三聚氰胺改性沥青基球形活性炭的实验研究

三聚氰胺改性沥青基球形活性炭的实验研究

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三聚氰胺改性沥青基球形活性炭的实验研究1

刘小军，詹亮，梁晓怿，乔文明，凌立成

华东理工大学化学工程联合国家重点实验室，上海（200237）

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摘 要：以三聚氰胺为改性剂，修饰了沥青基球形活性炭的表面化学性质。分别采用热重分析仪（TGA）、气体吸附仪、X射线光电子能谱仪（XPS）等对球形活性炭改性前后的性质进行了分析与表征。结果表明：浸渍三聚氰胺高温处理改性是一种有效的修饰沥青基球形活性炭表面化学性质的方法。通过调节球形活性炭与改性剂的浸渍比，能够获得具有不同孔隙率和氮元素含量的沥青基球形活性炭。在球形活性炭与改性剂的浸渍比为1:0.8时，改性球

其氮元素含量相应从0.3%形活性炭的BET比表面积从改性前的1000 m2/g下降到795 m2/g，

增加到5.4%，氮在球形活性炭表面的存在形式为吡啶和吡咯类氮。

关键词：材料科学；活性炭；改性；三聚氰胺

中图分类号：TQ425.1+1 文献标识码：A

0 引言

在沥青基球形活性炭的实际使用过程中，影响其性能的主要因素有孔结构参数和表面化学性质。孔隙结构主要是指活性炭的比表面积、孔容及孔径分布，决定了活性炭的吸附速率和吸附容量。表面化学性质主要是指活性炭表面化学基团及其分布，为活性炭表面的杂原子基团，如含氧、氮、硫等官能团，活性炭的表面官能团作为活性中心支配着活性炭表面的化学性质，决定了其吸附、亲（疏）水性质、催化、氧化还原及酸碱性等[1]。

然而，以常规方法制得的沥青基球形活性炭表面化学性质较为单一，为含氧类官能团，且不可控，限制了在实际应用过程中的吸附性能。因此，表面改性处理对沥青基球形活性炭吸附性能的研究越来越受到重视。汤进华等[2]以HNO3和H2O2对沥青基球形活性炭进行表面改性，增加了表面的C=O、O-C=O等含氧官能团，使其对污染气体甲醛的吸附容量从原来的198.9 mg/g提高到256 mg/g和274.7 mg/g；刘朝军等[3]对沥青基球形活性炭在400和450 ℃进行空气氧化改性处理，通过引入含氧类官能团改善了活性炭表面的化学性质和表面润湿性，提高了对苯酚在环己烷体系下的吸附性能。以上研究均集中在通过后期改性使得球形活性炭表面具有更多的酸性含氧官能团，而没有涉及到碱性含氮类官能团。据文献报道

[4-9]，表面含氮官能团的存在能够调节活性炭的pH值，使其在一定程度上显碱性，在吸附脱除H2S、SO2、NO等还原性气体过程中成为催化活性中心，能够大幅度提高活性炭对此类物质的吸附性能。

本文以三聚氰胺为改性剂，研究其对沥青基球形活性炭表面化学活性的修饰作用。 1 实验

1.1 样品制备

按文献报道[10]方法制备得到具有一定孔隙结构的沥青基球形活性炭（记为Mela-0），按球形活性炭/三聚氰胺为1:0.1，1:0.3，1:0.5和1:0.8（质量比）的浸渍比引入三聚氰胺，然后在惰性气体的保护下升温至850 ℃并恒温处理30 min。样品冷却后在去离子水中煮沸1 h以去除残留的可溶性组分，烘干后样品按照浸渍比分别记为Mela-0.1,Mela-0.3,Mela-0.5和1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（20070251008）的资助。

三聚氰胺改性沥青基球形活性炭的实验研究

Mela-0.8。 1.2 测试及表征

1.2.1 热分析（TG-DTG）

样品的热重分析(theoremgravity analysis,TGA)在美国TA公司生产的SDT Q-600综合热分析仪上进行。

1.2.2 孔结构测试

利用美国Micromeritics公司生产的ASAP 2020吸附仪，采用容量法以N2为吸附质，在液氮温度下（77 K）进行吸附等温线的测试，测试完成后由BET法计算样品的比表面积，总孔孔容（Vt）由相对压力为p/p0=0.97时测得，微孔孔容（Vmic）由t-plot法测得，中孔孔容（Vmes）为总孔孔容与微孔孔容的差值。采用DFT (density functional theory )法[11,12]计算样品的全孔分布。

1.2.3 X射线光电子能谱（XPS）

XPS所用仪器为Kratos Axis Ultra DLD型X射线光电子能谱仪，采用单色化Al靶射线。

1.2.4 元素组成

采用德国Sartorius Gmbh, Vario EL Ⅲ型元素分析仪测定。

2 结果与讨论

2.1 炭化行为分析

三聚氰胺改性沥青基球形活性炭的实验研究

图1 各样品的TG-DTG曲线

Fig. 1 TG-DTG curves of samples

图1为改性剂三聚氰胺、预活化PSAC以及浸渍改性剂PSAC的热失重曲线。从图1(a)可以看到，改性剂在惰性气体保护中的分解起始温度为250 ℃，终止温度为361 ℃。图1 (b)为所选原料的高温热失重行为曲线，1000 ℃时其失重量仅为2.8 %，主要是原料孔隙结构中吸附物（主要为水蒸气以及空气）在高温下逸出和部分高温不稳定表面官能团的分解所致。 图1(c)-(f)为原料浸渍不同比例改性剂后的热失重曲线。可以看出，其失重曲线根据DTG峰可以分为4个区间：28~250 ℃、250~400 ℃、400~600 ℃以及600~1000 ℃。在28~250 ℃，各样品均出现明显的失重及DTG峰，主要为孔隙结构内的吸附物逸出导致；在250~400 ℃，样品失重速率加快，呈现较强烈的DTG峰，产生的原因主要是由于改性剂三聚氰胺分解，并且随着改性剂浸渍量的增加，其失重量和DTG峰强度不断增加；在400~600 ℃，样品的热失重行为并没有因为改性剂三聚氰胺的 …… 此处隐藏：9178字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……