活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料的制備及性能研究

楊振峰 孔慶平 韓衛(wèi)敏 朱耿溪

摘 要：主要利用浸漬法在活性炭基底復(fù)合氫氧化鋰顆粒，并研究氫氧化鋰負(fù)載對(duì)活性炭結(jié)構(gòu)和性能的影響。一方面，利用氫氧化鋰實(shí)現(xiàn)活性炭的活化改性，提高其物理吸附性能;另一方面，引入氫氧化鋰，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，對(duì)酸性雜質(zhì)氣體進(jìn)行有效吸附，發(fā)揮物理吸附和化學(xué)吸附的協(xié)同作用。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，合成的活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料對(duì)氯氣、二氧化碳等酸性雜質(zhì)氣體的吸收效果明顯提高，作為過(guò)濾材料在氧燭供氧產(chǎn)品中表現(xiàn)出優(yōu)越的過(guò)濾凈化性能。

關(guān)鍵詞：活性炭;堿活化;浸漬法;氧燭過(guò)濾材料

活性炭有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和吸附容量，作為過(guò)濾材料得到了大范圍的應(yīng)用[1]。商業(yè)化的活性炭在實(shí)際應(yīng)用中往往需要經(jīng)過(guò)除雜、二次活化等處理，才能表現(xiàn)出更優(yōu)異的吸附性能。常見(jiàn)的活化方法包括物理活化法和化學(xué)活化法[2-3]。例如，將炭化產(chǎn)物和適當(dāng)?shù)臍鈶B(tài)物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)的氣體活化法（如水蒸汽活化、二氧化碳活化、氧氣活化等），將原料經(jīng)過(guò)化學(xué)物質(zhì)（常見(jiàn)的有氯化鋅、磷酸、硫酸、氫氧化鈉等）浸漬處理后，進(jìn)一步高溫炭化活化的化學(xué)活化法[4-5]。針對(duì)不同的應(yīng)用背景，活性炭采用不同的活化方式，達(dá)到增加比表面積、提高吸附性能的目的[6-7]。在氯酸鹽和高氯酸鹽化學(xué)氧燭制氧裝置中，也常常將活性炭作為過(guò)濾材料，因?yàn)檠鯛T產(chǎn)氧過(guò)程中會(huì)發(fā)生副反應(yīng)，產(chǎn)生少量氯氣，對(duì)人體可能產(chǎn)生一定的影響[8-10]。因此，在化學(xué)制氧產(chǎn)品中通常需要通過(guò)內(nèi)外部添加抑氯材料，避免有毒有害氣體的產(chǎn)生[11-12]。結(jié)合化學(xué)氧燭實(shí)際過(guò)濾需求，擬制備活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料，一方面，利用氫氧化鋰堿浸漬過(guò)程實(shí)現(xiàn)活性炭的活化改性，提高物理吸附性能;另一方面，氫氧化鋰引入后，可通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，對(duì)酸性雜質(zhì)氣體進(jìn)行有效吸附，從而發(fā)揮物理吸附和化學(xué)吸附的協(xié)同作用，改善氧燭供氧產(chǎn)品過(guò)濾系統(tǒng)的性能。

1?實(shí)驗(yàn)方法與儀器

1.1? 實(shí)驗(yàn)方法

首先，取200 g商業(yè)化活性炭，水洗酸洗干燥之后，置于燒杯中。其次，加入0.1 mol/L氫氧化鋰的乙醇溶液，直至液面完全浸沒(méi)活性炭表面，然后采用機(jī)械攪拌，連續(xù)攪拌24 h后，過(guò)濾干燥。最后，將浸漬處理后的活性炭裝在小瓷舟中，置于馬弗爐中350 ℃保溫4 h，即可制得活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料。

1.2? 實(shí)驗(yàn)儀器

用Bruker D8 Advance X射線衍射儀對(duì)樣品的相組成進(jìn)行分析。使用Hitachi SU 8010冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行樣品的微觀形貌表征。用TristarⅡ 3020表面吸附儀在77 K下進(jìn)行樣品的氮?dú)馕?脫附實(shí)驗(yàn)。用HITACHI U-3310紫外分光光度計(jì)測(cè)量樣品的紫外吸收效果。

2?結(jié)果與討論

2.1? 活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、形貌和表面性質(zhì)

