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椰殼活性炭和煤基活性炭的表面形貌及吸附性能

文章出處:人氣:30發表時間:2018-12-9 11:09:02

椰殼活性炭和煤基活性炭的表面形貌及吸附性能比較

摘要:椰殼活性炭和煤基活性炭是應用最為廣泛的2種活性炭材料,本研究通過掃描電子顯微鏡對其進行了表面形貌的表征。結果證明,椰殼活性炭表面存在較為均勻的孔結構,且大孔的孔壁上布滿更小的孔,具有缺陷的位置孔結構更為發達;而煤基活性炭表面的孔結構較少,二次堆積孔比較多,二次孔的孔壁也可以看到更小的孔存在。通過對于甲醛和甲苯的氣體吸附性能測試,發現椰殼活性炭和煤基活性炭的吸附性能大體相當,要好于活性氧化鋁和麥飯石等其他多孔材料。

活性炭是一種應用最為廣泛的多孔吸附材料,廣泛地應用在水污染處理、變壓吸附、黃金冶煉、白酒和糖類等多種行業,具有優異的吸附性能和低廉的成本。近年來,科學家還開發了活性炭很多新用途,如血液凈化、藥物緩釋和煙氣脫硫脫硝等。活性炭可以廣泛地應用在多種行業,主要是因為其具有發達的孔結構,進而對物質產生強大的吸附能力,所以,吸附劑表面的孔結構是決定該種材料吸附性能的關鍵因素。

活性炭材料可以有多種原料來源,如煤、果殼、木屑、獸骨和煤焦油等,其中應用最廣泛的是煤基活性炭和椰殼活性炭。在兩者中,煤基活性炭的成本較低,用量更大,而椰殼活性炭由于重金屬等污染物的含量較低,所以可以應用在食品、藥物、生物和飲用水等行業。

雖然活性炭的應用非常廣泛,但目前對于不同原料來源活性炭的孔結構進行表征并且將其與吸附性能直接對比的研究還比較缺乏。本研究采用掃描電子顯微鏡對煤基活性炭和椰殼活性炭的表面形貌進行了表征,并將二者的氣體吸附性能進行了對比。通過試驗,發現椰殼炭表面的孔結構更加豐富和均勻,孔結構的直徑約為5-10μm。通過對比2種不同原料活性炭和其他多孔材料對于甲醛和甲苯的吸附性能,發現2種不同來源的活性炭吸附能力大致相當,要好于活性氧化鋁和麥飯石等其他多孔材料。

1材料與方法

1.1材料與設備

煤基活性炭來自于山西新華化工有限公司,椰殼活性炭來自于唐山天合活性炭有限公司,均未經過進一步處理。掃描電子顯微鏡型號為Hitachis-4800。

1.2測試方法

活性炭及其他多孔材料的測試過程如下:將活性炭或其他多孔材料裝載在過濾器中,然后將過濾器安裝在空氣凈化機上,將空氣凈化機置于3m3的玻璃密封艙內,將凈化機連接在電源上;然后,在玻璃艙內發生定量的污染物,開啟艙內的均風裝置,待密封艙內的污染物分布均勻后,開啟空氣凈化機,用甲醛和甲苯氣體分析儀每隔1min記錄污染物的濃度。

2結果和分析

2.1電子顯微鏡掃描結果

2.1.1椰殼活性炭的表面形貌

圖1為椰殼活性炭的電子顯微鏡掃描照片。活性炭的制備原理是使用水蒸氣或者其他活化物質將炭化料腐蝕出較多的孔結構。從圖1中可以看出,在椰殼活性炭的表面,有很多比較均勻的小孔存在。由于椰子殼在炭化后要進行破碎,所以椰殼活性炭會有一些斷面。圖1-b顯示在斷面的各個方向上都可見活化過程中出現的小孔,而且在有缺陷存在的表面(圖1-c),同樣可見較多小孔存在,甚至在缺陷與表面交接的位置孔結構更為豐富。在部分表面可以看出部分植物纖維未完全炭化的痕跡(圖1-d),而在相應的位置,雖然存在一定數量的孔結構,但其數量比正常表面略少。

