Giriş: Aktif Karbon Performansında Yüzey Kimyasının Eleştirel Rolü
Aktif karbon, çevresel remediasyonda en çok kullanılan reklamlardan biri olarak kalır, endüstriyel arıtma ve kimyasal işleme. olağanüstü reklamlarorptif kapasite kökleri olağanüstü yüksek yüzey alanından oluşur, genellikle 1000 m)[D][Döneticileri iyi gelişmiş bir gaz pompası ile birleştirin.
Karbon Etkinliğini Anlayın: Precursor'dan Porous Material
Aktivasyon, karbonaceal bir öncüyü büyük bir iç yüzey alanı ile oldukça göze alan bir termokimyasal süreçtir. Süreç aslında farklı boyutlardaki bir ağ oluşturur - 2 nm'den daha az), mesopores (2-50 nm), ve makroporasyonlar (ve aynı anda 50 nm'den fazla) - ve aynı zamanda heteroatomlar, özellikle oksijen, azot ve sulfur, pore duvarlarına.
Fiziksel Aktivasyon Versus Kimyasal Aktivasyon
İki birincil aktivasyon rotaları vardır: fiziksel (veya termal) aktivasyon ve kimyasal aktivasyon. fiziksel aktivasyonda, öncül karbonatlı (piste) bir atmosferde, sonra buhar gibi oksitleyici gaza maruz kalır, CO)) veya yüksek sıcaklıklarda (suygun) veya karbonatlı ısıtılır (sıkırık)
Ortak Precursors ve Onların Etkileri
Öncül seçimi, ilk karbon yapısını ve yüzeyselleştirme potansiyelini önemli ölçüde etkiler. Ortak öncüler kömür (bituminous, ligni), Şok kabukları, ahşap (hardwood, yumuşakça), peat ve sentetik polimerler örneğin, Şok kabukları yüksek yoğunlukta ağırlıklı olarak mikrogözlü karbon reaksiyonları sağlarken, ahşap bazlı karbonlar liglerden daha fazla mesopore ve lignocellosic matrisinden miras alan daha yüksek bir oksijen içeriğine sahip olma eğilimindedir.
Anahtar Aktivasyon Parametreleri ve Yüzey Kimyası Üzerine Etkileri
Aktivasyon Sıcaklık
Sıcaklık, hem fiziksel hem de kimyasal aktivasyondaki en etkili parametredir. Sıcaklık tedavisi sırasında, birkaç rekabet işlemi gerçekleşir: karbonizasyon (removal of uçucu matter), porselen yapının gazlaştırma (fiziksel) veya kimyasal etching (kimyasal), ve termal arka-siyonel grupların stabil veya oluştuğu sıcaklık pencere.
Düşük sıcaklıklar (400-600 °C), oksijenli gruplar, karboxyl (-COOH), lactone ve fendi -OH egemendir, çünkü oksijen kolayca iyonik ve aktif siteler üzerinde kalır. Bu gruplar karbonu bir hidrofilik, asit yüzeyi yükselir.
Buhar veya CO ile fiziksel aktivasyon için)2), sıcaklık aynı zamanda karbon gazlaştırma oranını kontrol eder. Yüksek sıcaklıklar yanı sıra, artan pore hacmini hızlandırabilir, ancak aynı zamanda yüzey alanı gelişimi ve fonksiyonel grup tutma oranı arasındaki boşluk da dikkatlice kontrol edilememelidir.
Zaman Aktivasyonu Zaman Aktivasyonu Zaman Aktivasyonu Zaman
Aktivasyon adımın süresi, daha yüksek karbon matrisi ve kimyasal modifikasyonu belirler. Kısa aktivasyon süreleri ( birkaç saat boyunca) genellikle yüksek miktarda mikropora sahiptir ve toplam yüzey alanını azaltırken, toplam yüzey alanını azaltır.
Yüzey kimya perspektifinden, genişletilmiş aktivasyon zamanı genellikle belirli kirleticiler için adsorasyon kapasitesinin yoğunluğunu artırır. Bununla birlikte, atmosfer oksitlenirse, daha uzun maruz kalma da, daha sonra karbonat grupları gibi yüzeyselleştirme ürünlerine neden olabilir, bu da bazı kirleticiler için adsorpsiyon kapasitelerini azaltır.
