CN103769065A - 一种提高对非极性分子吸附率的活性炭改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高对非极性分子吸附率的活性炭改性方法，所述材料的制备方法，首先将普通活性炭放置在高温烘箱内加热，再将聚二甲基硅氧烷（PDMS）和经过烘箱加热的活性炭，按照一定的质量比，放入烘箱内，密封后对其进行加热，在此过程中，通过汽化PDMS，促使活性碳纤维表面形成疏水性的薄膜，膜的厚度可以通过使用不同加热温度和不同PDMS与活性炭的质量配比进行调整，至此活性炭的改性过程完成，制的活性炭封装备用。本发明中涉及的活性炭改性过程简单，操作方便，经过加膜的活性炭能显著提高对气态非极性分子的吸附率。
Description
技术领域
本发明属于空气净化材料制备领域，具体涉及一种提高对非极性分子吸附率的活性炭改性方法。
背景技术
活性炭具有很大的比表面积和发达的孔隙结构，因活性炭性价比高、化学稳定性好、吸附性能优良、热稳定性好及便于再生利用和相当的硬度等优点而成为空气污染物净化技术中首选的吸附剂材料。活性炭的比表面积很大，所以能与气体（杂质）充分接触。当这些气体分子碰到吸附孔被吸附，起到净化作用。活性炭不仅含碳，而且在制造过程中由于利用极性分子活化，导致吸附孔表面形成各种化学基团，例如羰基、羧基、酚类、内酯类、醌类、醚类[黄振兴等.活性炭技术基础.北京：兵器工业出版社，2006:3~5.]。这些表面上含有的氧化物和络合物，有些来自原料的衍生物，有些是在活化时、活化后由空气或水蒸气的作用而生成。有时还会生成表面硫化物和氯化物。这些表面活性基团促使在活性炭进行净化气体吸附时，优先选择极性分子的气态污染物，造成对一些非极性的气态污染物分子的净化效果有限，如苯、二氧化碳、四氯化碳等。
活性炭在吸附过程中对非极性分子的“免疫”现象，使它在实际应用过程中造成了一定不良影响。在半封闭的交通环境中，如小汽车、轮船、飞机等，活性炭在对舱内的气体进行净化时，对于一些极性分子的优先吸附，往往造成它对该类环境中其他大量存在的一些非极性气态污染物的净化效果较差，如苯、二氧化碳等。同时，活性炭在湿度比较高的情况下，相比较于对非极性气态污染物，对无毒无害的水分子吸附作用更强，不仅造成净化效果不佳，同时缩短了活性炭的使用寿命，造成频繁更换活性炭的麻烦。在化工产业中，对非极性分子为特征污染物的废气净化，普通活性炭的净化效果欠佳，造成活性炭使用的浪费。气体回收或者提纯过程也往往由于普通活性炭的这一吸附特性，限制了它的应用。所以，活性炭的这些表面活性基团对非极性分子的吸附造成的不利影响，是实际工艺中亟待进行深入的研究和探讨并加以解决的。
发明内容
本发明针对上述当前实际应用技术中存在的缺点和不足，发明了一种提高对非极性分子吸附率的活性炭改性方法，旨在解决活性炭在一些应用领域中净化效果不佳，使用寿命短而造成频繁更换活性炭的麻烦。
本发明中，涉及的一种提高对非极性分子吸附率的活性炭改性方法，具体步骤如下：
（1）取待改性活性炭，放置在高温烘箱内加热。控制高温烘箱的温度为250~350℃，加热时间为2~4h。冷却后，将经过初步处理的活性炭封装备用；
（2）将聚二甲基硅氧烷（PDMS）和经过烘箱加热的活性炭按照100:1~200:1的质量比，放入烘箱内，密封后对其进行加热，设置温度为100~220℃，加热时间是0.5~2h。让活性炭自然冷却到50℃以下，封装备用。
本发明中，对活性炭改性过程中所涉及的加热或冷却时，所处的环境是真空、纯氮气或者氧气体积分数低于5%的状态。
本发明与现有对活性炭进行改性的方案和技术相比，具有以下创新和优势：
（1）普通的活性炭在生产过程中，其表面会形成各种活性基团，这些表面活性基团具有极性，促使在活性炭进行净化气体吸附时，优先选择极性分子的气态污染物。而本发明涉及的改性活性炭，能有效解决普通活性炭对极性分子优先吸附的问题，提高对非极性分子的吸附率，针对特征污染物为非极性分子的场合，经过改性的活性炭具有很大的优势。
（2）在一些特定环境中，如小汽车、轮船、飞机等。活性炭在使用过程中存在不方便频繁更换的局限。通过改性的活性炭，能够在吸附过程中，避免对某些极性非污染物分子（如水分子）的吸附，延长活性炭的吸附寿命，避免活性炭的频繁更换。
（3）本发明所涉及的活性炭改性方法，对活性炭所加的是PDMS疏水膜，PDMS价格便宜，惰性，无毒，不易燃。相较于其它材料，具有很大的优势，同时在加膜时，所处环境保持氧气体积分数低于5%，避免了活性炭表面在制造过程中各种化学基团的形成。
（4）本发明中，可以通过控制温度，使得PDMS在密封腔中挥发成蒸气，并达到饱和，促使活性活性炭表面形成疏水性的薄膜，其中膜的厚度可以通过使用不同加热温度的进行调整。加膜过程涉及材料和工具简单，可控性强，经过加膜的活性炭能显著提高对气态非极性分子的吸附率。
附图说明
