) מודעות פיזיקליות: 1.10.10.10.10.10.10.10.10.10.000; מיקרופוחיות מלכודות מולקולות אורגניות קטנות באמצעות הדרה בגודל וכוחות ואן דר וואלים.תהליך זה הוא בעיקר לא סלקטיבי ומתרחש במהירות.
(FLT:0) אינטראקציות סלקטיביות: 1) קבוצות משטח טעון למשוך בצלים טעונים מנוגדים.לדוגמה, קבוצות קרטול (שליליות ב pH נייטרלי) נקשרות חיפוי מתכת כבד; קבוצות אמוניום quaternary נקשרות אשליות מולדות או כרובות.
(ב) ⁇ :0) מורכב וchelation: LIgands כגון thiols או amines יוצרים קשרים עם מתכות מעבר, מתן חזק, מחייב גם בנוכחות של מושגים מתחרים.
(FLT:0Catalytic oxidation: FIRLT:1 oxides מתכת או אתרי doped לייצר רדיקלים hydroxyl אשר לשבור אתמזהמים אורגניים למוצרים מזיקים, בו זמנית ליצור אתרי מודעות.
(ב) ⁇ :0 (ב) ⁇ (ב[[1924]]) ב[[1924]], כולל zeolites או ions, contaminants like ammonium או cesium רדיואקטיביים, משוחזרים על החומר.

הממשק בין מנגנונים אלה יכול להוביל לאפקטים סינרגיסטיים שבו נוכחות של אחד contaminant משפר את הסרתו של אחר, אם כי התחרות עבור אתרים פעילים יכולה להתרחש גם.עיצוב אופטימי נועד למזער את העיכוב התחרותי באמצעות הפרדה מרחבית של קבוצות פונקציונליות (למשל, שכירי חרב היררכיים עם כימיה סלקטיבית באזורים שונים).

יישומים ברחבי מגזרי הסביבה

טיפול במים

צמחי טיפול במים עירוניים ותעשייתיים הם בעלי תועלת ראשונית של פחמן מופעל רב תפקודית מערכות המשלבות הסרת חומר אורגני טבעי, מיקרופולנטים (פרמצבטיים, חומרי הדברה), מתכות כבדות במיטה מסנן אחת יכול להפחית את מספר שלבי הטיפול ואת דוסינג כימי. לדוגמה, מסננים פחמן מופעלים ברזל הוצבו בקהילות כפריות כדי להסיר ארסית ובאופן בו זמנית, ללא סטנדרטי ישיבה נרחב.

בטיפול במים מתקדמים, כור פחמן מופעל היברידי מופעל פחמן-membrane להשתמש פחמן למודעות אורגנים השבירה בעוד membrane שומרת מוצקות. פחמן רב תפקודי כי גם מקטין פרסומות מדרגות אבקה באמצעות חמצון אוויר רטוב קטליטי מרחיב להאריך תוחלת חיים של קרום ולהפחית את ייצור הפעוט.

מיזוג אוויר

מערכות איכות אוויריות פנימיות פנים אל תערובות של תרכובות אורגניות נדחות, תחמוצות חנקן, דו תחמוצת גופרית, ו- microbial spores. מסנן פחמן מופעל מסורתי להיות רווי במהירות כאשר מתחרה מזוהים נמצאים. גירסאות מרובות תפקודיות עם תחמוצת מתכת בלתי מבוקרת (למשל, CuO, MnO2) יכולות לחמצן באופן רשמי ומולקולות אחרות, בעוד ששומרות על קיבולת של פחמן גבוהה יותר.

עבור פליטות ערימה תעשייתית, פחמן מופעל עם אשלגן או נתרן פחמן ללכוד גם גזים חומצה כמו HCl ו- SO2 יחד עם כספית vapor. פונקציה כפולה זו היא קריטית עבור עמידה בתקנות מרובות-פולנטים בתחנות כוח ו- Incinerators.

