CN105363408A - 多孔炭材料的表面处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多孔炭材料的表面处理方法，包括多孔炭材料的浸渍和低温加热等步骤。通过采用低温空气氧化，在多孔炭材料的孔道表面引入含氧官能团，同时利用与多孔炭浸渍的含氮化合物等低温热分解生成的含氮自由基，其与炭基质结合，在炭材料表面形成含氮官能团，实现多孔炭材料表面化学官能团的种类和数量的精确控制，改善了其对极性有机分子的吸附量和选择性吸附。

Description

多孔炭材料的表面处理方法

技术领域

本发明涉及材料合成和应用领域，尤其涉及一种多孔炭材料的表面处理方法。

背景技术

吸附法是目前处理低浓度挥发性有机物的有效方法之一，其是采用吸附剂将气体中的挥发性有机物分子吸附，净化后的气体排入大气中。工业上使用的吸附剂要求具有大的比表面积、高的吸附选择性、易操作的再生性能、良好的机械强度、热及化学稳定性、较大的吸附容量，以及良好的吸附动力学性质和较低的水蒸气吸附容量和较小的压力损失等。

多孔炭材料由于其特有的组成与结构、高的比表面积、有序的孔径分布及其具有高的热力学稳定性和化学惰性，在催化、吸附分离等领域具有重要的应用前景，而且也是目前在挥发性有机物的处理中最常用的吸附剂，常见的类型有活性炭或活性炭纤维等。

由于多孔炭材料是高温炭化活化所得，表面杂原子较少，因而，其表面呈疏水性，对极性分子的吸附主要是通过孔道的物理吸附，选择性较差，而且吸附量也有限，因此，对其进行改性，使其拥有更加优良的吸附性能是目前研究的热点。

研究发现，活性炭对有机物的吸附与活性炭本身的性质、有机物性质和吸附条件均有关系，其中最主要的影响因素是活性炭本身的性质，比如比表面积、孔径分布、杂质含量、疏水性、表面官能团的含量等物理和化学性质，尤其是表面官能团，其作为活性中心支配了活性炭的表面化学性质，对吸附起着关键作用。本领域公知，表面官能团的产生主要有两种途径：一是活性炭制备过程中，不完全炭化而残留的；二是对活性炭表面进行氧化、氨化等化学改性。研究也发现，在多孔炭材料中引入含氧官能团和含氮官能团对其吸附性能有所影响，但在目前的文献报道和实际生产中，主要以硝酸、硫酸等强氧化性的物质对多孔炭进行氧化，这种氧化程度剧烈、含氧官能团不能实现有效控制，同时氧化后的酸性废水处理也是面临的现实问题，而氨化同样也是在高温条件下(650-1000℃)将氨与多孔炭反应，在炭材料表面生成含氮官能团，存在问题是氨的利用率低、能耗高，甚至导致多孔炭的孔道结构发生变化。因此，亟需对目前的多孔炭材料表面修饰方式进行改进。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足提供一种多孔炭材料的表面处理方法，通过采用低温空气氧化，在多孔炭材料的孔道表面引入含氧官能团，同时利用与多孔炭浸渍的尿素等低温热分解生成的含氮自由基，其与炭基质结合，在炭材料表面形成含氮官能团，实现多孔炭材料表面化学官能团的种类和数量的精确控制，改善了其对极性有机分子的吸附量和选择性吸附。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种多孔炭材料的表面处理方法，包括：将多孔炭材料浸渍负载有氧化性能的化合物或含有上述化合物的材料，然后在低温条件下加热，得到经低温氧化处理的多孔炭材料。具有氧化性能的化合物是本领域技术人员公知的，优选可以是硝酸钾或氯酸钾。

浸渍时间优选1-4h。低温条件下加热的具体步骤为首先在50℃干燥2h，然后以5℃/min升温到250-500℃，恒温30min，作为优选，上述温度为250-300℃。

本发明处理方法还包括将多孔炭材料同时浸渍负载有含氮化合物或含有上述化合物的材料。所述含氮化合物可以是脲或硝化棉。

含有上述化合物的材料可以是本领域技术人员公知的，在本申请中优选硝化棉。硝化棉在250-500℃下分解产生含氮、含氧自由基，其与炭基质结合后在多孔炭材料表面形成-OH、-N-H、-C＝O、C-O-C，C-O-N或＞C-N等含氮和含氧官能团。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、对于含氧官能团的引入，避免使用现有技术中普遍采用的氧化程度剧烈的硝酸、硫酸等强氧化性物质，而是利用了低温空气氧化。

