活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭引入分子篩高效吸附環氧乙烷

　　環氧乙烷(EO)是生產乙二醇、防凍劑和其他基本化學品的重要化學品。然而，其高毒性、易燃性以及與空氣形成爆炸性混合物的能力對安全處理、儲存和工業應用提出了相當大的挑戰。高效的吸附技術對于從氣流中去除EO并防止其釋放到環境中是必不可少的。將活性炭引入分子篩代表了這一領域的一項有希望的進步，通過優化分子篩的結構和化學性質來提高EO吸附的效率。

　　分子篩及其在吸附中的作用

　　與活性炭相比，具有納米多孔鋁硅酸鹽骨架結構的分子篩具有結構穩定、耐腐蝕、耐高溫等優點，在吸附和催化領域有廣泛的應用。但由于比表面積小、孔結構單一，分子篩容易因反應產物在孔道中積累而發生自毒化。

　　活性炭的作用

　　活性炭是一種眾所周知的吸附劑，具有高表面積和優異的孔隙分布。它通常用于工業過程中的氣體凈化、VOC去除以及作為催化劑載體。活性炭主要通過物理吸附起作用，利用范德華力將氣體或蒸汽吸引并保持在表面。

　　活性炭之所以特別適合用于吸附過程，是因為它具有高度多孔的無定形結構，能夠吸附各種分子。它具有微孔和中孔，可以容納各種大小的分子，補充了分子篩的孔隙特異性。活性炭還具有利用功能基團改變其表面化學性質的潛力，從而增強其與目標分子的相互作用。本文以羧甲基纖維素為黏合劑，通過機械混合和擠出法制備了一系列 華活性炭分子篩復合材料(圖1)。

　　圖1：活性炭分子篩復合材料合成示意圖。

　　活性炭與分子篩結合的協同效益

　　通過將活性炭整合到分子篩中，研究人員探索出了顯著提高環氧乙烷整體吸附性能的協同作用。由于兩種材料的互補性，混合結構可以提高吸附能力和選擇性。

　　1、增強表面積和孔隙可達性

　　活性炭增加了可用于吸附的總表面積。碳結構具有更廣泛的孔徑，可以吸附僅靠分子篩可能無法有效吸附的EO分子。這種額外的吸附途徑可確保吸附更多的EO分子，從而提高總容量。

　　2、改進吸附動力學

　　將活性炭引入分子篩可加快吸附速度。活性炭對較小分子的吸附速度更快，有助于更快地吸附EO。碳的中孔結構有助于EO分子更容易擴散到分子篩的微孔中，從而提高整個系統的效率。

　　3、選擇性增強，競爭減少

　　分子篩以其基于孔徑的選擇性吸附而聞名，但當存在多種氣體時，它們會面臨競爭。活性炭具有非選擇性吸附機制，可吸附較大的非目標分子，從而減少對分子篩孔隙的競爭。這提高了分子篩專注于環氧乙烷的能力，同時防止吸附不需要的化合物。

　　4、熱穩定性和化學穩定性

　　活性炭為分子篩提供了額外的熱穩定性和化學穩定性。碳的抗熱降解性有助于延長分子篩在高溫環境下的使用壽命。此外，碳的惰性可保護分子篩免受反應性物質引起的潛在化學降解，尤其是在反應性吸附過程中使用環氧乙烷時。

　　結構分析

　　所制備樣品的SEM照片如圖2所示。活性炭具有豐富的大孔，平均孔徑為9.2μm(圖2a)，表明粘結劑的用​​量合適，未造成孔隙堵塞。圖2e顯示具有均勻的結構。活性炭分子篩復合材料由于分子篩的引入，表面顯得粗糙，如圖2b，f所示。隨著分子篩含量的增加，活性炭復合材料在活性炭表面出現了大量無序、交織的柱狀晶單元(圖2c，g)。令人驚訝的是，分布在活性炭表面的分子篩顆粒并沒有造成明顯的炭孔堵塞。隨著分子篩含量的進一步增加，分子篩顆粒密集地分散在活性炭表面，導致大部分炭孔被堵塞(圖2d，h)。

　　圖2：(a)活性炭、(e)分子篩、(b,f)活性炭復合材料-10%在不同放大倍數下的SEM圖像，(c,g)活性炭復合材料-20%在不同放大倍數下的SEM圖像，以及(d,h)活性炭復合材料-30%在不同放大倍數下的SEM圖像。

　　應用和未來前景

　　將活性炭集成到分子篩中用于吸附環氧乙烷，在化學制造、環境保護和氣體凈化等各個行業都具有巨大潛力。這種混合系統為EO吸附提供了一種經濟高效的解決方案，可最大限度地降低其工業用途相關的風險并確保符合環境法規。

　　此外，這種方法的模塊化特性允許設計針對除環氧乙烷以外的其他氣體或揮發性有機化合物的定制吸附劑。隨著行業面臨越來越大的減排和提高安全性的壓力，活性炭和分子篩的組合提供了一種多功能且可擴展的氣體吸附方法。

　　活性炭和分子篩的結合在環氧乙烷的吸附方面取得了重大進展。通過利用活性炭的高表面積和寬孔分布以及分子篩的選擇性，研究人員開發出了一種可提高吸附能力、吸附速率和穩定性的系統。隨著各行各業不斷尋求更安全、更有效的方法來處理揮發性化學物質，這種混合吸附技術有望在確保安全、可持續性和運營效率方面發揮關鍵作用。

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