ניהול פסולת תעשייתי

משככי תעשייתיים מכילים לעתים קרובות תערובת מורכבות: צבעים, פותרים, מתכות כבדות, וסוכני chelating. Multi-functional מופעל פחמן יכול להיות מותאם לפרופיל הפסולת הספציפי.לדוגמה, פחמן פונקציונלי עם פוליאתינינין ומדמוצת ברזל מסירים צבעי anionic וכרום(VI) מפסולת באמצעות ממים משולבים באמצעות מודעות והפחתה לפחות רעילים (CIII) עם מתכות מתכת צהובות).

יתרונות וביצועים Metrics

אימוץ פחמן מופעל רב פונקציונלי מציע יתרונות מוחשיים על מדיה פונקציונלית אחת או רכבות טיפול רב-שלב:

(FLT:0) ,Reduced Footroughment: 1FLT 1 כור או מסנן יכול להתמודד עם מספר רב של אבקות, פשט פריסת צמח והורדת עלויות הון.
(FLT:0) אנרגיה וצריכה כימית: FLT:1 לנטרל שלבים נפרדים עבור הסתגלות pH, כפייה או חמצון מפחית הוצאות תפעוליות.
(FLT:0) חיים בשירות: חומרים מקודמים 1 (FLT:1 חומרים שגם מזהמים בעלי רמות קטליטיות יכולים להיות מרחיבים את עצמם, שנמשכים זמן רב יותר לפני צורך בהחלפתם.
(ב) מנגנוני הסרה מוכחים:0 (Imroved transfer יעילות: FLT:1 מנגנונים סינרגיסטים מניבים לעתים קרובות יותר את ההסרה הכוללת מאשר את כמות היכולות האישיות.
(FLT:0) קיימות: 1FLT:1 ניתן לחדש פחמן רב פונקציונליים רבים באמצעות טיפולים כימיים או תרמיים קלים, וחלקם עשויים מבשרי פסולת מתחדשים.

הביצועים מוערכים בדרך כלל באמצעות עקומות פורצות דרך עבור מערכות קבועות, מודעות מרובות-קופוניות הוא Otherms, ומחקרים קינטיים. Metrics כגון מדד ההסרה בו-זמנית (SRI) לכמת כיצד החומר מטפל בתערובת בהשוואה לתרחישים חד-קוטנטים.

אתגרים ושיקולים

למרות תוצאות מבטיחות, יש להתגבר על כמה מכשולים לאימוץ מסחרי נרחב:

(FLT:0 סינתזה: FIRLT:1) שינויים מתקדמים רבים (למשל, nano-functionalization) עדיין מוצגים רק בקנה מידה מעבדה.
(FLT:0) אלקטרוניקה לעומת יכולת מסחר-off:cioFLT:1 , הוספת קבוצות פונקציונליות יכול להפחית נפח pore וקיבולת מודעות פיזית. Balancing תכונות אלה עבור תערובת מטרות דורש אופטימיזציה זהירה.
(FLT:0) חידוש ושימוש חוזר: FLT:1 באופן סימולטי הסרת מספר רב של contaminants מסבך את ההתחדשות.לדוגמה, desorbing chelated מתכות עשוי לדרוש תנאים קשים שגם הם פסים קבוצות פונקציונליות.
השפעות מטריקס:0 (Matrix Effects: FLT:1) מים אמיתיים ומטבים אוויריים מכילים חומר אורגני טבעי, בצלים מתחרים, ומדיקות חלקיות שיכולות לפגוע על פני השטח או אתרי מסיכה פעילים.
(FLT:0)כדאיות ארגונומית: FLT:1 , פחמן רב תפקודי הם לעתים קרובות יקר יותר לקילוגרם מאשר ציונים סטנדרטיים.

מחקר מתמשך מתמקד בהתמודדות עם אתגרים אלה באמצעות עיצוב בהשראת ביולוגית, מודלים חישוביים וגישות כימיה ירוקה.

