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氨水浓度对果壳活性炭结构及性能的影响

发布时间:2020-07-02 浏览

活性炭因其特殊的多孔表面结构及化学特性,能有效吸附气体、有机色素及胶态物质等,被广泛运用于化学工业、食品工业和环境保护等领域。果壳活性炭材料来源广且经济耐用,但由于其孔径分布不均匀,比表面积较小,需要对其进行改性处理。通常,活性炭改性可分为物理法、化学法以及物理化学联合法。目前关于化学法改性主要有氧化改性、还原改性、负载金属改性、酸碱改性、电化学改性和负载杂原子及化合物改性等方式。

波涛活性炭厂家通过利用氨水对果壳活性炭进行化学还原改性,探究不同氨水浓度对改性后活性炭的表面形貌、比表面积及吸附效果的影响。通过实验测试:“氨水浓度对果壳活性炭结构及性能的影响”,现将实验结果分析如下:

氨水浓度对果壳活性炭结构及性能的影响

一、氨水浓度对果壳活性炭表面形貌的影响

改性前,果壳活性炭表面有较多碎屑,部分碎屑直接填充在孔洞里面,如图1(a)所示。在5%氨水改性后,活性炭表面碎屑明显减少并发生内凹,出现大量沟槽,这些沟槽里又分布着大量孔洞,这些孔洞是微晶碳被不断烧失,新旧孔隙频繁交替的产物,而且分布比较均匀,孔径约为1.1μm,如图1(b)所示。

随着氨水浓度提高到10%,改性后的活性炭表面杂质进一步减少,沟槽呈明显的均匀分布,孔洞边缘形貌更为清晰,孔径大小均匀性较5%氨水改性样品稍差,可以看到“孔中带孔”的现象,孔洞并不完全通透,里面还有一层孔洞,可明显增加活性炭的比表面积。而在15%氨水改性后,活性炭表面形貌及结构发生显著改变,碱性增强后沟槽遭到更严重的腐蚀,结构几乎消失,而孔洞则呈均匀分布,孔径明显减小,约为0.9μm。经过20%氨水改性后,内凹加深,重新获得较为完整的沟槽结构,孔洞分布较为均匀,尺寸则进一步变小,约为0.6μm,如图1(e)所示。

出现上述现象主要是由于氨水对果壳活性炭表面有一定的腐蚀作用,能腐蚀活性炭表面的孔壁。在一定范围内,随着氨水浓度的增加,果壳活性炭表面的腐蚀程度不断加强,所得到的沟槽结构随之发生变化。

氨水浓度对果壳活性炭结构及性能的影响

二、氨水浓度对果壳活性炭孔结构的影响

在实际应用中,通常是利用活性炭的微孔结构来实现其吸附功能,因此,对于改性后的活性炭来说,测定不同氨水浓度对果壳活性炭微孔结构的影响尤为重要。本实验利用氮气等温吸附脱附原理进行测定。由毛细凝聚理论可得,在不同的P/Po下,发生毛细凝聚现象的孔径范围各不相同。

根据凯尔文方程可知:Rk=-0.414/lg( P/Po),临界半径Rk完全取决于相对压力P/Po。通过测定样品在不同P/Po下凝聚氮气量,即可绘制出其等温吸脱附曲线,再用不同的理论方法计算,就能得出其孔容积与孔径分布曲线。通常利用BJH理论计算,称之为BJH孔容积和孔径分布。本实验通过测定改性后的果壳活性炭在不同P/Po下凝聚氮气量,绘制出其等温吸脱附曲线及孔径分布曲线如图2,通过BJH理论计算得出其孔容及孔径分布情况如表1。

表1 改性前后比表面积、孔容及孔径

样品 比表面积/(m2.g-1) 孔容/(cm3.g-1) 平均孔径/nm
改性前-GAC 727.904 7 0.068 6 2.487 4
5%氨水改性-GAC 703.924 8 0.061 8 2.559 2
10%氨水改性-GAC 775.138 2 0.077 3 2.600 8
15%氨水改性-GAC 716.887.2 0.063 9 2.530 7
20%氨水改性-GAC 747.214 7 0.069 3 2.536 8

从图2的吸附-脱附曲线可知,果壳活性炭的孔径结构属于介孔结构。在低P/Po区,曲线凸向上,而在较高P/Po区,吸附质发生毛细管凝聚现象,等温线呈现迅速上升的变化。此外,由于发生毛细管凝聚,在这个区域内还可明显观察到滞后现象,在脱附时得到的等温线和吸附时得到的等温线出现“分支”现象,即吸附等温线在脱附等温线的下方,产生吸附滞后,呈现出滞后环。通过分析吸附-脱附曲线所出现的滞后环可知,这种吸附滞后现象与孔的形状和大小有关,主要由狭缝孔造成,与普通的粒子堆集不同,由类似层状结构产生的孔造成。

