活性炭經(jīng)改性后吸附氨水

活性炭經(jīng)改性后吸附氨水，活性炭的氧化以及使用未處理的和改性的活性炭吸附氨水在此處描述。方法結(jié)合程序升溫脫附(TPD)主要用于評(píng)估化學(xué)變化。這些方法通過(guò)化學(xué)分析，pH測(cè)量和FT-IR光譜進(jìn)行補(bǔ)充。從CO 2和N 2吸附獲得紋理表征。在相同實(shí)驗(yàn)條件下用HNO 3 和H2O2水溶液進(jìn)行的化學(xué)修飾表明證據(jù)表明，羧酸如組形成在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)HNO 3在大約80℃下處理，然后在大氣中進(jìn)行溫和的烘干過(guò)程。在這種條件下改性的活性炭可能成為優(yōu)質(zhì)的氨吸附劑。

工業(yè)制造的幾種活性炭有由碳質(zhì)性質(zhì)等不同種類(lèi)的木材，果殼，和果核等原料獲得。現(xiàn)在已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這些碳的化學(xué)和結(jié)構(gòu)特性取決于它們以前的歷史。因此，它們的物理和化學(xué)行為不僅取決于活化過(guò)程本身，還取決于后續(xù)處理碳的方式。表面氧配合物在活性炭上對(duì)特定碳的吸附性質(zhì)有重要作用，它們也有助于改善其潤(rùn)濕性。活性炭的濕式氧化已經(jīng)很完善了，在不同的氧化劑水溶液(HNO3,H2O2,ZnCl2,(NH4)2S2O8)已被使用在各種濃度和溫度下。取決于實(shí)驗(yàn)條件，這些氧化將有利于活性炭某些氧化表面基團(tuán)。

活性炭H2O2處理

圖1顯示了過(guò)氧化氫處理后產(chǎn)生的活性炭的化學(xué)行為。從上面看出的氧化過(guò)程增加了活性炭的總酸度，并且與羧基和酚類(lèi)基團(tuán)的增加一致。此外，TPD曲線(xiàn)顯示了放出氣體的增量，峰值集中在與活性炭相同的溫度。低溫和高溫分解組的面積總體增加歸因于羧基-內(nèi)酯類(lèi)結(jié)構(gòu)和后面的酚類(lèi)基團(tuán)。H2O2氧化碳的FT-IR光譜在1542和1190cm-1處顯示帶就像那些原始的碳，但后來(lái)的孔隙已經(jīng)擴(kuò)大，顯示出C-O伸展模式的增加。總之，這些研究表明僅在H的性質(zhì)的小變化H2O2處理過(guò)的碳，即，是在氧化時(shí)，其類(lèi)似于由其他研究人員報(bào)告的行為沒(méi)有觀(guān)察到變化顯著。其中過(guò)氧化氫溶液的氧化作用明顯地看作羧酸類(lèi)基團(tuán)的重要減少，伴隨著堿性基團(tuán)的大量增加。

圖1.活性炭表面上的酸性基團(tuán)和活性炭未經(jīng)處理和H2O2處理的TPD分布圖。

活性炭HNO 3處理

分析表明25℃下的反應(yīng)只產(chǎn)生很小的變化，所以在低溫下HNO 3溶液主要以酸的形式反應(yīng)，只對(duì)活性炭產(chǎn)生微小的改變。然而，在80℃下的活性炭反應(yīng)顯示與HNO 3的氧化作用有關(guān)的主要變化，如活性炭中總表面基團(tuán)的總體增加和羧基類(lèi)似基團(tuán)的最大形成。另外，由樣品的堿度降低可以解釋為6M硝酸溶液處理3小時(shí)后堿性基團(tuán)的延長(zhǎng)氧化的結(jié)果。圖2顯示了這些活性炭的TPD曲線(xiàn)，觀(guān)察到新峰的存在，給出了碳的化學(xué)組成的變化，即氧化基團(tuán)的增量。硝酸改性碳的元素分析表明，由其他人觀(guān)察到，增加氮含量可以歸因于硝基(NO 2)形成的影響。

圖2.活性炭未處理和HNO 3處理的TPD曲線(xiàn)。

活性炭對(duì)氨的吸附

活性炭表面的化學(xué)性質(zhì)對(duì)氨的吸附有重要影響，在低氨濃度下，活性炭的吸附率極大地受到羧基類(lèi)基團(tuán)的存在的青睞。根據(jù)等溫線(xiàn)的形狀，可以推斷吸附過(guò)程通常對(duì)于活性炭而言是不同的并且取決于可用的不同類(lèi)型的位點(diǎn)。因此，羧基類(lèi)基團(tuán)在低氨濃度時(shí)大大增強(qiáng)氨吸附，但在高氨濃度下，所有活性炭增加它們的吸附。活性炭在兩種不同平衡濃度下的吸附能力表明，在500ppm的氨下，吸附增加而在2400ppm處。因此，活性炭的吸附能力不僅取決于其化學(xué)特性，還取決于吸附物濃度。在低氨濃度下，人們可以觀(guān)察到，隨著羧基和內(nèi)酯類(lèi)基團(tuán)的總量增加，除一些特別活化的活性炭之外，吸附的氨的量增加。這種碳的異常趨勢(shì)可歸因于在低濃度下不增強(qiáng)氨吸附但提供碳的酸性特征的硝基的存在。所有的吸附等溫線(xiàn)表明，隨著氨濃度的增加，其對(duì)活性炭的吸附也增加。這可以被解釋為通過(guò)氫鍵形成的氨吸附，它在高氨濃度時(shí)增強(qiáng)或至少在足夠高時(shí)與介質(zhì)的水分子競(jìng)爭(zhēng)。這個(gè)觀(guān)察導(dǎo)致我們建議，羧酸和內(nèi)酯等基團(tuán)在低氨濃度發(fā)揮在吸附過(guò)程中起重要作用是他們將通過(guò)酸-堿相互作用，但在較高濃度保持氨(≥1000 ppm)的氨與水競(jìng)爭(zhēng)與還存在于活性炭表面上的其他含氧基團(tuán)或電子供體位點(diǎn)形成氫鍵。

活性炭可以使用輕度空氣氧化，H2O2或HNO 3溶液進(jìn)行化學(xué)改性。改性活性炭在水溶液中表現(xiàn)出酸性行為。用HNO 3處理的活性炭導(dǎo)致更大的酸度和長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間增加硝基的形成。干燥過(guò)程影響氧化的活性炭，因此烘箱干燥有利于羧基類(lèi)基團(tuán)的穩(wěn)定，而真空干燥引起這些基團(tuán)的部分消除和少量增加的內(nèi)酯和酚類(lèi)基團(tuán)。

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，H2O2是比HNO 3更強(qiáng)的氧化劑，因?yàn)樗�具有較低的選擇性，產(chǎn)生少量羧酸和內(nèi)酯類(lèi)基團(tuán)并有利于堿性基團(tuán)的穩(wěn)定。觀(guān)察到的小幅下降可歸因于與氧化有關(guān)的孔隙損失，其導(dǎo)致由于CO 2消除而造成一些多孔破壞。通常，所有活性炭吸附氨，羧酸和內(nèi)酯類(lèi)基團(tuán)的含量越高，活性炭的吸附能力越好。堿性基團(tuán)的存在并不能提高低濃度下的吸附。