2011活性炭孔径分布和表面化学性质对吸附影响的研究进展

。 [ 26] Soo- Jin P ark 等 研究 发现利用盐酸 改性
后的活性炭表面含氧官能团有所增加, 从而增加 了吸附活性点 , 有利于对 C r( V I) 的吸附。 Y ifeng [ 27] W ang 等 研究发现活性炭表面酸性较高的羧基 有利于对高锝酸盐的吸附。 Y H L i等
[ 28]
[ 30] [ 29 ] [ 13]
图 2 活性炭表面含氧官能团
2 1 2 含氮官能团 含氮官能团一般来源于利用含氮原料的制备 工艺过程和活性炭与人为引入的含氮试剂的化学 反应。含氮官能 团可能的 存在形式 有两类 酰胺 基、肽亚胺基、乳胺基、类吡咯基、类比嘧啶基 等
[ 19]
研究了臭氧化处理对活性炭表面官能团结构和 C r ( V I) 吸附的影响, 研究发现适宜的臭氧化处理时 间可有效提高活性炭对 Cr ( V I) 的吸 附容量, 活 性炭表面含氧酸性官能团数量和表面酸度的增加 是 Cr( V I) 吸附容量增加的主要原因 , 表面酸性 官能团 是 C r( V I) 吸附 的活 性 中心。李 湘洲 等 人
研究发
现活性炭表面含氧基团 ( 可能是内酯基和羧基 ) 是 捕捉汞元素的活性点, 具有较低 ( CO ) /CO2 及含 较少酚羟基表面官能团的活性炭对元素汞有较高 的吸附容量。 张丽丹等人 采用 常压流动吸附法 研究了 活性炭对二氧化碳的动态吸附性能, 研究发现在 活性炭表面适当接枝羟基官能团有利于提高其对 二氧化碳的吸附性能。汤 进华等人 通 过比较 各种活性炭和改性活性炭的吸附效果, 研究发现 经过强氧化性 HNO3 和 H 2 O2 处理后的活性炭有 利于对甲醛分子的吸附 , HNO3 改性增加了活性 炭表面的 C = O、 O C = O 等含氧官能团 的量, 从而改善了对甲醛的吸 附效果。刘守 新等人
煤 炭 加 工 与 综 合 利 用 No 1 , 2011
COAL PROCE SSING & CO M PREH ENSIVE UT IL IZAT I ON
49
活性炭孔径分布和表面化学性质 对吸附影响的研究进展
范明霞, 张 智
430068) (湖北工业大学 化学与环境工程学院, 湖北 武汉 摘
要 : 介绍了活性炭孔径分布及表面官能团的种类 , 分析了近年来国内外在活性炭孔径
[ 14] [ 13] [ 12]
。
研究
:
( 1) 吸附质分子尺寸远小于孔径, 吸附的分
发现活性炭的孔径分布在 0 5~ 1 7 n m 时 , 比较 适合吸附二氧化碳。刘植昌等人 主要研究了 3 种具有不同孔结构的沥青基球状活性炭对肌酐及 VB12的吸附性能 , 实验发现具有微孔结构的沥青 基球状活性炭对小分子肌酐的吸附性能较好; 具 有中孔结构的 沥青基球 状活性炭 对中分子 物质 VB12具有较好的吸 附性能。谭小 耀等
50 的化学性质决定。 1 活性炭孔隙结构 1 1 孔隙结构
煤炭加工与综合利用 Su W ei等
[ 5]
2011年第 1 期 研究发现椰壳基活性炭的孔径小
[ 6]
于 1 nm 时, 对吸氢有利。 Fusheng L i等 研究发 现活性炭孔径分布在 3~ 10 nm 范围内更有利于 有机大分子的吸附。 M A L illo- R denas 等
键力相结合 , 吸附过程受吸附剂表面 化学特性、 吸附质化学性质等因素影响。通常吸附质在活性 炭表面吸附是两种吸附共同作用的结果 , 活性炭 吸 附性能主要由活性炭孔隙的物理结构和孔表面 5 结 语
生产实践证明 , 采用超细搅拌球磨机技术制 备水煤浆 , 经济技术指标已达到要求, 生产工艺 参数合理、设备先进、产品质量及产量能达到预 定要求, 而且具有能耗低、直接加工成本低、经 济效益和社会效益显著等特点 , 具有良好的推广 前景。
[ 4] [ 3]
通过实验得出活性炭孔隙结构中,
小于 3 nm 的细孔占 97 4 % , 小于 2 nm 的微孔占 74 7 % , 对小分子物质吲哚的吸附能力较强, 而 对大分子物质胃蛋白酶的吸附能力较弱。杨骏兵 等人 考察了酚醛树脂基球形活性炭对 中小分 子 VB12和肌酐的吸附行为, 研究发现酚醛树脂基 球形活性炭对 VB12的吸附量和吸附速率主要决定 于总孔容和中孔率。 VB12分子尺寸大于 2 nm, 含 有大量中孔的活性炭有利于 VB12分子通过这些中 孔进入到球形活性炭的内部。张丽丹等
[ 11 ]
图 1 活性炭孔隙结构
