來源：韓研活性炭網 作者：韓研活性炭網 2018-11-27
活性炭孔徑擴大提高染料吸附量，為了克服傳統活性炭材料的窄孔徑分布的局限性并實現對大分子吸附的廣泛適應性，我們在此開發了一種新型的活性炭，其具有擴大的孔徑分布，用于高速和高容量水溶液。染料分子(羅丹明B)吸附。這種活性炭的制備是通過原煤，以ZnCl 2和CO 2為活化劑，采用簡便的一步法礦物輔助化學-物理活化策略實現的。該方法產生的活性炭具有孔徑變寬的分級孔結構，具有高表面積和大孔體積，對羅丹明B吸附量非常高。
水性染料吸附試驗
為了評價這款活性炭的水性大分子吸附能力，使用羅丹明B水溶液作為目標吸附系統。在運行中，將20 mg活性炭與100 mL羅丹明B水溶液混合，初始濃度為200 mg/L-1。在室溫(25℃)下，在給定的時間段(0-180分鐘)內，在溫控混合平臺中以400rpm的攪拌速率攪拌混合物。之后，收集上清液，用紫外可見分光光度計(波長554nm)檢測殘留羅丹明B的濃度。通過記錄上清液中羅丹明B濃度隨吸附時間的增加而獲得的吸附動力學特征。
另外，為了進一步比較制備的活性炭的吸附動力學，在0-30分鐘內在100W的超聲功率和40kHz的頻率下進行時間縮短的超聲輔助吸附試驗。使用上述類似方法分析活性炭的超聲輔助吸附動力學特征。
活性炭的結構特征
經過系統地研究制備的活性炭的結構信息，在此基礎上可以揭示孔隙度發展機制。首先，通過SEM和TEM分析確定了原煤及其衍生活性炭的形態和微觀結構，如圖1所示。圖1a顯示了原煤的微觀形態，其由大量聚集的微晶組成。圖1a進一步提出了一種緊湊的堆疊結構，而不在所述外表面的孔。圖1b顯示了原煤的TEM圖像，顯示了類似于多層石墨的折疊層狀結構。圖1c顯示了原煤的高分辨率TEM(HRTEM)圖像，其顯示出無定形碳性質。圖1d-F示出了由物理活化過程中從活性炭表現出類似于原煤的聚集板結構中獲得的活性炭樣品的微觀結構信息。圖1e所示的活性炭的TEM圖像表明，在升溫化學-物理活化處理后，原煤的良好折疊的層狀結構膨脹和雜亂，主要是由于活化的介入和蝕刻效應。活性炭的HRTEM圖像如圖1f所示進一步證明了相對于原煤的致密無定形碳骨架，具有小孔分布的擴展碳結構。為了比較，通過單獨的化學活化或CO 2物理活化獲得的化學活性炭和物理活性炭樣品也表征為如圖1g-i(化學)和圖1j-l(物理)中所示。它表現出不同程度的結構膨脹和孔隙發展。具體地，化學活化的活性炭顯示出比物理活化的活性炭更低的結構膨脹度。從圖1j和圖l中可以看出，化學活性炭在外表面上顯示出明顯的孔(圖1j)，在HRTEM圖像中顯示出孔徑(圖1l)遠大于物理活性炭。因此，可以得出結論，活化方法對煤的碳結構演化具有重要影響。
圖1、原煤的SEM和TEM圖像以及通過各種活化程序得到的衍生活性炭。原煤的SEM(a)，TEM(b)和HRTEM(c)圖像，SEM(d)，TEM(e)和HRTEM(f)活性炭圖像，SEM(g)，TEM(h)和HRTEM(i)化學活性炭的圖像;SEM(j)，TEM(k)和HRTEM(1)物理活性炭圖像。
活性炭的RhB吸附動力學
為了進一步研究孔結構對水性大分子吸附能力的影響，評價了制備的具有各種孔結構的活性炭(例如微孔碳和分級多孔碳)的羅丹明B(RhB)吸附動力學。圖2a顯示了4小時內各種活性炭的吸附容量隨時間的變化，吸附動力學過程可以分解為兩個階段：(1)活性炭上吸收的RhB(q t)的量迅速增加吸附時間從0增加到120分鐘;(2)120分鐘后，吸收的RhB量(q t)在活性炭上達到幾乎恒定的值，表明吸附平衡。快速的初始吸附速率是由于活性炭的高表面積和活性位點，并且緩慢增加的吸附能力是由于吸附表面的飽和直到在240分鐘達到平衡。此外，可以發現，在測試的活性炭中，活性炭顯示出比其他樣品高得多的初始吸附率。吸附飽和后，活性炭的最大吸附容量達到880.1mg/g-1。
圖2、吸附動力學結果。(a)吸附能力隨時間的變化;(b)典型樣品的BET表面積的標準化吸附容量;(c)活性炭的偽一階動力學擬合;(d)活性炭的偽二階動力學擬合。
由于縮短吸附時間對于經濟有效的工業操作具有重要意義，我們進一步采用超聲輔助策略來加速RhB吸附并縮短制備的活性炭的飽和時間，這對制備的活性炭的孔結構幾乎沒有影響。超聲輔助下的吸附時間固定為30分鐘。圖3a顯示了在30分活性炭和微孔活性炭作為時間函數的吸附容量，活性炭從中獲得高達839 mg/g-1的高RhB吸附容量。在30分鐘內(飽和容量的99%)，而微孔活性炭可以獲得67%的飽和吸附容量(345 mg/g-1))，進一步證明了分級多孔活性炭相對于微孔活性炭的吸附動力學優勢。圖3b進一步說明了這兩種樣品隨時間的上清液的顏色變化，其生動地證明了活性炭相對于微孔活性炭的高速吸附能力。
圖3、(a)多孔活性炭和微孔活性炭在超聲輔助吸附試驗下作為時間函數的吸附容量;(b)兩種活性炭隨時間的上清液的顯色過程。
總之，這項工作展示了一種簡便的一步法礦物輔助化學-物理活化策略，以擴大原煤中活性炭的孔徑分布，追求高速和高容量染料分子(羅丹明B)吸附。在一步升溫過程中，低溫ZnCl 2活化產生微孔并且升高溫度誘導在CO 2和煤結構之間的礦物催化蝕刻反應下形成孔徑變寬的中孔。結果，獲得的活性炭具有孔徑變寬的分級孔結構，具有高表面積和大孔體積。這種良好的孔結構賦予羅丹明B的飽和吸附能力達880 mg/g-1。超聲輔助吸附試驗進一步證明了活性炭的高速吸附能力，羅丹明B吸附容量在30分鐘內達到839 mg/g-1(飽和容量的96%)，而單獨使用ZnCl獲得的微孔活性炭活化可以達到375 mg/g-1的容量。
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