2、对于含氮官能团的引入，避免使用现有技术中普通采用的高温条件下(650-1000℃)的氨化反应，而是利用了尿素等在低温条件下分解生成的含氮化合物。

3、通过选择合适反应温度等条件对氧化过程进行调节，实现了多孔炭材料表面含氧和含氮官能团种类和数量的控制。

4、在多孔炭材料表面引入含氮或含氧等极性官能团提高了对极性分子的吸附量和选择性。

附图说明

图1氧化前后多孔炭材料表面的红外变化图，其中3500-3400cm^-1之间主要是N-H官能团的振动，1635cm^-1处主要是C＝O的振动，1413cm^-1和1247cm^-1处主要是C-O的伸缩振动。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明，但本发明要求保护的范围并不因此局限于实施例所表示的范围。

实施例1

多孔炭材料的表面处理：将活性炭纤维与其质量1％和5％的硝化棉浸渍处理1-4h，然后在50℃下干燥2h，放入马弗炉中，以5℃/min，升温到250和300℃，恒温30min，得到经硝化棉低温加热处理的活性炭纤维。其中样品ACF-O为表面未处理的空白对照，ACF-0-300表示未与硝化棉浸渍处理，氧化温度为300℃，ACF-1-250、ACF-5-250以及ACF-5-300分别表示浸渍负载有1％或5％的硝化棉，同时氧化温度为250或300℃的样品。

采用物理吸附仪对氧化处理前后多孔炭材料的孔道结构变化进行分析，结果如表1所示，表1示出了氧化前后各个样品中多孔炭材料的孔道结构变化情况，其中S_BET(m²/g)表示比表面积，V_total(cm³/g)表示总比容，V_micropore(cm³/g)表示微孔比容，V_mesopore(cm³/g)表示间隙比容，结果显示，经硝化棉低温加热处理后，样品的比表面积和孔容积均有所增加，而且提高氧化温度和硝化棉的用量对孔道结构变化的有显著影响，其中样品AcF-5-300(负载5％硝化棉在300℃下氧化30min)的比表面积和孔容积最大。

表1

对氧化处理前后多孔炭材料表面的化学官能团进行分析，结果如图1所示，其中3500-3400cm^-1之间主要是N-H官能团的振动，1635cm^-1处主要是C＝O的振动，1413cm^-1和1247cm^-1处主要是C-O的伸缩振动。结果显示，经硝化棉低温加热处理后，在多孔炭材料表面生成了上述含氧和含氮官能团，而且从附图中的变化趋势可以看出提高氧化温度和硝化棉的用量对含氮和含氧官能团的产生有显著影响，本领域技术人员根据上述结果，通过选择合适的氧化温度和硝化棉用量，可以实现了多孔炭材料表面含氧和含氮官能团种类和数量的初步控制。

实施例2

测定多孔炭材料对氨和二硫化碳的吸附量

采用常压流动吸附法进行活性炭纤维吸附量测定，室温条件下取0.5g活性炭纤维和处理后的活性炭纤维于含有氨或二硫化碳的5-10ml/L流动吸附容器中，每隔一定时间(1h，2h，3h)，称量活性炭纤维的质量，计算出增加值，除以活性炭纤维的质量，则获得对氨和二硫化碳的吸附量。结果显示经处理后，多孔炭材料对氨和二硫化碳的吸附量均有所增加，其中样品ACF-O(即未经处理的原料活性炭纤维)对氨和二硫化碳的吸附量分别是0.16g/g和0.22g/g，而样品ACF-5-300(负载5％硝化棉在300℃下氧化30min)对氨和二硫化碳的吸附量增加到0.32g/g和0.45g/g，上述结果表明，在多孔炭材料表面引入含氮或含氧等极性官能团提高了对极性分子的吸附量。

Claims (6)

1.一种多孔炭材料的表面处理方法，包括：将多孔炭材料浸渍负载有氧化性能的化合物或含有上述化合物的材料，然后在低温条件下加热，得到经低温氧化处理的多孔炭材料。

2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述低温条件下加热的具体步骤为首先在50℃干燥2h，然后以5℃/min升温到250-500℃，恒温30min。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的处理方法，其特征在于，所述方法还包括将多孔炭材料同时浸渍负载有含氮化合物或含有所述化合物的材料。

4.根据权利要求3所述的处理方法，其特征在于，所述含氮化合物或含有其的材料可以是脲或硝化棉。

5.根据权利要求1或3所述的处理方法，其特征在于，所述浸渍的时间为1-4h，所述化合物或材料的用量为多孔炭材料质量的1％-5％。

6.根据权利要求5所述的处理方法，其特征在于，将多孔炭材料与其质量的1％-5％的硝化棉浸渍处理1-4h，然后在50℃下干燥2h，放入马弗炉中，以5℃/min升温到250-300℃，恒温30min，得到经硝化棉低温加热处理的多孔炭材料。