活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭浸漬氧化銅的去除乙烯

　　乙烯是一種植物激素調節劑，可刺激葉綠素損失并促進軟化和老化，導致水果變質并縮短采后保質期。乙烯即使在低濃度下也具有生理活性，測量范圍為百萬分率(ppm)到十億分率(ppb)，會導致新鮮農產品在運輸和儲存過程中迅速變質。商業活性炭已被用作各種農產品儲存和運輸過程中的乙烯清除劑。

　　迄今為止，用于去除乙烯的主要吸附劑有活性炭、沸石、有機聚合物和有機金屬結構，其中以活性炭為重點，它是去除揮發性有機化合物(VOC)最常用的吸附材料。與其他吸附劑相比，活性炭的優勢包括微孔結構發達、表面積大、機械強度高以及易于再生。然而，僅有這些特性不足以確保吸附過程更有效。提高活性炭對目標分子吸附選擇性的一種方法是相應地修改其化學表面性質。

　　通過摻雜高價金屬物質對活性炭進行化學改性，已用于提高對某些VOCs的吸附選擇性。首先，活性炭的多孔結構物理吸附所選金屬，高價金屬通過活性炭的化學表面基團還原。因此，負載鎂、鋅、銅和鋯氧化物的活性炭對丙酮和甲苯等VOCs表現出強烈的吸附作用，這可以通過VOC金屬氧化物的酸堿相互作用、表面官能團和吸附質的極性來解釋。此外，據報道，在用氧化銅浸漬的活性炭表面，一些含氧官能團被覆蓋，從而產生了更多的表面位點，甲苯的吸附就發生在這些表面位點上。另一項吸附實驗表明，在活性炭上引入CuO可以通過氫鍵顯著提高硅氧烷的吸附性能。

　　活性炭浸漬氧化銅分析

　　元素映射分析對應于浸漬氧化銅的活性炭的FESEM圖像。元素映射分析提供了有關該材料內不同元素的分布和組成的寶貴信息。元素映射揭示了活性炭樣品表面關鍵元素(包括碳(C)、氧(O)和銅(Cu))的空間分布。通過這項分析，我們可以直觀地看到氧化銅納米顆粒在活性炭基質中的分散情況，并評估浸漬過程的均勻性。值得注意的是，元素映射突出顯示了銅濃度高的區域，表明氧化銅已成功浸漬到活性炭基質上。

　　圖1：浸漬氧化銅的活性炭的FESEM圖像對應的元素映射分析。

　　乙烯在活性炭上的吸附機理

　　在恒定溫度下，當施加的濃度較低時，平衡吸附的乙烯量較低。隨著施加濃度的增加，吸附容量會增加，每個碳樣品的吸附容量都會達到最大值。由于活性炭樣品上提供了新的表面位點，因此CuO浸漬樣品的性能略高。這兩個樣品都呈現出最大的微孔體積，這表明吸附性能也與活性炭的結構特性有關。此外，CuO浸漬的活性炭樣品產生的活性炭具有較小的平均微孔直徑(1.36納米)，這是一個重要參數，可以解釋乙烯分子(動力學直徑約為3.9Å)與碳化學結構之間的相互作用。約為乙烯直徑兩倍的微孔更易于進入，避免了吸附物堵塞，有利于吸附性能。

　　水分對乙烯吸附影響的結果在圖2顯示。可以看出，水分的存在不會影響這里評估的所有活性炭樣品對乙烯的吸附。然而，在非活性炭的情況下觀察到了很大的差異，吸附能力降低了。這些結果表明，水分子不會阻塞發生乙烯吸附的活性炭表面位點。濕度是水果儲藏系統中的一個重要因素，低于理想范圍(通常~85%)，脫水和枯萎會增加。因此，吸附劑必須能夠在高相對濕度環境中吸附乙烯。由木質素廢料生成的活性炭似乎可以作為替代吸附材料，從高濕度的封閉環境中去除乙烯。

　　圖2：有無水分對乙烯吸附的影響：(A)未活化的活性炭，(B)活性炭，(C)浸漬氧化銅的活性炭，(D)氧氣氣氛中的活性炭。

　　使用活性炭去除乙烯似乎是通過多種吸附機制的組合進行的，這些吸附機制包括乙烯與羥基以及與活性炭表面上的銅的相互作用。因此，活性炭表面上的羥基官能團和乙烯分子之間可以形成氫鍵加合物。此外，吸附乙烯的π分子軌道將電子密度捐贈給金屬氧化物的空s軌道，導致CuO浸漬活性炭樣品的吸附容量增加。

　　活性炭浸漬氧化銅的去除乙烯，與其他生成的多孔材料相比，用氧化銅進行表面改性可提高乙烯吸附能力。這種活性炭的表面酸性有利于在浸漬CuO的活性炭樣品上有效吸附乙烯，其中由于表面OH基團和乙烯分子的相互作用以及氧化銅的空s軌道與乙烯分子C=C鍵的π電子之間的相互作用而形成氫鍵加合物。水分的存在不會影響巴魯活性炭樣品的吸附能力，這使得這種活性炭成為從高濕度的封閉容器中去除乙烯的極佳吸附劑選擇。未來的工作應側重于評估這種新型吸附劑在更年期水果儲存過程中的實際應用的再生性能和操作條件。

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