不同孔径 的孔在 吸附过 程中发 挥的作 用不 同。大孔在比表面积中所占比例很小, 在活性炭 中常常成为吸附质分子的通道。中孔既是吸附质 分子的通道, 又在一定压力下发生毛细管凝结, 对吸附大分子起着重要作用。微孔的吸附作用最 大 , 对活性炭吸附量起着支配作用, 在很大程度 上决定着活性炭的吸附能力 1 2 对吸附性能的影响 按照吸附质分子尺寸和吸附剂分子尺寸之间 的关系 , 吸附情况可以分为以下 4种 子容易脱附 , 低浓度下的吸附量小; ( 2) 吸附质分子尺寸稍小于孔径, 吸附质分 子在孔内发生毛细凝聚, 吸附量大; ( 3) 吸附质分子尺寸约等于孔径大小, 孔隙 对吸附质分子的捕捉能力非常强 , 适合于极低浓 度下的吸附 ; ( 4) 吸附质分子尺寸大于孔径, 因分子筛作 用 , 吸附 质 分 子 无 法 进 入 孔 隙, 故 不 起 吸 附 作用。 可见, 在吸附操作中 , 吸附剂的孔径与吸附 质分子或离子的几何大小有一个匹配问题。据资 料报道 , 对吸附剂利用率最高的孔径和吸附质分 子直径的比值为 1 7~ 3 , 对需要重复再生的吸附 剂这一比值为 3~ 6 或更高。
[ 15]
研 究发
现活性炭在 1~ 4 nm 范围内的孔具有最高的脱硫 活性, 其脱硫容量随着该范围内孔体积的增加而 增加。 2 活性炭表面化学性质 活性炭的吸 附特性 不仅 取决于 它的孔 隙结 构 , 也决定于它的表面化学性质。化学性质不同 对活性炭的酸碱性、润湿性、吸附选择性等影响 [ 16] 较大 。
分布和表面官能团对吸附性能影响的研究进展情况, 对以活性炭孔隙结构和表面官能团为出发 点的研究提出了一些建议 。 关键词 : 活性炭 ; 孔径分布 ; 表面官能团 中图分类号 : TQ424 1 文献标识码 : A 文章编号: 1005 -8397( 2011) 01 -0049 -06 活性炭对物质的吸附作用有两种形式 : 物理 吸附和化学吸附。物理吸附主要表现为吸附质与 吸附剂之间通过物理性力 , 如范德华力、氢键等 相结合, 吸附过程受吸附质分子尺寸与吸附剂的 孔结构控制 ( 分子筛作用 ); 化学吸附实质是吸附 质与吸附剂表面基团之间发生化学反应 , 以化学
( 4) 磨矿介质的选取。超细搅拌球磨机能够 在高临界转速下对物料进行超细粉磨, 选用的高 耐磨介质球至关 重要。美国 A ttritor 超 细搅拌球 磨机试验也表明 , 成品粒度为 5 m 时, 选用 2 ~ 3 mm 介 质球最佳。当成品 粒度为 63 m 时, 选用 6 mm 介质球效果最好。另外根据经验公 [ 4] 式 F C 邦德简化公式 , 本实验选用 2 5 mm 的钢球作为磨矿介质。
[ 8]
研究发现活性炭孔径分布在 1 2~
。
10 nm 范围内更有利于二甲基异茨醇的吸附。 L ei [ 9] L i等 研究发现活性炭对三氯乙烯的吸附主要是 孔径为 0 7~ 1 nm 的微孔 , 对丁基醚的吸附主要 是 0 8~ 1 1 nm 的微孔 , 有效吸附剂的孔径应大 于目 标吸 附 质 分 子 直 径 的 1 3 ~ 1 8 倍。 Ana [ 10] S M estre 等 实验得出, 介质孔的存在使吸附质 异丁苯丙酸能进入到活性炭内孔 , 微孔孔径必须 大于异丁苯丙酸分子直径, 小于 0 7 nm 的微孔 对吸附不起作用。 吴颖等
收稿日期 : 2010-11-29 作者简介 : 范明 霞 ( 1979 ) , 女 , 湖 北武 汉人 , 2004年 毕 业于武汉科技大学化学工艺专业 , 工学硕士, 湖北工业大 学化学 与环境工程学院讲师 , 研究方向 : 吸附剂开发应用与吸附 机理研 究。
活性炭是一种优良的吸附剂 , 具有石墨微晶 结构、微孔发达、吸附能力 强、化学性 质稳定、 力学强度高 和再生 方便 等特 点, 已 在石 油、化 工、轻工、食品、医药、环保、国防、农业等诸 [ 1] 多领域得到广泛应用 。
[ 7]
研
根据国际纯化学和应用化学学会 ( I U PAC ) 提 供的分析标准 , 通常认为孔径 r 小于 2 nm 为微 孔 , 2~ 50 nm 为中孔 , 大于 50 nm 为大孔。图 1 所示即为活性炭的孔隙结构
[ 2]
究发现孔 径小 于 0 7 nm 的微 孔 对吸 附 低浓 度 ( 200 ppm ) 苯 和 甲 苯 起 主 要 作 用。 M atth ew F T ennant等
[ 20 - 25]
。
2 1 表面官能团 2 1 1 含氧官能团 含氧官能团是活性炭最主要的活性基团, 是 对活性炭吸附性能产生重要影响的化学基团, 一 般是原料炭化不完全或者在活化过程中活性炭与 活化剂进行化学反应而结合在表面上的。含氧官 能团在活性炭表面主要以羧基、酚羟基、羰基、 内酯基 及醌 基等形 式存 在, 其 化学 结构 如图 2 所示。
[ 31 ]
, 其结构如图 3 所示。 Nhomakorabea2 1 3 其他表面官能团 与含氮官能团类似, 含卤素、硫官能团一般 来源于利用含卤素、硫原料的制备工艺过程和活 性炭与人为引入的含卤素、硫试剂的化学反应。 2 2 含氧官能团对吸附性能的影响
分别用 HNO3、 H 2 SO 4 等对活性炭进行了表
面改性处理, 测定了它们的表面化学性能 , 研究 了改性活性炭对 Cr( ) 吸附性能的 影响, 研究 发现经过酸氧化表面改性处理 , 增加了活性炭表 面羧基的数量和 总酸度, 改性 后的活性炭对 C r