ACF表面改性及其脱除氮氧化物的研究进展

介绍了活性炭纤维(ACF)的表面官能团及其对ACF表面性质的影响;详述了ACF的氧化还原改性、微波射线改性、等离子等改性方法;综述了ACF表面改性在氮氧化物脱除中的应用,指出了ACF既可作为催化剂也可作催化剂载体,催化还原氮氧化物,但后者技术需进一步研究,ACF表面改性赋予其高性能是今后研究方向。     

活性碳纤维表面氧化还原机理研究

用X射线光电子能谱分析技术,研究了氧化还原反应前后ACF表面结构的变化以及反应条件与结构变化的关系。结果证明ACF的氧化还原反应机理至少包括两种反应过程,一为增加C—OH基团浓度的反应,二为增加C=O基因浓度的反应。在强烈的氧化条件下,还会发生部分基因最终被氧化成为二氧化碳的反应。当表面含氧基团浓度达一定值时,同种氧化剂进一步氧化不会明显增加含氧量,但改用更强的氧化剂时,表面含氧量会增大到另一新的平衡值。ACF表面存在一系列电极电位不同的氧化还原反应中心,在不同氧化还原体系中,ACF表面参与反应的基因种类和浓度都不一样。     

活性炭纤维的制备及其液相吸附研究-对水溶液中有机物和银的吸附特性

活性炭纤维(ACF)是1种高效而又用途广泛的吸附材料，在环保、食品、化工等领域得到广泛的应用。目前，提高ACF的制备得率，阐明吸附与ACF结构的本质关系，开拓ACF的应用新领域，仍然是人们致力研究而又未能很好解决的问题。本论文围绕ACF的制备及其液相吸附性能，特别是对水中有机物的吸附性能和对银离子的还原吸附特征及其吸附机理，开展了一些基础性研究工作。论文主要包括如下3部分内容 1 ACF的制备及其结构表征 主要采用水蒸汽活化法，并通过前处理及后期氧化改性制备了一系列ACF。系统地研究了碳化-活化温度或时间对ACF的孔结构和化学结构的影响，并用多种方法，包括基于低温氮吸附的DR-法、α,-法、t-法等孔结构的评价方法，X-射线衍射、红外光谱以及X-射线光电子能谱等分析技术系统地表征和比较了这些ACF的结构。揭示了ACF制备的动力学规律，并提出相应的机理。碳化-活化反应是一个对碳为一级反应的过程，该反应需要克服一定的活化能。纤维在碳化过程中形成类石墨微晶的同时，也形成了孔的雏形；而活化过程则使石墨微晶被不断蚀刻和破坏，并在已形成的孔结构的基础上使孔不断扩大。因此，控制碳化反应的最后温度，对于控制ACF的孔发育，具有与控制其它活化条件同等重要的作用。 同时，还归纳了碳化-活化温度可用于控制孔的发育 的一些规律。对于水蒸汽活化制备ACF，低温条件下(800-820)碳化活化，可使得到的ACF含有均一的极微孔；而较高的活化温度(>840℃)，使所得的ACF含有较大比例的超微孔及中孔。 此外，还阐述了用无机氧化剂对剑麻基ACF(SACF)进行后期改性，虽然降低了所得改性ACF(OACF2)的比表面积，但可以改变OACF5的表面化学 结构，有利于改善ACF的化学吸附性能。纤维在碳化前用金属氯化物预处理，可提高了ACF的得率，但该类ACF的比表面积较低。 2 ACF对水溶液中染料的吸附 较深入地研究了ACF对亚甲基蓝、结晶紫、铬蓝黑R、铬黑T、二甲酚橙、溴酚蓝、荧光素等几种染料的静态和动态吸附特征及影响因素，探讨了吸附的热力学和动力学规律。初步阐明了染料在ACF上的吸附机理。染料在ACF上的吸附与吸附剂和吸附质的结构密切相关。由于染料分子的几何尺寸较大，染料分子在ACF上的吸附受孔屏蔽效应的强烈影响。ACF的孔径大小及分布成为决定染料吸附速度和吸附量大小的主导因素。