כיוונים עתידיים

התחום מתפתח במהירות, עם מספר דרכים מבטיחות עבור פחמן מופעל הדור הבא:

Bio-Inspired Surface Functionalization

הטבע מספק דוגמאות אלגנטיות של מחייב סלקטיבית, כגון חלבונים דבקים המחברים מתכות באמצעות קבוצות catechol. Mimicking עיצובים אלה באמצעות ציפוי פולידופאמין על פני השטח מופעל פחמן מניבים עשיר ב amino וקבוצות catechol, המאפשרים הסרת בו זמנית של צבעים אורגניים וצילומי מתכת.

Machine Learning-Guided Design

עם שטח פרמטר עצום (סוג קידוד, תנאי הפעלה, זהות דונט, צפיפות קבוצתית פונקציונלית), מודלים למידת מכונה יכולים לחזות יצירות אופטימליות עבור תערובת מסוימת contaminant. Databases של נתונים של מודעות בשילוב עם תיאוריים כמו הפצה בגודל pore, פוטנציאל zeta ואלקטרונית מאפשר בדיקות מהירה של חומרים ללא ניסויים ממצה.

חומרים עצמיים ותומכים

שילוב של מוליכים למחצה פוטו-קטליטיים (למשל, TiO2, ZnO) על פחמן מופעל יוצר חומרים שמנפיקים מודעות אוחסין אורגניות תחת אור UV או גלוי, יצירת אתרים של מודעות. בדומה, קבוצות מגיבות של Redox-responsive שמשחררות מתכות קשורות תחת פוטנציאל מבוקר לאפשר התחדשות אלקטרו-כימיקלית.

Green Synthesis from Waste Streams

באמצעות שאריות חקלאיות (rice husk, Sugarcane Bagasse) או חומרים תעשייתיים (lignin, שפכים) כבשרים מפחיתים את טביעת הרגל הסביבתית. Co-pyrolysis עם מלחי מתכת או ביושר יכול לייצר בו זמנית פחמן עם חלקיקים מבוזרים מתכת מבוזר, ביטול הצורך בצעדים של מזהמים נפרדים.

שילוב עם תהליכי חמצון מתקדמים

במקום לעמוד במודעות של פלדון, פחמן רב תפקודי יותר מעוצבים כמו רכיבים במערכות היברידיות.לדוגמה, מסובייק ברזל פחמן-ברזל יכול לשמש כזרז בכור דמוי פנטון, בו זמנית מסירים חלקיקים ו degrading contaminants מומס.זה מטשטש את הקו בין מודעות, סינון, טיפול כימי, המאפשר לכל יחידות טיפול חד-גופי.

מסקנה

פחמן מופעל רב תפקודי מייצג שינוי פרדיגמה מפרסומות חד-חמצני להנדסת חומרים המסוגלים לטבול תערובת זיהום מורכבות בשלב אחד.באמצעות כימיה משטח מבוקרת, היווצרות מורכבת, nano-functionalization, ו heteroatomping, החוקרים הוכיחו הסרת סימולטנות של מתכות כבדות, מיקרופולטים אורגניים, פתוגים, גזים, היתרונות במונחים של יעילות, וגמישות משולבת יותר, מחפשות ירוקות, מחפשות, מחפשות, לחץ דם, ומציאותיות, יציבות מלאכותית, מחפשות, ומציאות גבוהה יותר ויותר, אתגרים מתקדמים יותר, ומציאותיות, פיתוח, יציבות מלאכותית, ומציאותיות ירוקה, ופתרונות גמישה, פיתוח.

לקריאה נוספת על יסודות שינוי פחמן מופעל, ראה:0 (הסקירה מקיפה זו ב- ChemicalsveFLT:1 ). מחקרים של פחמן רב פונקציונלי בטיפול במים נדונים:2in Water Science & TechnologyFLT 3: 3 התקדמות לאחרונה בפחמן דו-פעמי עבור מודעות משולבות וקטאליזה מכוסה FLT:4in Nature Reports:5 LT 3.