活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　芳香族化合物常用于化學工業。它們通常在制造過程中用作原料和溶劑。苯屬于化學工業生產水中常見的污染物類別，近期化學工業廢水造成的環境污染成長速度驚人。因此，為了除去這種危險的化合物確保安全供水。本文提出了一種環境無危害的方法，用1-己基-3-甲基咪唑雙(三氟甲基磺酰基)酰亞胺改性活性炭。這種官能化改性試過提高活性炭的表面積和孔體積來同時增強活性炭的去除效率，并降低該方法的總成本。原始和官能化形式的活性炭通過使用氮吸附/解吸，熱重分析，XRD分析和掃描電子顯微鏡，進行了批量吸附實驗測試。

　　活性炭具有高比表面積和表面積與體積比，復雜的表面特征，是一種介孔吸附劑。這種表面化學是決定吸附劑吸附能力的一個因素。然而，這種表面化學與表面基團直接相關。這些表面基團可以通過熱處理，酸處理和堿處理輕松修改。此外，由于離子液體具有獨特的可調特性和多種特性(極低的蒸氣壓，高的熱穩定性和化學穩定性，不易燃性和高溶劑容量)和環境友好性，因此作為酸性或堿性改性的替代物而備受關注。為了確保共價鍵合，它們充當活性炭和其他組分之間的粘合劑。我們選擇1-己基-3-甲基咪唑雙(三氟甲基磺酰基)酰亞胺。在常規位置使用龐大的基團增強了表面活性劑的分散能力。但是，甲基避免了化合物中的去質子化。此外，最常用的是基于咪唑的離子液體，因為它易于分散并且鏈長較長，具有高完整性和穩定性，這取決于所用的陰離子。另一方面，疏水基團增加了表面活性劑在水性介質中的溶解度，因為全氟磺酰亞胺形成具有低粘度和高電導率的水解穩定的疏水性離子液體。

　　在本文中，選擇活性炭作為吸附劑在水溶液中吸附苯。通過離子液體處理進行活性炭的改性，以在石墨結構表面上引入含氧官能團，并在詳細表征，動力學和等溫線研究的幫助下證明比較用離子液體官能化的活性炭與原始活性炭對苯的去除效率。

　　改性和非改性的活性炭特征對比

　　孔結構的對比

　　圖1a中示出了原始和改性活性炭的氮吸附/解吸等溫線。等溫線的初始曲率定義了單層覆蓋，圓形膝蓋是改性活性炭中存在一些微孔的證據。改性活性炭的更寬，表明與原始樣品相比，單層覆蓋范圍更大。這種大的單層覆蓋率意味著改性活性炭具有比普通活性炭大得多的表面積。由于表面積是孔徑和孔數的函數。因此，孔徑分布表示化學處理對氧化后活性炭性能的影響，如圖1b所示。很明顯，與非官能化樣品相比，離子液體改性樣品中的微孔尺寸分布非常明顯，這是由于氧化劑通過石墨結構擴散為基質而在框架中產生孔隙。因此，觀察到這些微孔的產生有助于提高活性炭的吸附能力。

　　圖1：氮吸附/解吸等溫線和活性炭的粒度分布。

　　掃描電子顯微鏡表征

　　原始和改性活性炭的形態行為總結在圖2中。兩種不同的放大倍數(10μm和1μm)用于檢測官能化前后的表面形態。很明顯，活性炭在官能化之前由不規則的異質表面組成。在用離子液體進行表面改性后，沒有觀察到對結構的明顯損壞。表面粗糙度從離子液體處理逐漸得到改善，離子液體處理與引入含氧官能團有關。此外，通過在官能化后在結構中引入小的和更大的孔，已經批準了活性炭的無定形性質。據信這些微球是高比表面積和總孔體積的原因。改性活性炭在其結構中顯示出更多的孔隙，這意味著除了制備方法之外，活性炭的形態很大程度上取決于所用的氧化劑。

　　圖2：FESEM。

　　熱重對比分析

　　在改性之前和之后的活性炭的熱重分析使得能夠確定它們的熱穩定性以說明計算的最佳條件。該圖(圖3)表明，在與水分蒸發相關的第一區域中，原始和離子液體處理的活性炭的熱穩定性分別為71.03%和99.97%。即使在羥基降解后，離子液體處理的活性炭的熱穩定性也高于活性炭的熱穩定性。原始和氧化活性炭之間的重量損失差異可歸因于活性炭上羧基取代導致的親水性變化。在由于碳分解而發生快速重量損失的第二階段中，原始和離子液體處理的活性炭的熱穩定性為11.32%和98.86%。第三次重量損失與化學結構在795℃左右的分解有關，其中原始和離子液體處理的活性炭顯示11.85%和9.44%的穩定性。原始活性炭中的剩余材料很可能是在其他氧化處理中去除的催化劑，并且改善了表面改性活性炭的總純度。結論，改性活性炭樣品表現出高得多的熱分解溫度，這表明吸附劑的熱穩定組合。熱穩定性的這種增加可能是由于增加的分子間相互作用和1-己基-3-甲基咪唑三氟磺酰亞胺的配位性質。

　　圖3：TGA曲線。

　　苯吸附研究方法

　　吸附動力學研究。吸附動力學模型用于評估吸附機理的速率和吸附劑去除疏水性污染物的效果。在這項研究中，改性活性炭對苯的吸附數據由三種眾所周知的動力學模型擬合，即假一級，偽二級和粒子內擴散模型。吸附等溫線研究。為了設計吸附系統，使用吸附等溫線。

　　改性后的活性炭由于表面改性，在微孔和中孔范圍內獲得了具有寬孔隙分布的高表面積和孔體積。在建議的改性途徑下，活性炭表現出有希望的性能。隨后，該官能化導致在石墨碳網絡結構的表面上引入含氧配合物，這最終導致改性活性炭的吸附能力增加。苯的消除在批量實驗中進行，活性炭與改性活性炭相似的實驗條件下，改性活性炭對苯的去除率較高。

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