孔径越大，染料的吸附速度越快；而比表面积越高，染料的吸附量也越高。另一方面，ACF表面含氧量的增加，有利于对染料的吸附。碱性阳离子染料比酸性偶氮染料更易于在ACF上吸附。 热力学研究表明，ACF自溶液吸附染料是1个自发过程， G为负值。ACF对亚甲基蓝和结晶紫的吸附为一吸热过程和熵增加的过程。这是由于染料的吸附首先经历了二聚体或多聚体离解的吸热过程所致。提高温度，有利于吸附的进行，其原因是温度升高，使染料的二聚乃至多聚发生离解，减低了ACF的孔屏蔽；同时，也提高了染料的内能，可以克服染料在微孔中扩散所需的能量。至于熵增加的原因，是由于染料的离解和染料替换了ACF表面的水分子的结果。 染料在ACF上的吸附速度随表面覆盖度的升高而降低，并可用简单的Langmuir动力学方程描述。染料的吸附速度决定于染料及ACF的性质，而与染料的初始浓度无关。 3 ACF对有机物和银离子的共吸附 研究了溶液中有机物的存在和ACF表面氧化改性后对活性碳纤维还原吸附银离子的能力的影响。揭示了某些有机物如亚甲基蓝、苯胺等对ACF还原吸附能力的显著促进作用，并初步探讨了其还原吸附机理。溶液中有机物的吸附强烈影响ACF还原吸附Ag(NH3)+2 的能力。溶液中亚甲基蓝的存在可使SACF对Ag(NH3)+2的还原吸附容量提高数倍；溶液中苯胺的存在更显著地提高SACF或OACFs对Ag(NH3)+2的还原吸附容量及还原效率。其它有机物如对硝基苯酚和苯甲酸对ACF还原吸附Ag(NH3)+2的影响，依ACF的不同而不同，但影响程度不大。SACF的氧化改性，提高了产物OACFs对Ag(NH3)+2的还原能力，显示ACF表面化学性质对其氧化还原吸附能力的重要性。 对Ag(NH)+2 在ACF上还原吸附机理的初步分析，显示有机物吸附对ACF还原吸附能力的影响，可能是改变了ACF表面的酸碱环境，或改变了ACF表面的Zeta电位，影响ACF表面的阴极极化程度，从而促进或阻碍了Ag(NH3)+2 在ACF上的还原。 上述研究的结果，为ACF的制备及其结构控制提供了指导依据；为利用染料作为“分子探针”确切评价ACF的液相吸附性能提供了理论基础；为利用ACF的还原能力回收贵金属提供了更有效的方法。这些结果对于环境治理和资源再生，也具有现实和理论上的意义。     

活性炭纤维在催化领域中的应用

介绍了活性炭纤维(ACF)的表面化学结构、催化特性及其在催化中的研究与应用:脱硫反应,除 NO的反应,电极法处理废水;综述了ACF的载体功能:负载金属、金属氧化物、金属氢氧化物、杂多酸等催化 剂。指出需进一步研究氮含量在脱硫过程中所起的作用,以及作为ACF催化氧化活性位的官能团种类。进 一步研究负载物与载体间存在的相互作用,进而获得性能良好的ACF负载型催化剂。     

硅溶胶/热空气复合活化对钒电池电极材料性能的影响

利用硅溶胶/热空气复合活化法改性石墨毡,并对其表面形貌、微观结构以及电化学性能进行了分析研究。结果表明:硅溶胶/热空气复合活化使石墨毡电极的亲液性增强、比表面积增大、氧官能团数量提升,由此组装的钒电池电化学性能显著提高;活化后石墨毡表面的C—O氧官能团是钒电池氧化还原反应的有效活性位点,当硅溶胶添加量为50%(质量分数)时,石墨毡表面的C—O氧官能团数量达到4.18%;当电流密度为40 m A/cm²时,以硅溶胶添加量50%的石墨毡为电极组装钒电池,其库仑效率达到95.58%,能量效率达到86.07%,电压效率达到92.35%,比未活化石墨毡为电极组装的钒电池分别高出10.93%、9.16%、3.22%。     

