活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭改性后吸附丙酮，活性炭使用氧化鎂改性后用于吸附丙酮。本期研究使用X射線衍射，掃描電子顯微鏡，透射電子顯微鏡和氮吸附等溫線測量來表征五種改性活性炭復合材料的結構和化學特性。研結果表明，活性炭含有適當的氧化鎂可有效提高丙酮的吸附能力，歸因于氧化鎂納米粒子與丙酮分子之間的強化學吸附，所以改性活性炭可以很好的吸附丙酮。

　　空氣污染有很多原因最主要的是揮發性有機化合物，即使在很低的濃度下也會清晰的聞到臭味，并且帶有一定的致癌性。要如何趨勢這類空氣污染呢，目前有幾種方法可以用來減少空氣污染包括冷凝、蒸餾、生物處理、催化氧化和活性炭吸附。

　　丙酮是一種氧化的揮發性有機化合物，使用活性炭物理吸附不一定能很好的去除丙酮，所以化學吸附也是一種完善的方法。有數據證明一些金屬氧化物材料對丙酮具有出色的吸附能力，例如氧化鎂是一種堿土金屬氧化物，在常溫下可以很好的吸附丙酮。然而氧化鎂的吸附量有限不能大面積改善空氣環境，因此我們使用活性炭與氧化鎂結合使得吸附能力和吸附量的協同。

　　圖1、不同氧化鎂含量的改性活性炭的圖像：(a)活性炭，(b)活性炭中氧化鎂含量5%，(c)活性炭中氧化鎂含量10%，(d)活性炭中氧化鎂含量20%，(e)活性炭中氧化鎂含量30%和(f)活性炭中氧化鎂含量10%放大的SEM圖像。

　　形態學分析

　　采用掃描電子顯微鏡技術觀察了不同氧化鎂含量的改性活性炭表面物理形態。顯微照片如圖1所示。在活性炭的情況下(參見圖1a)，碳單塊的骨架在未改性的活性炭樣品的表面上沒有缺陷或裂縫。然而，觀察到合成的改性活性炭(參見圖3b-e由于高溫活化過程，塌陷成小塊并形成大量通孔。此外，隨著浸漬濃度的增加，越來越多的氧化鎂顆粒被支撐在活性炭的表面上。可以清楚地看出，隨著氧化鎂的量增加，活性炭的表面變得粗糙。參考圖3f中放大的SEM圖像，復合材料表面的氧化鎂顆粒呈現無序的小球形結構并且彼此重疊以產生“葡萄”形態。這一事實意味著隨著煅燒溫度的增加，由于在高煅燒溫度下的顆粒聚集，顆粒尺寸增大。

　　為了進一步揭示改性活性炭的微觀結構，我們進行了TEM，選擇區域電子衍射(SAED)和能量色散譜(EDS)測量。由于所有樣品具有相似的形態，因此選擇活性炭中氧化鎂含量10%的樣品作為典型實例。TEM圖像(參見圖2a)顯示樣品由許多小的氧化鎂納米晶體和碳基質組成。圖2b顯示改性活性炭的HR-TEM圖像。層間距為2.1的氧化鎂晶格條紋歸因于立方氧化鎂的(200)晶格面。相應樣品的SAED圖案(圖2b的插圖)顯示明亮的圓圈環，表明所選區域中氧化鎂的多晶性質。分配給氧化鎂的(111)，(200)，(220)和(222)反射的衍射同心環是明顯的，并且結果與從XRD數據獲得的氧化鎂平面一致。如圖2c-e所示，EDS映射結果表明鎂和氧元素均勻分布在活性炭表面而不是明顯的聚集。

　　圖2、(a)TEM和(b)改性活性炭氧化鎂含量10%樣品的HR-TEM圖像，(b)的插圖是相應的SAED圖案。(c-e)改性活性炭氧化鎂含量10%樣品，鎂和氧的EDS映射元素。

　　活性炭丙酮吸附實驗

　　活性炭丙酮吸附實驗系統如圖3所示。丙酮突破實驗在裝有水套的玻璃管柱中進行，以保持25℃的恒定溫度。氮氣系統由兩部分組成并由質量流量控制器控制，一個分支通過丙酮氣體發生器獲得的高濃度蒸汽。同時，為了調節丙酮蒸氣的濃度，氮氣通過另一個分支進入氣體混合室稀釋高濃度丙酮蒸氣。隨后，將氣態混合物在25℃恒定溫度和大氣壓下引導到活性炭上。通過氣相色譜儀在線監測氣體經過活性炭的輸出濃度。

　　圖3、用于丙酮吸附的等溫吸附裝置。

　　丙酮吸附研究

　　丙酮吸附的典型結果如圖4a所示為穿透曲線�？紤]到絕對濃度的多樣性，然后將所呈現的濃度標準化，范圍從0到1通過從丙酮穿透曲線計算的區域的數值積分來評估吸附容量。值得注意的是，在所有吸附實驗中出口丙酮濃度均為零，表明在穿透之前徹底清除了丙酮。每個實驗中使用的樣品量為0.2g。

　　圖4、(a)突破曲線和(b)丙酮在具有不同氧化鎂含量的純氧化鎂和改性活性炭上的吸附等溫線。

　　如圖4a所示，六種滲透曲線的發展趨勢在一定溫度(25℃)和濃度(85.21m3 g-1)下是一致的。具體而言，曲線非常溫和地開始，而一旦突破發生，濃度就會急劇增加。隨著時間的推移，觀察到濃度逐漸穩定。改性活性炭氧化鎂含量10%的樣品吸附容量在所有樣品中排名第一。穿透時間定義為出口濃度為入口濃度的10%時的時間。每個樣品的穿透時間也不同，丙酮在改性活性炭氧化鎂含量10%中的穿透時間最長，表明其優異的丙酮捕獲能力。

　　總之，已經開發了一種簡便且可控的方法，通過蒸發誘導的自組裝過程與隨后的熱解處理的組合，使用乙酸鎂作為鎂源，制備由氧化鎂納米復合材料改性的活性炭。改性活性炭氧化鎂含量10%的復合材料具有顯著的丙酮捕獲能力。值得注意的是，增加氧化鎂含量將大大增強丙酮在活性炭上的化學吸附，但同時降低物理吸附。量子化學計算表明，改性活性炭的電子性質是其對丙酮的高吸附能力的原因，其相互作用屬于化學吸附。這種簡單的合成使得活性炭能更好的吸附丙酮。

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