氨水浓度对果壳活性炭结构及性能的影响

氨水浓度对果壳活性炭结构及性能的影响

氨水浓度对果壳活性炭结构及性能的影响

由表1数据可知,10%浓度的氨水溶液改性后,孔容增至0.0773cm3/g,达到最大。这是因为改性后随着微晶碳被不断烧失,新旧孔隙频繁交替,而微孔的直径变化并不是很明显,只是孔洞向内凹陷,造成了孔容的增加。从表1还可看出,在氨水浓度为10%时,活性炭的比表面积大,达到775.1382 m2/g,较改性前提高了6.5%。结合图1可以看出,当氨水浓度为5%和15%时,比表面积较改性前有所下降,因为在氨水浓度较低时,活性炭表面杂质减少,而杂质本身也具备一的表面积,并且此时的活性炭内凹不完全,且新的微孔还未完全形成,造成比表面积下降;在氨水浓度为20%时,活性炭表面存在明显大小不一的凹陷,导致比表面积下降。当且仅当氨水浓度为10%时,改性后的活性炭表面内凹明显,微孔结构发达,呈现出“孔中带孔”的现象,此时比表面积达到很大。而在其他浓度下,活性炭表面并未出现这一现象,说明10%浓度氨水所形成的“孔中带孔”结构对活性炭比表面积有一定的影响。此外,从图2可知,改性前后活性炭孔径集中分布在3.5nm。

氨水浓度对果壳活性炭结构及性能的影响

氨水浓度对果壳活性炭结构及性能的影响

三、氨水浓度对果壳活性炭吸附性能的影响

1、苯酚标准浓度曲线的绘制

在UV2600型紫外可见分光光度计上,用1cm石英吸收池、蒸馏水作参比溶液,在200~330nm波长范围扫描,绘制苯酚的吸收曲线。由曲线上找出λmax,并求出εmax与其所对应的吸收度的比值,与苯酚紫外吸收光谱数据表对比,鉴定苯酚。在本实验中,分别调配8、16、24、32、40 mg/L的苯酚标准溶液,测定其吸光度,绘制标准浓度曲线,如图3所示。

氨水浓度对果壳活性炭结构及性能的影响

2、氨水浓度对果壳活性炭吸附性能的影响

表2为果壳活性炭改性前后对苯酚的吸附率。由表2可看出,吸附效果随氨水浓度的变化而变化(吸附时间为3h,温度为25℃)。在改性前,活性炭吸附率为78.81%,在氨水浓度为5%时,虽然活性炭有内凹,但是由于孔洞分布不均,碱性官能团增加不明显,导致吸附效果无明显提高,仅为70.09%。当氨水浓度进一步提高,改性后的果壳活性炭吸附率比改性前有明显提高,分别达到86.91%和86.54%。这是因为活性炭表面发生中和反应导致酸性官能团降低,亲水性降低,而苯酚为疏水性且呈弱酸,在中性条件下表现为带负电荷,因此,改性后的活性炭更有利于苯酚的吸附。而当氨水浓度增加到20%时,活性炭对苯酚的吸附率为84.52%,略微下降。这可能是凹槽宽度增加,导致整个活性炭表面相比于之前的样品比表面积下降,从而使苯酚的吸附率有所下降。

表2 改性前后活性炭对苯酚吸附效率表

样品名称 改性前-GAC 5%-GAC 10%-GAC 15%-GAC 20%-GAC
吸附率/% 78.81 70.09 86.91 86.54 84.52

出现这一吸附变化现象是由于活性炭的功能特性主要取决于它的表面化学性质以及孔隙结构,而吸附容量的大小取决于比表面积的大小以及孔隙结构的情况,这两者都是考量活性炭吸附特性的重要参数指标。首先,表面化学性质主要由化学官能团、表面杂质原子和表面化合物确定,而同极性或非极性吸附质之间的相互作用力是受表面化学性质影响。利用不同浓度的氨水对活性炭进行表面官能团的改性时,必然会伴随着表面化学性质的改变,从而改变活性炭对苯酚的吸附率。此外,孔隙结构对于活性炭的吸附性能也有明显影响。活性炭的孔隙结构决定其吸附物质的容量大小。在一定范围内,孔径越大,吸附效果越好。通过不同的氨水浓度对果壳活性炭孔隙大小的改变,从而造成吸附效果的变化。

3、反应温度对果壳活性炭吸附性能的影响

分别在不同温度下(25、35、45、55℃研究10%-GAC对苯酚溶液的吸附情况,结果如图4。从图4可看出,活性炭对苯酚的吸附效率随着温度的升高略微上升,但总体变化不明显。这是因为温度的提高可以增加溶液中分子的活度并向碳表面扩散,同样在碳内部的孔隙和通道的游动也加快。因此,提高温度对于吸附率的影响不大。

氨水浓度对果壳活性炭结构及性能的影响

三、结论

采用氨水浸渍法对预处理后的果壳活性炭进行改性处理,随着氨水浓度的变化,果壳活性炭的表面也随之发生变化。当且仅当氨水浓度为10%时,所获改性后的活性炭表面形态清晰,内凹明显,微孔结构发达,呈现“孔中带孔”现象,此时比表面积达到最大值为775.1382m2/g,较改性前提高6.5%。改性前后活性炭微孔孔径主要集中在3.5nm处。果壳活性炭的吸附率随氨水浓度的变化而变化,改性前,活性炭吸附率为78.81%,氨水浓度为5%时,碱性官能团增加不明显,导致吸附效果提高不明显,为70.09%。当氨水浓度为10%和15%时,吸附率分别为86.51%和86.54% ,吸附率相比于改性前稍有提高。而当氨水浓度进一步增加时,活性炭对苯酚的吸附率略微下降。

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