磁性生物炭对铅镉离子的吸附动力学

采用水热合成法制备磁性生物炭,利用XRD、FTIR和BET分析磁性生物炭的结构、官能团种类和比表面积,并研究磁性生物炭对Pb⁽²⁺⁾、Cd(2+)、Cd⁽²⁺⁾的吸附机理。结果表明,磁性生物炭含有丰富的含氧官能团和芳香结构,磁性物质为Fe_3O_4颗粒。Pb(2+)的吸附机理。结果表明,磁性生物炭含有丰富的含氧官能团和芳香结构,磁性物质为Fe_3O_4颗粒。Pb⁽²⁺⁾、Cd(2+)、Cd⁽²⁺⁾在磁性生物炭上的吸附是一个高温自发、吸热且熵增的过程,其吸附过程符合准二级动力学方程,表明化学吸附占据优势,吸附过程是由液膜扩散和颗粒内扩散共同控制。Pb(2+)在磁性生物炭上的吸附是一个高温自发、吸热且熵增的过程,其吸附过程符合准二级动力学方程,表明化学吸附占据优势,吸附过程是由液膜扩散和颗粒内扩散共同控制。Pb⁽²⁺⁾在磁性生物炭的吸附机制,主要与含氧官能团(—COOH、—OH、C—O—C)的络合作用和π电子的配位作用有关,还存在氧化还原反应。磁性生物炭吸附Cd(2+)在磁性生物炭的吸附机制,主要与含氧官能团(—COOH、—OH、C—O—C)的络合作用和π电子的配位作用有关,还存在氧化还原反应。磁性生物炭吸附Cd⁽²⁺⁾的机制,主要与—COOH、—OH和π电子的络合作用有关,C—O—C和氧化还原反应不参与磁性生物炭对Cd(2+)的机制,主要与—COOH、—OH和π电子的络合作用有关,C—O—C和氧化还原反应不参与磁性生物炭对Cd⁽²⁺⁾的吸附。     

改性炭黑的表面性质与微观结构

通过氮气氛围下高温处理和双氧水H_2O_2,硝酸HNO_3氧化炭黑N234,利用氮吸附比表面积(BET),红外光谱(IR)和X射线光电子能谱(XPS)表征了上述改性炭黑的比表面积,表面的官能团和元素组成。高温处理炭黑表面氧元素含量降低,含氧官能团部分被除去,而双氧水和硝酸氧化炭黑表面氧元素含量增加,生成了很多C=O和C-O官能团。高分辨透射电镜(HR-TEM)结果显示,双氧水和硝酸改性的炭黑表面形成了很多结构上的缺陷,比表面积显著增加。     

氧化石墨烯/类水滑石基复合催化剂的可控制备及其催化性能

针对纳米催化剂在有机染料氧化降解反应中存在的问题,开发高效纳米Fe基催化剂成为当前研究的重点。基于"创新纳米结构调变催化功能"的新策略,利用类水滑石层板金属离子和层间阴离子与氧化石墨烯(GO)表面官能团之间的静电作用,采用水热法制备氧化石墨烯复合类水滑石Fe-LDH@GO纳米催化剂。利用XRD、N_2吸附-脱附和TEM对催化剂的形貌、尺寸、孔道及FeO_x粒子尺寸等物化性质进行表征,发现氧化石墨烯的引入不改变水滑石纳米片结构和形貌,但能够增加催化剂的比表面积,有效锚定FeO_x纳米粒子,使其粒径减小并均匀分散在载体表面,提供更多的有效活性位点。XPS结果表明,催化剂表面存在的Fe^(2+)是芬顿反应的活性中心,氧化石墨烯的引入提高含氧官能团数量,使其在RhB降解反应中表现出优异的催化活性,反应14 min时,RhB转化率100%。     