Gaz Atmosphere (O oksiting vs. Inert)
Fiziksel aktivasyonda, oksitleyici gaz seçimi derinden etkiler. Steam aktivasyon: H)[Dörtücük) COMA (D) ile birlikte, CO2 (C + CO) ile daha az karbon reaksiyonları oluşturabilir.
Kimyasal aktivasyon için, atmosfer genellikle inert (N)2), Arphosphorus-kapıları (fosforos-kozmik asitler) ve diğer heterojenleri güçlendirebilir. Örneğin, H).
Kimyasal Ajanlar: Yüzey Fonksiyonelliği
Aktivasyonta kullanılan özel kimyasal, yüzey kimyasını yönlendirmek için güçlü bir araçtır. Aşağıda en yaygın ajanlar ve etkileri:
- [FONT:0)Pyum Hidroxide (KOH): ) KOH aktivasyon (yaklaşık 700-900 °C, KOH: 2-4:1) ultra yüksek yüzey alanları (>3000 m[D:2)) temel siteler (parçalı mikrogözlü bir mikrogözlü yapı ile) ve yüksek çözünürlükte COH'nin azaltılmasını içerir.
- [FONT=0)Phosforic asit (H)3|Dönetici[Dönetici: 4 )[Dönetici:[Dörtüncü)[Dörtücük asitler ve polifotozlerin yüzeydeki formasyonlar (400-600 °C) şeklinde kullanılır.
- [FONT=0)Zinc klorür (ZnCl)2)[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜN
- [FONT:0)Sulfuric asit (H[DÜT:1)[D][/FONT][/FONT=3) ve diğer asitler:[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜ) ve diğer asitler:[DÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜN
Yüzey Fonksiyonel Gruplar ve Asit-Base Karakterleri Üzerine Aktivasyon Parametrelerinin Etkisi
Aktif karbon yüzeylerde mevcut fonksiyonel gruplar asit olarak geniş bir şekilde sınıflandırılabilir (karboxyl, lactone, ol, ol) veya temel (pione, kromne, karbonil, ether ve }}-basic siteler).Bu grupların göreceli miktarları pH)PZC, hidroksitsite ve iyon-exchange kapasiteyi belirler.
Oksijen-Contions
Oksijen aktif karbon yüzeylerdeki en yaygın heteroatomdur. Oksijen gruplarının dağılımı aktivasyon koşulları için son derece hassastır:
- Düşük sıcaklık oksidasyon (düşük 400 °C) ve kısa aktivasyon süreleri, güçlü asitli (pK[D:0)a) -3-5).
- Oküler sıcaklıklar (400-700 °C) oksitlenen atmosferde, karboxyl, hidroxyl ve karbonil gruplarının bir karışımı üretir. Hidroxyl gruplar su ve kutup reklamlarla hidrojen bağına katkıda bulunur.
- Yüksek sıcaklık tedavileri inert veya hafif bir şekilde oksitlenme atmosferi (above 800 °C) dekompresyon en araba kutusuyl grupları, daha istikrarlı karbonil ve ether gruplar bırakarak.
- KOH ile yüksek sıcaklık sonuçları ile küçük oksijenle ancak yüksek temelite nedeniyle 407-electrons ve canlı potasyum izlerinin bulunduğu.
Nitrojen-Concing Grupları
Çoğu öncüde doğal olmasa da, azot grupları amonyak (NH) 3) veya azot zengin öncüleri kullanarak (örneğin elektrik iletkenliği geliştirmek ve özellikle de kullanışlıdır.)
Yüzey asitliği ve pH)PZC).
Sıfır şarj noktası (pH[DÜT:0)PZC[DÜT:1) sıfırdır.Seks parametreleri doğrudan doğruya doğru değiştirir.[Döneticileri tahmin etmek için: pH)PZC) , yüzeyin üzerinde olumlu bir şekilde şarj edilir; Yukarıda, yüzeyin üzerinde negatif olarak pH[DÜye Olmayanlar için sıfıra doğru hareket eder.
- Düşük sıcaklıklarda buhar veya hava ile ısı aktivasyon (≤ 600 °C) pH[D:0)PZC) 3-5 değerleri (acidik).
- Yüksek sıcaklık buhar aktivasyon (≥ 800 °C) veya karbonizasyon hafif oxidasyon pH)PZC[D) yaklaşık 6-8 (near tarafsız).
- KOH ile kimyasal aktivasyon, pH ile karbon üretir)PZC).
- H)3)PO)) Aktivasyon verimleri pH)PZC) 3-5 aralığında, rezihinsel fosfat grupları nedeniyle.
