活性炭纖維表面加載催化劑工藝

王宇翔

摘 ?要：活性炭纖維（ACF）是被活化的含碳纖維，是將某種含碳纖維經(jīng)過(guò)高溫活化，在碳表面產(chǎn)生納米級(jí)別的孔徑，增加碳的比表面，改變其物理和化學(xué)性質(zhì)。本文主要分析活性炭纖維表面加載催化劑工藝，利用化學(xué)溶液浸漬法和煅燒法，將氧化銅、二氧化鈰等加載到活性炭纖維表面，這種方法較為簡(jiǎn)單，而且還能得出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)論，提高活性碳纖維的吸附能力，從而為環(huán)境保護(hù)做出一定的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：活性炭纖維;催化劑;表面加載工藝;催化劑制備

Abstract：activated carbon fiber（ACF）is an activated carbon fiber，which activates a kind of carbon fiber at high temperature to produce nanometer pore size on the carbon surface，increases the specific surface of carbon，and changes its physical and chemical properties. In this paper，the surface loading catalyst process of activated carbon fiber is analyzed. Copper oxide and cerium dioxide are loaded on the surface of activated carbon fiber by chemical solution immersion and calcination. This method is relatively simple，and can also draw accurate data conclusions to improve the adsorption capacity of activated carbon fiber，thus making a certain contribution to environmental protection.

Keywords：activated carbon fiber;catalyst;surface loading process;catalyst preparation

硫的氧化物是產(chǎn)生酸雨和光化學(xué)煙霧的主要因素，不僅破壞生態(tài)環(huán)境，還會(huì)對(duì)人們的身體健康造成一定的損害。因此，在實(shí)施保護(hù)環(huán)境舉措的過(guò)程中，消除硫的氧化物成為重要手段之一。根據(jù)大量研究調(diào)查結(jié)果分析，很多金屬物質(zhì)具有一定的催化活性，特別是對(duì)一些污染物，而且對(duì)氧也有一定的親和力，能夠產(chǎn)生金屬氧化物，使得金屬物質(zhì)催化作用被消除。隨著人們對(duì)碳材料的認(rèn)識(shí)程度加深，碳材料逐漸成為催化劑被廣泛使用。[1]活性炭能夠凈化空氣、處理污水、凈化用水、電子和能源以及軍事防護(hù)中，而且還能將污水處理后重新利用。將活性炭應(yīng)用于消除硫的氧化物中，能夠與之發(fā)生催化氧化反應(yīng)，凈化一氧化氮廢氣，具有較好的應(yīng)用效果。中山大學(xué)材料科學(xué)研究所曾對(duì)ACF進(jìn)行研究，將ACF當(dāng)做催化劑、氨氣當(dāng)做還原劑，對(duì)一氧化氮進(jìn)行催化還原反應(yīng)。本次研究主要是分析活性炭纖維表面加載催化劑工藝，主要通過(guò)化學(xué)溶液浸漬法，分析活性炭表面加載催化劑的效果，從而達(dá)到改變活性炭纖維表面化學(xué)性質(zhì)，增加比表面積、增強(qiáng)孔結(jié)構(gòu)的目的。[2]

1 活性炭纖維表面加載催化劑實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料、儀器

碳纖維：使用日本公司的聚丙烯晴碳纖維。

其他材料： （硝酸銅晶體帶三個(gè)水分子）、 （六水合硝酸鈰）;純水、氬氣。

儀器：管式爐，化學(xué)實(shí)驗(yàn)器皿、玻璃試管若干，真空干燥箱。

1.2 催化劑的制備

1.2.1 ACF/氧化銅催化劑的制備

利用電子天平稱取四份0.5克的ACF，將其中三份ACF分別放在不同濃度的 溶液中，進(jìn)行等體積浸漬，時(shí)間為24小時(shí)。待24小時(shí)靜置之后取出ACF放在干凈整潔的干燥箱中進(jìn)行完全干燥處理，干燥箱的溫度設(shè)定為85℃。將另一份ACF放到純水中靜置24小時(shí)后取出放入干燥箱中進(jìn)行干燥，并將其作為對(duì)照組。[3]將四份ACF放在管式電爐中進(jìn)行加熱，利用氬氣進(jìn)行保護(hù)，設(shè)置溫度為220℃，將 進(jìn)行分解。待分解完成后，停止管式電爐加熱，并將ACF和氧化銅放置在充滿氮?dú)獾沫h(huán)境中進(jìn)行降溫處理，直至溫度達(dá)到常溫。對(duì)冷卻后的ACF和氧化銅進(jìn)行稱量，同時(shí)計(jì)算實(shí)際催化劑的附著比例，從而制備不同氧化銅負(fù)載量的樣品。[4]

