石墨碳氧化制备活性碳纤维表面酸性及吸附性能

石墨碳氧化制备活性碳纤维表面酸性及吸附性能

碳有机纤维（acf）比表面大，吸附性能好，再生能力强。与表面相比，可制造4000mg比面高的活性炭，但仍不能满足人们的需求。随着活性碳纤维的增加，活动收率降低，因此比表面无限期延长。为了更有效地开发出活性碳纤维的潜力，并具有独特的吸附性能，采用化学改性处理是一种明显的方法。活性碳纤维表面的不饱和键,以化学形式与其它原子和原子基团结合,构成独特的表面化学结构.在低于燃烧温度条件下,石墨微晶碳氧化生成的表面氧化物主要有羧基、酚烃基、内脂基、醌基等含氧官能团,还有含S,N,卤素等官能团.对表面特性的研究表明,表面各种官能团及酸碱性与吸附平衡有着密切关系:表面酸性降低,对酸性及中性有机物的吸附能力降低,对碱性有机物的吸附能力增强.1化学加热acf法通过气相氧化和液相氧化可以增强活性碳纤维的表面酸性.气相氧化:活性碳纤维在空气中低温度(300-350℃)下氧化,在表面产生含氧官能团,提高亲水性和表面酸性;液相氧化:活性碳纤维与HNO3,H2SO4等酸性溶液发生氧化反应,引入含氧基团,随着酸液浓度的提高,活性碳纤维表面酸性增强.活性碳纤维与Cl2,NH3反应可以使表面由非极性转变为极性.经化学处理的样品编号及表面化学处理方法为:H0——水蒸气活化法得到ACF,比表面积864m2/g;H1——将H0放入浓度为5%的HNO3水溶液中浸泡10min,取出后在80℃的恒温箱内烘干,使水与未与ACF表面反应结合的HNO3挥发掉;H2——将H0放入浓度10%的HNO3水溶液中浸泡10min,取出后在80℃恒温烘干;H3——将H0放入加热炉内升温至350℃,在空气中氧化10min后取出;H4——将H0放入加热炉内升温至300℃,通入少量氯气反应10min;H5——将H0放入加热炉中在氮气保护下升温至800℃,通入NH310min,然后在氮气保护下降温.2碳固定剂对so2吸附的影响2.1u3000酸液内酸钠缓冲液浓度测量用分析纯NaOH药剂配成0.1mol/L的标准氢氧化钠水溶液,分别称取化学处理前后的活性碳纤维样品H0,H1,H2,H3各1g,放入4个带密封塞的锥形瓶中,在每个锥形瓶中加入25mL标准溶液,在振荡器上振荡1h后,静置24h,然后过滤.用0.1mol/L的盐酸标准溶液滴定滤液,测量浸泡前后NaOH溶液浓度的变化,计算出每克样品消耗NaOH的摩尔数,即为样品表面酸性官能团总量.NaOH滤液的浓度C:C=V1VC0(1)C=V1VC0(1)式中,V为滴定用HCl标准液液的体积,L;V1为氢氧化钠滤液体积,L;C0为标准盐酸溶液的浓度,mol/L.样品消耗的NaOH摩尔数nn=V0C0−V0C(2)n=V0C0-V0C(2)式中,V0为浸泡前NaOH标准溶液的体积,L.实验及计算结果见表1.用氢氧化钠中和滴定法测定的酸性官能团主要有羧基、内脂基和酚羟基基团,它们可能存在的形式为:羧基,C内脂基,酚羟基.可以看出,经过化学处理后,活性碳纤维表面的酸性官能团含量有不同程序的提高.2.2acf的so2平衡吸附量测定静态吸附:将H0,H1,H2,H3的样品各1g放入SO2纯气体容器中,保持SO2气体压力不变,24h后,测定ACF的SO2平衡吸附质量百分数,结果列于表2;动态吸附:SO2恒定源的浓度为12mg/m3(是一般环境SO2浓度的100倍),以1.5L/min的速率将SO2与氮气的混合气体通过实验样品进行动态吸附,24h后,测量活性碳纤维对SO2的动态吸附质量百分数,结果列于表3.2.3活性碳纤维对含氮酸的吸附能力从表2的数据可见,化学改性后,活性碳纤维对SO2的静态吸附质量百分数增大幅度不大,不超过10%,表明ACF对纯SO2的静态吸附与含氧官能团的关系不是很大,而主要取决于ACF的比表面积和微孔结构,在静态下,SO2充满整个空间,ACF的不饱和力场很容易捕捉到SO2分子吸附到微孔内的表面上.将SO2动态吸附质量百分数与酸性官能团之间的关系绘于图1中,可以发现SO2的动态吸附质量百分数随活性碳纤维表面酸性官能团摩尔浓度的增多呈近似直线上升.在ACF的SO2动态吸附实验中,前10h内,各个ACF样品的SO2吸附率都在95%以上,以后吸附率逐渐降低.含有酸性官能团较多的ACF显示出强大的吸附能力,特别是在低浓度吸附质气氛中,优势更为明显.根据报道,PAN基活性碳纤维中含氮官能团以C?N,N?N形式存在,它们对SO2,H2S等有特殊的吸附能力.ACF表面化学处理后,在表面引入酸性官能团,吸附能力更强.经HNO3处理的ACF实质上就是引入了含氮、含氧的酸性基团,空气氧化处理的ACF也引入了含氧官能团.这些酸性官能团的引入,明显提高了ACF对低浓度SO2的捕捉能力,吸附能力显著增强.2.4a.acf-so2的动态吸附能力ACF表面是非极性的,SO2是极性分子,改变ACF的表面极性,对活性碳纤维的SO2动态吸附将产生影响.ACF与Cl2,NH3反应可以使ACF表面由非极性转变为极性,H4,H5样品的SO2动态吸附结果列于表4.从表4的数据可以看出,H4比H0样品的吸附质量百分数提高了45%,H5样品提高了65%,表明改变ACF的极性,有利于提高活性碳纤维对SO2的动态吸附能力.Cl原子与C原子结合,生成了含氮官能团,使ACF具有表面极性,除了不饱和力场的吸附力外,ACF又具有了一个对极性分子所特有的静电吸引力,增强了ACF捕捉吸附SO2分子的能力;NH3分子与C原子反应的结果,不仅改变了ACF的极性,同时在ACF的表面生成了含N,H,O等元素的官能团,它们都对具有极性、酸性氧化物分子SO2起到特殊的吸附作用.所以,经过NH3处理的ACF对SO2的吸附能力大大增强.3acf对酸性的动态吸附能力通过ACF表面化学处理可以改变ACF表面的酸碱性、极性,对SO2的吸附起到良好作用.用液相氧化和气相氧化的方法提高了活性碳纤