圖1 椰殼活性炭的表面形貌

2.1.2煤基活性炭的表面形貌

圖2為煤基活性炭的表面形貌。對比椰殼活性炭的電子顯微鏡照片可以看出,煤基炭的表面難以觀察到均勻的孔結構,只有不規則的二次堆積孔出現,其表面也不如椰殼炭的表面均勻,有較多的大小不一的較小顆粒附著,這也是煤基炭比椰殼炭更容易粉化的微觀證據。經過放大2萬倍的照片觀察,能夠觀測到煤基炭的表面存在一些小孔。如果觀察二次堆積孔,可以看見二次孔的孔壁內有很多更小的孔存在,說明煤基活性炭也具有發達的孔結構,但煤基炭表面的孔結構比椰殼活性炭更加難以觀測。

圖2 煤基活性炭的表面形貌

圖3為椰殼炭的電子顯微鏡掃描照片,可以更清楚地觀察到椰殼炭的孔結構。從圖3可以看出,椰殼活性炭的孔結構較為發達,孔的大小也比較均勻。在大孔的孔壁上,可以清楚地觀測到有較小的孔存在(圖3-a),小孔的大小也比較均勻,而且在孔結構比較多的部分位置,孔壁甚至以網狀結構出現(圖3-b)。椰殼活性炭表面比較均勻的孔直徑約為5-10μm(圖3-c)。在部分活化過度的位置(圖3-d),可以清楚地看出即使椰殼活性炭的表面看起來的孔較少,但是內部仍然具有非常發達的孔結構。

圖3 椰殼活性炭的孔結構

圖4為煤基炭的電子顯微鏡掃描照片。對比椰殼活性炭,煤基活性炭的孔結構較少,也難以觀測到比較均勻的孔結構,其表面存在的孔大小不一,二次堆積孔中也可以觀測到更小的孔,小孔的孔徑大小分布也不均勻。

圖4 煤基活性炭的孔結構

2.2氣體吸附性能

2.2.1甲醛吸附性能

圖5為2種不同原料來源活性炭以及其他一些多孔材料對于甲醛的吸附性能比較。數據顯示,煤基活性炭對于甲醛的吸附能力最強。椰殼活性炭對于甲醛的吸附能力與活性氧化鋁類似,比椰殼活性炭稍差。麥飯石對于甲醛的吸附性能很差。

圖5  不同材料來源活性炭及其它多孔材料對于甲醛的吸附性能比較

圖6為2種不同來源活性碳及其他多孔材料對于甲苯的吸附性能比較。試驗表明,無論是煤基活性炭還是椰殼活性炭,對于甲苯的吸附能力都要明顯強于其他多孔材料。2種不同來源的活性炭對于甲苯的吸附能力接近,并無明顯區別。相對于其他幾種多孔材料,活性炭具有更高的比表面積,更發達的孔結構,所以吸附性能更好。比較圖5和圖6可以發現,活性炭對于甲醛的吸附能力較差,說明活性炭對于小分子和低沸點的物質吸附量較小。

圖6 不同材料來源活性炭及其他多孔材料對甲苯的吸附性能比較

3、結論

椰殼活性炭的表面存在較多均勻的孔結構,孔徑大小為5-10μm。有缺陷的位置活化過程更為徹底,孔結構更為發達。部分未完全炭化的位置活化不完全,孔結構較少。

煤基活性炭表面孔結構不均勻,且二次堆積孔較多。在二次堆積孔的孔壁,可以觀察到更小的孔插入到孔壁上。

活性炭對于氣體的吸附性能要強于活性氧化鋁和麥飯石,將椰殼炭和煤基炭2種活性炭材料作比較,其吸附性能未見明顯差異。

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