1.2.2 ACF/二氧化鈰催化劑的制備

采用和上述制備方法類(lèi)似的方法制備ACF和二氧化鈰的催化劑， 的分解溫度為330℃。

1.2.3 ACF/ 催化劑的制備

利用電子天平稱取四份0.5克的ACF，采用上述同樣方法，選取一份為對(duì)照組，其余三份分被放在不同濃度的 、 混合溶液中。同樣制備不同負(fù)載量的ACF/ 催化劑，分解溫度為330℃。

2 活性炭纖維表面加載催化劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在完全附著情況下制備 溶液，得到理論負(fù)載量為10%的ACF/二氧化鈰催化劑實(shí)際負(fù)載量為3.69%，這個(gè)數(shù)據(jù)是多次研究后的平均數(shù)（實(shí)際負(fù)載量=多次（負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)/總質(zhì)量分?jǐn)?shù)）相加/次數(shù)），數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。在研究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，標(biāo)記的負(fù)載量均為理論值。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示。在經(jīng)過(guò)多次研究后得出，實(shí)際催化劑的負(fù)載量約為理論負(fù)載量的三分之一，而且還可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出催化劑的附著量和元素的投放量具有一定的線性比例，如圖1所示，能夠?yàn)橹谱鞔竺娣e的催化劑提供依據(jù)。[5]另外，在對(duì)所有制備樣品進(jìn)行電鏡掃描后，發(fā)現(xiàn)催化劑的負(fù)載量隨著溶液濃度的升高而升高，且得到的活性炭纖維表面附著的催化劑較為均勻。從實(shí)驗(yàn)中可以得出，當(dāng)溶液濃度為30%時(shí)，實(shí)際負(fù)載量越高，這說(shuō)明制備的催化劑附著較為均勻，能夠均勻的附著在活性炭纖維的表面。

本文研究采用化學(xué)溶液浸漬法探究催化劑附著情況，這個(gè)方法操作簡(jiǎn)單，而且催化劑的制備過(guò)程也較為簡(jiǎn)單，不需要大量的材料，也沒(méi)有復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，能夠有效控制ACF的使用劑量，盡管制備的催化劑負(fù)載量比理論負(fù)載量要地甚多，但是在等體積條件下，能夠有效控制物質(zhì)的使用量，避免出現(xiàn)大面積的物質(zhì)浪費(fèi)，利用多次浸漬實(shí)驗(yàn)，能夠提高催化劑的負(fù)載量。[6]

3 結(jié)論

總而言之，隨著人們生活水平的不斷提高，環(huán)境問(wèn)題日益突出，不管是生產(chǎn)還是生活中，都會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣、廢水等污染物，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞，近些年來(lái)，大量湖泊、河流水域被污染、同時(shí)汽車(chē)數(shù)量逐年遞增，造成的環(huán)境污染和大氣、水土破壞越來(lái)越嚴(yán)重。探究活性炭纖維表面加載催化劑工藝，使用化學(xué)溶液浸漬法，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，得出催化劑實(shí)際附著比例以及實(shí)際負(fù)載量更高的溶液濃度，能夠?yàn)槠渌卦诨钚蕴坷w維表面的加載實(shí)驗(yàn)打下來(lái)能更好的基礎(chǔ)，而且還能為工業(yè)化裝置大規(guī)模生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐，提高生產(chǎn)效益。[7]在環(huán)境保護(hù)中應(yīng)用活性炭纖維，能夠提高環(huán)境保護(hù)工作落實(shí)的質(zhì)量，推動(dòng)環(huán)保工作的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[2] ?都亞茹.改性活性碳纖維吸附氮氧化物的實(shí)驗(yàn)研究[D].太原理工大學(xué)，2019.

[3] ?都亞茹，張興惠，楊姣姣.浸漬改性活性碳纖維吸附氮氧化物性能[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2019，13（07）：1694-1702.

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[7] ?王延相，蘇順生，范汶鑫，秦建杰，瞿策，王成國(guó).加載金屬催化劑在碳纖維表面生長(zhǎng)多尺度碳納米管增強(qiáng)體[J].材料研究學(xué)報(bào)，2018，32（07）：495-501.