黄麻活性炭纤维的改性及其对Pb(Ⅱ)的吸附研究

研究探讨了微波辅助硝酸氧化改性对黄麻活性炭纤维(ACF)理化性质的影响及其对Pb(Ⅱ)吸附动力学等温线研究。正交试验显示最佳改性条件为:硝酸浓度9mol/L,改性温度140℃,改性时间15min,微波功率800W。采用比表面积及孔隙分析,以及Boehm滴定表征了改性前后活性炭纤维的物理化学系特征,说明改性后黄麻活性炭纤维微孔比表面积占比增大、表面官能团增加。吸附过程符合Langmuir等温线,改性后最大吸附量由72. 28mg/g增加到192. 64mg/g。吸附过程受颗粒内扩散和膜扩散过程的共同控制。     

活性炭去除游离氯的失效机制及热再生研究

研究了初始游离氯浓度以及活性炭粒径和投加量等对游离氯去除的影响，并通过Boehm滴定、傅里叶转换红外光谱仪、比表面积分析仪、扫描电子显微镜、光电子能谱等手段分析了反应前后的活性炭，发现活性炭的失效主要是由于其表面还原性官能团的消耗及表面结构的氧化破坏所带来的孔结构和比表面积变化。将失效活性炭在不同气氛(氮气、氢气、氨气)条件下进行热再生，均可使其游离氯去除能力得到恢复，且氨气条件最好，这主要得益于孔结构的提升及还原性官能团的再生。将再生后活性炭进行连续流柱实验，证实其能够长时间有效运行。     

X射线光电子能谱研究活性碳纤维表面结构

研制了各种不同结构的活性碳纤维。并用 X 射线光电子能谱对元素组成、相对含量、表面官能团类型以及原料、制备工艺的关系进行了全面的研究。用曲线拟合分峰技术对谱峰进行了数学处理。结果表明,C 和 O 是活性碳纤维的基本元素。采用不同原料和制备工艺,活性碳纤维表面还含有少量的 N、P、Ca 等杂原子。纤维表面碳大部分为类石墨碳,C—H是活性碳纤维一种不可忽略的基团。氧元素主要与碳生成表面含氧基团如 C—OH、C=O、C(?)及酯等。C—OH 与基体碳有一定程度的共轭。表面的氮主要以胺基或亚胺基形式存在。磷的结合态有氧化磷以及各种磷酸盐。未经活化的碳纤维,含氧官能团的含量及总含量不比相应活性碳纤维低,个别样品还高。活化过程的脱羧反应是导致活性碳纤维生成高比表面积的根本原因,提高活化温度或增加活化剂浓度时,活性碳纤维表面含氧量反而下降。     

活性炭纤维表面结构及其吸附银机理研究

用Ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）等分析方法对剑麻基碳化纤维、磷酸化学活化纤维及其热处理纤维吸附Ａｇ＋前后的表面结构进行了研究,结果表明：活性炭纤维的氧化还原吸附性能不与其比表面积成正比,而受表面官能团影响很大,且还原吸附的纳米银与纤维的界面间除相互的物理作用外,还有Ａｇ－Ｏ－Ｃ配位键合存在;纤维还原能力强,但负载的纳米银与载体纤维之间的相互作用力并不一定大,而活化作用使纤维表面的Ｏ物种利于Ａｇ的成核和成键,促进Ａｇ－Ｏ－Ｃ的形成,使负载上的纳米银较稳定。     

