活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　電處理是施加到某些材料表面的高壓和高頻放電。該設備通過放電使電極和基板之間的氣體(O3，O2)電離而引起表面氧化，從而在表面上引起共價反應并改變材料性能。然而，盡管已經研究了類似的處理方法，例如等離子體處理和空氣介電勢壘放電，但該處理方法尚未用于引起活性炭的表面改性。因此，本研究的目的是評估電處理(放電)對商用活性炭表面改性的影響。表面改性可能導致活性炭具有不同的性能。在這項研究中，使用粉末狀的活性炭。活性炭在距源4.5厘米高的不同暴露時間(2、5、8和10分鐘)進行電處理。為了觀察處理引起的差異，對活性炭進行了酸度，表面官能團，傅立葉變換紅外光譜(FTIR)和熱重分析。

　　材料和方法

　　在這項研究中，使用了活性炭。活性炭經過三維表面電擊設備， 0.5 kW功率，220 V和60 Hz的頻率產生的放電(圖1)。

　　圖1：電擊設備(a)控制箱、(b)電擊頭、(c)排放頭、(d)表面處理布置。

　　電處理用于促進樣品的表面氧化。將樣品放在鋁箱中(圖1d)，目的是為了均勻處理并避免過程中的損失，因為活性炭呈粉末狀，并且與放電接觸會造成損失。使用了四種電處理，改變了樣品對放電的暴露時間。標準處理方法之一(T1)。因此，在該處理中沒有進行曝光放電。其他處理的曝光時間分別為2、5、8和10分鐘(分別為T2，T3，T4和T5)。每次處理稱重約2.0 g的活性炭。電擊頭部高度確定為4.5厘米。

　　表面分析和功能組

　　活性炭表面化學的研究非常重要，因為對于某些應用，吸附劑和被吸附物之間的反應或相互作用是必要的。表面化學與活性炭表面上官能團的存在及其特性有關。可以觀察到，盡管有些變化，但是隨著電處理的暴露時間的增加，酸度有增加的趨勢。因此，可以推斷出表面氧化是通過氧原子的插入和借助化學鍵形成官能團，從而改變了活性炭的表面化學而發生的。通過暴露于電處理而發生的化學反應促進了材料表面原子與該處理所結合的原子(主要是氧原子)之間形成共價反應。共價反應是由放電引起的氣體電離產生的。

　　由于處理而引起的不同官能團的數量。通常，與其他官能團相比，主要官能團是羧酸。除酸度外，由羧酸形成的基團數目也有增加的趨勢，同時增加了電暈處理的暴露時間。這個事實可能解釋了酸性增加的趨勢，因為這些基團是強酸，并且是活性炭酸性的主要成分。隨著暴露時間的增加，羧基的形成是由于表面氧化，活性碳與大氣中的氧之間形成了共價鍵。同樣，暴露時間的增加可能會降低來自活性炭的電子密度，從而降低活性炭的還原性能。

　　傅里葉變換紅外光譜(FTIR)

　　處理過的和未處理過的活性炭的光譜如圖2所示。根據光譜，基本上有兩個主要的帶，它們根據分子振動具有活性炭。3500 cm-1處的譜帶對應于OH拉伸，主要是羧酸官能團。1600-1700 cm-1處的譜帶對應于酚基中羧酸或內酯的C=O拉伸。

　　圖2：來自活性炭未處理和電處理過的FTIR光譜。

　　熱重分析(TGA)

　　熱重分析如圖3所示。可以觀察到處理過的和未處理過的活性炭的降解情況。這種分析可以評估高溫下的熱穩定性以及某些結構隨溫度的退化。

　　圖3：在N 2氣體下未處理的活性炭和相應的處理的熱重曲線。

　　根據圖3，不同的處理導致熱分解曲線有所不同。此外，不同處理的殘留質量也有所不同，處理T1，T4和T5呈現更高的殘留質量，表明這些處理具有更高的耐熱性。處理T2和T3的殘留量較低，表明處理的耐熱性較低。此外，這些處理在后期殘留質量之間存在重大差異而脫穎而出。根據處理(電擊時間)，降解曲線的差異可能與表面上不同官能團的存在有關。在熱過程中，由于存在的官能團，會形成不同的產物，從而導致更高或更低的質量損失，因為活性炭的熱分解反應了其表面上官能團的存在。然后，官能團的類型和數量都會影響熱重曲線。但是，由于表面官能團的降解與其結構不同，因此官能團的類型具有更大的影響，并且可以解釋處理之間的差異。

　　活性炭的表面改性和吸附性能

　　這項研究的表面改性活性炭在通過質地和吸附能力進行了表征和測試。表面改性受到電處理的影響。這些結果與時間電擊有關，與未處理的活性炭完全不同。通過吸附等溫線(陽離子和陰離子)，動力學吸附，表面積和掃描電子顯微鏡對表面改性的活性炭進行評估。電暈處理影響了陰離子和陽離子染料的吸附。由于表面化學和質地特性的差異，電處理過的活性炭在吸附這些不同分子時具有不同的行為。然而，由于質地特性的下降，電暈處理會對吸附產生負面影響(亞甲藍減少25%，剛果紅減少14%)。吸附平衡的處理之間存在差異。這些差異是由于活性炭的表面修飾。表面積和孔隙率受到電處理的影響。掃描電子顯微鏡顯示，比較了原始活性炭和經過處理的活性炭，發現孔隙被放電破壞。

　　我們評估了電處理對商用活性炭表面改性的影響。電處理根據放電時間對活性炭進行了表面改性。發生這種修飾是由于表面氧化反應，特別是C和O原子之間的共價鍵。反應通過氣體的電離發生，使表面更具反應性。通常，處理過的活性炭具有較高的酸度，較高的羧酸含量，氧氣和揮發性含量，O/C比以及較少的內酯，苯酚，碳和固定碳含量。根據處理，由于新的表面基團，分子振動能，熱分解曲線和殘余質量存在差異。表面改性可以提高活性炭吸附特定物質的能力，因為表面化學是影響吸附的主要因素。電暈處理可以成為活性炭表面改性的一種新方法，可以提高活性炭的比吸附能力。需要針對電暈處理過的活性炭對吸附過程的影響進行的新研究，并且需要在不同的吸附劑和條件下進行。電處理可用于木材和其他木質纖維素材料中以改變性能。

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