Masa: pH[D:0)PZC) farklı aktivasyon yöntemleri için aralıklar.
| Activation Method | Typical pHPZC | Dominant Functional Groups |
|---|---|---|
| Steam physical (low T) | 3–5 | Carboxyl, lactone |
| Steam physical (high T) | 6–8 | Carbonyl, ether, quinone |
| CO2 physical | 5–7 | Carbonyl, ether |
| KOH chemical | 8–11 | Basic C=C, carbonyl |
| H3PO4 chemical | 3–5 | Phosphate, hydroxyl |
Yüzey Kimyası için Karakterizasyon Teknikleri
Yüzey kimyası ile aktivasyon parametrelerini ilişkilendirmek için, analitik yöntemler bir süiti kullanılır:
- [FONT=0)Boehm titrasyon: [DÜDÜDÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜ: 0 (DÜŞÜN) [DÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜ
- [FONT:0)Dör-transform kızılötesi spektroskopi (FTIR): [C=O, O-H, C-O ve P-O bağlarının varlığını haklı çıkarırken, yüksek ışık absürtleri nedeniyle çok daha az kanonik karbonlar için daha az sayısaldır.
- [FONT:0)X-ray fotoelectron spektroskopu (XPS): [Dönetici: [Dönetici: 0,0) Karbon, oksijen, azot ve fosfor ve fosfor (örneğin, piridinic'yi kuternary N'den ayırt etmek).
- [FONT:0)pH sürüklenme yöntemi: [DÜT:1] pH[D:2)PZC) Çeşitli başlangıç pH'da karbon dengesini ölçerek,
- [FONT:0]Temperature-programlanmış dehidrasyon (TPD): [DÜDÜSTR: 1) CO ve CO[2][D][3][/FONT=2][/FONT=2][/FONT=D][/TRNT=3][/FONT=2|D][/FONT=3][/FONT=3][/FONT=2|D=3][/FONT=)) ısıtılmış ısı ve oksijen gruplarının ısıtılması.
Özel uygulamalar için Yüzey Kimyasını İyileştirmek
Yüzey kimyasının en son amacı, hedefli ayrılıklar için maksimum performansla aktif karbonları tasarlamaktır. Aşağıda aktivasyon parametrelerinin nasıl ayarlandığı örnekleri şunlardır:
Ağır Metal Yokluğu (e.g., Pb[DÜT:0)2+), Cd|2+), Hg+[FLT: 5)
Reklamcılıkçı metaller, bol karboxyl ve hidroxyl gruplar ile asitli bir yüzey faydalı çünkü bu gruplar H) ile aktivasyon )3|xl[D][/FONT][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=S][/FONT=S][/FONT=S][/FONT=S][/FONT=S][/FONT=FONT=FONT=I][/FONT=STRNT=I=FONT=STRNT=FONT=FONT=FONT=I=I=FONT=I=I=FONT=I=FONT=I=I=FONT=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=TR][/FONT=I=
Organik Kirgant Bağırsak (Phenols, Dyes)
Organik bileşiklerin asitleri hem de yüzey kimyası için bağlıdır. Hidrofobik organikler için, düşük oksijen içeriği (steam aktivasyon yüksek sıcaklıkta veya KOH aktivasyon) yüksek sıcaklık ile etkileşime girerler. # 1-235 yığınlama ve hidrofobik etkiler için, oksijen grupları hidrojen bağ ve elektrostatik etkileşimleri sağlar.
Gaz Purification (H)2S, CO).
H)2))) Temel yüzeylerde en iyi reklamlarorbeddir.[/FLT:0)KOH-aktif karbon molekülleri yüksek temel ve dar mikroporlar, yüksek karbon etkileşimlerinin bir kombinasyonu için idealdir.
Sonuç ve Future Yol
Aktif karbonun yüzey kimyası, belirli adsorpsiyon sorunlarının tasarımını yapmak için bir intrinsic özellik değildir, ancak aktivasyon sürecinin topaklanabilir bir sonucudur.Inkütüre göre, zaman, gaz atmosferi ve kimyasal ajanlar, bu ticaret-offların yoğunluğu ve tipi, belirli bir mikro/eşital gelişim ve kimyasal işlevselliğin kontrol edilmesi için yol göstericilerin temel kimyasal parametrelerini ve yüzeysel parametrelerin daha iyi hale getirebilir.