图1 制备改性活性炭的流程图。
具体实施方式
以下结合附图1和发明人依本发明的技术方案所完成的具体实例，对本发明作进一步的详细描述。
实施例1
取活性炭颗粒，将其置于烘箱内加热，设置加热温度为300℃，加热时间为2h，烘箱内气体为N2。取质量比为1:150的经过预处理的活性炭和聚二甲基硅氧烷（PDMS），放入烘箱中，设置加热温度为100℃，加热时间为1.5h。待活性炭自然冷却到50℃以下，得到加膜活性炭1，封装备用。
取制得的活性炭1，通入苯、甲苯和氮气组成的混合气体，进行静态吸附试验，以测试其净化效果以及活性炭的穿透时间。混合气体中包含甲苯和苯的气体浓度皆为1000ppm，吸附柱的尺寸为 
12mm×300mm，稀释的混合气体气流量为110mL/min，实验温度为30℃。
取制得的活性炭1，通入苯、水分和氮气组成的混合气体，进行静态吸附试验，以测试其净化效果以及活性炭的穿透时间。混合气体中苯的气体浓度为1000ppm，湿度为80%，吸附柱的尺寸为
12mm×300mm，稀释的混合气体气流量为110mL/min，实验温度为30℃。
实施例2
取活性炭颗粒，将其置于烘箱内加热，设置加热温度为300℃，加热时间为2h，烘箱内气体为N2。取质量比为1:150的经过预处理的活性炭和聚二甲基硅氧烷（PDMS），放入烘箱中，设置加热温度为150℃，加热时间为1.5h。待活性炭自然冷却到50℃以下，制得活性炭2，封装备用。
取制得的活性炭2，通入苯、甲苯和氮气组成的混合气体，进行静态吸附试验，以测试其净化效果以及活性炭的穿透时间。混合气体中包含甲苯和苯的气体浓度皆为1000ppm，吸附柱的尺寸为
12mm×300mm，稀释的混合气体气流量为110mL/min，实验温度为30℃。
取制得的活性炭2，通入苯、水分和氮气组成的混合气体，进行静态吸附试验，以测试其净化效果以及活性炭的穿透时间。混合气体中苯的气体浓度为1000ppm，湿度为80%，吸附柱的尺寸为
12mm×300mm，稀释的混合气体气流量为110mL/min，实验温度为30℃。
实施例3
取活性炭颗粒，将其置于烘箱内加热，设置加热温度为300℃，加热时间为2h，烘箱内气体为N2。取质量比为1:150的经过预处理的活性炭和聚二甲基硅氧烷（PDMS），放入烘箱中，设置加热温度为200℃，加热时间为1.5h。待活性炭自然冷却到50℃以下，制得活性炭3，封装备用。
取制得的活性炭3，通入苯、甲苯和氮气组成的混合气体，进行静态吸附试验，以测试其净化效果以及活性炭的穿透时间。混合气体中包含甲苯和苯的气体浓度皆为1000ppm，吸附柱的尺寸为
12mm×300mm，稀释的混合气体气流量为110mL/min，实验温度为30℃。
取制得的活性炭3，通入苯、水分和氮气组成的混合气体，进行静态吸附试验，以测试其净化效果以及活性炭的穿透时间。混合气体中苯的气体浓度为1000ppm，湿度为80%，吸附柱的尺寸为
12mm×300mm，稀释的混合气体气流量为110mL/min，实验温度为30℃。
对比例
取未经过加工的活性炭4，通入苯、甲苯和氮气组成的混合气体，进行静态吸附试验，以测试其净化效果以及活性炭的穿透时间。混合气体中包含甲苯和苯的气体浓度皆为1000ppm，吸附柱的尺寸为?12mm×300mm，稀释的混合气体气流量为110mL/min，实验温度为30℃。
取未经过加工的活性炭4，通入苯、水分和氮气组成的混合气体，进行静态吸附试验，以测试其净化效果以及活性炭的穿透时间。混合气体中苯的气体浓度为1000ppm，湿度为80%，吸附柱的尺寸为?12mm×300mm，稀释的混合气体气流量为110mL/min，实验温度为30℃。
以下是各实施例的应用效果对比。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一股原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种提高对非极性分子吸附率的活性炭改性方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）取待改性活性炭，放置在高温烘箱内加热；控制高温烘箱的温度为250~350℃，加热时间为2~4h；冷却后，将经过初步处理的活性炭封装备用；
（2）将聚二甲基硅氧烷和步骤(1)得到的活性炭按照100:1~200:1的质量比，放入烘箱内，密封后对其进行加热，设置温度为100~220℃，加热时间是0.5~2h；让活性炭自然冷却到50℃以下，封装备用。
2.根据权利要求1中所述的一种提高对非极性分子吸附率的活性炭改性方法，其特征在于对活性炭改性过程中所涉及的加热或冷却时，所处的环境是真空、纯氮气或者氧气体积分数低于5%的状态。
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