樣品活性炭和活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料固體粉末的? ? ? X射線衍射分析如圖1所示。從圖1可以看出，樣品活性炭的固體粉末X射線衍射在23.00°和45.00°處有兩個(gè)彌散的衍射峰，對(duì)應(yīng)的是無(wú)定形活性炭的特征峰。除了出現(xiàn)活性炭的特征峰之外，活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料的固體粉末X射線衍射在20.39°和32.48°處出現(xiàn)了明顯的衍射峰，對(duì)應(yīng)氫氧化鋰的（001）和（101）晶面（PDF#32-0564）。另外，由于小粒徑氫氧化鋰的低結(jié)晶度和碳材料的存在，這些衍射峰的強(qiáng)度相對(duì)較弱。但從相結(jié)構(gòu)上來(lái)看，成功制得了活性炭和氫氧化鋰兩相復(fù)合材料。

樣品活性炭的掃描隧道電子顯微鏡圖如圖2（a）所示，從中可以看到活性炭表面有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)?；钚蕴?氫氧化鋰復(fù)合材料的掃描隧道電子顯微鏡圖如圖2（b）所示，從中可以清楚地看到，經(jīng)過(guò)氫氧化鋰浸漬活化處理后，在活性炭的表面除了孔隙結(jié)構(gòu)，還附著許多結(jié)晶的小顆粒。這主要是因?yàn)樵诟邷睾娓蓵r(shí)，吸附在活性炭孔道內(nèi)的氫氧化鋰粒子流出，在表面二次結(jié)晶形成小晶粒。觀察活性炭表面的微觀形貌變化發(fā)現(xiàn)，通過(guò)堿浸漬，成功地將氫氧化鋰小顆粒負(fù)載在活性炭的表面，得到了活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料。

氮?dú)馕?脫附曲線如圖3（a）所示，可見(jiàn)均為典型的Ⅳ型吸附等溫曲線，H4型回滯環(huán)，說(shuō)明孔結(jié)構(gòu)很不完整，對(duì)應(yīng)活性炭的狹縫孔。實(shí)驗(yàn)測(cè)得活性炭的比表面積為? ? ? ? ? ? ? 745.00 m2/g，而活性炭-氫氧化鋰的比表面積為798.10 m2/g，比表面積有所增大，說(shuō)明氫氧化鋰浸漬處理起到了活化活性炭的作用。不同樣品的孔徑分布如圖3（b）所示，從中可以看出，活性炭在氫氧化鋰處理前后介孔部分孔徑分布變化不大，可能是因?yàn)樵诟邷睾娓蓵r(shí)，吸附在活性炭孔道內(nèi)的離子流動(dòng)主要形成微孔空隙。

2.2? 活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料在氧燭過(guò)濾系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用

圖4為某型號(hào)化學(xué)氧燭的實(shí)際產(chǎn)氧流量，從圖4中可以看出，該型號(hào)3個(gè)氧燭產(chǎn)生的氧氣總量均為30 L，平均氧氣流速均為5 L/min，而且3個(gè)氧燭實(shí)際產(chǎn)氧流量曲線基本保持一致，說(shuō)明該型號(hào)化學(xué)氧燭性能穩(wěn)定。

以該型號(hào)化學(xué)氧燭作為發(fā)生裝置，將制備的活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料作為過(guò)濾材料裝填到過(guò)濾器中，對(duì)氧燭產(chǎn)生的氧氣進(jìn)行過(guò)濾，并對(duì)一些特定氣體進(jìn)行含量測(cè)定，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料的過(guò)濾效果明顯高于活性炭的過(guò)濾效果。經(jīng)過(guò)過(guò)濾之后，在氧燭產(chǎn)生的氣體中，氯氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)由原來(lái)的18.6×10-6降至10.9×10-6，二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也由原來(lái)的165×10-5降至93×10-5。這主要是因?yàn)榛罨^(guò)程同時(shí)引入了氫氧化鋰小顆粒，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，對(duì)氯氣、二氧化碳等酸性雜質(zhì)氣體也有很好的吸收性能。另外，氧氣純度也由99.6%升至99.8%，充分說(shuō)明活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料具備更好的氧燭氣體過(guò)濾效果。

3?結(jié)語(yǔ)

主要通過(guò)浸漬法制備了活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料，對(duì)其結(jié)構(gòu)、形貌和表面性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試表征，并且將其作為過(guò)濾材料應(yīng)用到化學(xué)氧燭的過(guò)濾系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)證明，浸漬法制得的活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料，可以發(fā)揮物理吸附和化學(xué)吸附的協(xié)同作用，大大提升了活性炭對(duì)氯氣、二氧化碳等酸性雜質(zhì)氣體的吸收率，提升了氧燭供氧產(chǎn)品活性炭過(guò)濾藥劑的過(guò)濾凈化性能。同時(shí)，該活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料可推廣應(yīng)用于其他有過(guò)濾凈化需求的領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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