Studies on the structure of activated carbon fibers activated by phosphoric acid

By solid‐state ¹³C‐ and ³¹P‐NMR, XPS, and FTIR, the chemical structure of activated carbon fiber–P (ACF‐P) and its reaction with phosphoric acid were studied. Even when activated at low temperatures, these fibers developed a graphitelike carbon structure with a certain amount of phenol groups as well as acetal (or methylenedioxy) carbon. As expected, the oxygen‐containing groups were greatly reduced at high activation temperatures. Different from the ACF‐W, metaphosphoric acid (or polyphosphates) and a small amount of phosphorus exist on ACF‐P. The original ACF‐P activated at low temperature contained a lot of phosphoric acid, so it had to be washed with water to expose the large surface area. The washing process can be omitted for ACF‐P activated at high temperature because most phosphorus compounds in fiber have volatilized. The ACF‐P activated at lower temperature possessed a large amount of oxygen‐containing surface groups and had enhanced adsorption ability for polar adsorbates. The remaining of metaphosphoric acid enhanced the adsorption of silver ion. The experimental results showed that the peaks of ³¹P‐NMR, P_2p‐XPS, and FTIR at 1620 cm^?1 shifted with the increase of activated temperature. © 2003 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polym Sci 87: 2253–2261, 2003     

Ozonation of p-Nitrophenol Adsorbed on Activated Carbon Fiber (ACF) and the Change of Textural and Chemical Characteristics of ACF

Ozonation of p-nitrophenol adsorbed on activated carbon fiber (ACF) was conducted in a semiwet atmosphere, and its effect on the textural and chemical characteristics of ACF was examined. The decomposition kinetics of p-nitrophenol followed a pseudo–first-order reaction, and an increase in O₃ input enhanced the removal of p-nitrophenol. Ozone slightly etched ACF and resulted in a decrease in the pore volume of ACF, but slightly different changes in pore diameter also occurred on virgin and spent ACF. An increase in the surface oxygen-containing groups (C=O, COOH, etc.) after ozonation might have influence on the adsorption capacity of ACF.     

活性炭纤维氧化改性后的脱硫性能

为了将活性炭纤维（ACF）应用于空调领域实现新风的过滤优化以及提高吸附极性分子SO₂的效率,对ACF进行液相氧化改性制成了具有极性的折叠式复合体滤网,并进行了SEM、BET和FTIR分析;搭建了直流式系统实验台,选用甲醛吸收-副玫瑰苯胺分光光度法检测室外空气进入滤网前后SO₂的浓度,定量研究了在不同初始SO₂浓度下改性前后滤网的动态脱硫效率。结果表明：① ACF经HNO₃氧化改性处理后,表面微观结构有显著变化,比表面积、孔容、孔径分别由653.70m²/g、0.43cm³/g、2.64nm降低至488.84m²/g、0.32cm³/g、2.58nm,O—H和C—O的透射率分别由96%、95%降低至65.5%、75%,即表面酸性含氧官能团（羟基、羧基和醚基）含量增加;② 改性前后ACF对低浓度SO₂的平均动态脱硫效率分别为33%和75%,即改性后ACF的表面极性增强,滤网的动态脱硫效率提高了42%,应用于空调过滤网可有效改善室内空气品质。     

粘胶基活性炭纤维及其应用研究现状

粘胶基活性炭纤维是一种新型炭材料,结构特点鲜明,功能多样性强,除具备比表面积高、活性基团丰富等良好的吸附性能外,还有电性能、氧化还原性能、催化特性和生物相容性。综述了粘胶基活性炭纤维的结构性能特点及在环境工程领域中的应用情况,主要用于饮用水净化,工业废水处理,有害气体如SO2、NOx、挥发性有机物吸附等方面,并对粘胶基活性炭纤维在环保领域的应用前景进行了展望。     

活性炭纤维处理油田回注水的可行性

目前我国油田以向油层注水保持油层压力来提高原油采收率为主要采油手段，所注水98％都是经处理达标后的油田采出水。活性炭纤维（ACF）是一种新型高效吸附材料，孔径分布窄，比表面积大，再生条件温和，并可以根据处理吸附物质的大小调整ACF的孔隙大小，使其作为精细过滤材料处理油田回注水具有可行性，可实现吸附和过滤同时进行，提高注水水质。