來源：韓研活性炭網 作者：韓研活性炭網 2017-12-07
活性炭涂覆硅的吸附性能，本文講述了以碳化硅為活性炭涂層的新型吸附劑的化學和力學性能。吸附劑通過以四甲基硅烷(TMS)為前體的活性炭的化學氣相滲透(CVI)來制備。活性炭由于其高孔隙率，大比表面積和化學性質而成為重要的吸附劑之一。它在許多技術應用中使用，作為氣體凈化，氣體分離，脫色，不同的液體與溶劑和水的純化。然而，活性炭也有一些缺點。低機械和化學穩定性使其不適用于例如流化床吸附器和某些液體吸附過程中的應用。
此外，已知在氧化條件下反應形成CO和/或CO 2，這可能導致吸附劑著火。因此，利用抗氧化材料涂覆活性炭作為涂層而不改變孔結構來利用陶瓷的性能是有前景的選擇，從而大大地保持了吸附能力。SiC的特點是其硬度和化學惰性。一種常見的方法來制造的碳化硅活性炭官能材料，其覆蓋了范圍廣泛的從高電壓和電子裝置，以高溫擴散阻擋層的應用程序，是化學氣相沉積(CVD)。這個過程也可能發生在多孔材料中，然后被稱為化學氣相滲透(CVI)。在所有情況下，模板的初始形態都很好地適應或僅由滲透過程簡單修改。但是，氯化硅作為前體的使用通常在技術上是不希望的，因為主要在潮濕的環境中產生了相當具有腐蝕性的HCl。在我們以前的研究中，四甲基硅烷(TMS)被證明是活性炭中SiC的CVI的前體。TMS的優點是操作簡單，成本適中，可用性高。結果表明，可以通過碳化硅涂層改性活性炭的性能，而不會顯著改變吸附能力。此外，與未涂覆的活性炭相比，氧氣氛中的耐高溫性增加。
目前的工作介紹了這種涂層活性炭的特性，有助于判斷技術應用的可能改進。兩種不同類型的活性炭分別在973.15和1098.15K滲透。顯示了表征這些改性吸附劑的物理化學性能和吸附性能的實驗結果。在流化床吸附器中的實驗證明機械穩定性的改變。
圖1. 活性炭C40/4的掃描電子顯微鏡圖像(a)未涂覆的，(b)涂覆有二氧化硅(SiO2)和(c)涂覆有碳化硅(SiC)的活性炭。
四甲基硅烷的滲透導致活性炭的外表面和內孔系統的涂層。在700攝氏度中，用二氧化硅涂層，而在820攝氏度，用碳化硅涂層(SiC)的被證明活性炭的耐熱效果最好。除了結構性質之外，通過吸附丙酮，乙醇和甲苯來研究吸附性質。在等溫線的表示中，將負載標準化到表面并繪制相對壓力。歸一化消除了活性炭表面積對負載差異的影響，因此等溫線之間的差異可歸因于表面化學的差異。
圖2顯示極性溶劑丙酮在25攝氏度的吸附等溫線。未涂覆的活性炭A35/4與活性炭C40/4相比的負載顯著較高。兩種碳都是由相同的原料制造的，但活性炭A35/4在水蒸氣氣氛中經過較長時間的活化。由于原始生產過程中氧化條件下活化時間較長，活性炭A35/4具有較高的極性表面基團數量，有利于極性丙酮的吸附。在700攝氏度下涂覆的樣品的負載對于兩種類型的活性炭具有相同的數量級，因為由于內部孔系統的涂覆，表面特性的差異減小，并且表面化學的相關修改。2涂層和極性丙酮，極性活性炭A35/4上的負載僅略有變化。在820攝氏度下涂覆的樣品也具有可比較的負載。由于非極性SiC涂層和由此導致的較弱的相互作用，負載低于在700攝氏度下涂覆的樣品的負載。
圖2. 25攝氏度下活性炭的丙酮吸附測量。
滲透實驗的目的是生產具有改進的機械和化學耐受性的活性炭，同時保持吸附性能。因此，除了結構和吸附性質外，還研究了機械和化學性質。為了表征未涂覆和涂覆的活性炭，在77K下測量氮等溫線。使用根據BET方法孔體積在相對壓力p / p 0 =0.98 下測定比表面積。使用非局域密度泛函理論計算活性炭孔徑分布。與表面不同的相互作用和吸附不同尺寸的分子的影響，用丙酮，乙醇和甲苯與25攝氏度中熱重量天平吸附測量。使用標準化測量方法研究堆積密度，灰分含量，顆粒硬度，磨損，導電率，水溶性組分和pH值。測定堆積密度和灰分含量。
活性炭A35/4在寬范圍內表現出對芳族甲苯的優選吸附，在甲苯摩爾分數為約0.75時具有共沸點。這僅僅意味著芳族官能團與極性官能團的比例約為3:1。由于用極性SiO 2涂覆，在700攝氏度下涂覆的活性炭的共沸點移動到0.5。這意味著芳族官能團與極性官能團的比率降低，而對甲苯的選擇性降低。其中與未涂覆的材料相比，在700攝氏度下涂覆的活性炭的容量對丙酮減少了25%，對于甲苯減少了33%。涂層明顯減少芳香基團的數量比極性基團的數量多。
使用活性炭中的陶瓷材料的化學氣相滲透，開發了新穎的吸附劑。這些材料的許多性質首次被分析。四甲基硅烷在700攝氏度和820攝氏度進行滲透實驗，質量恒定增加25%。空氣接觸后，活性炭在700攝氏度涂覆了SiO 2和在820攝氏涂覆了SiC。新材料的特點就其吸附性能和機械以及耐化學性，以評估其在技術應用中的使用。顯示了由于涂層導致的材料的一些改進，使得它們對于技術吸附過程有前途。
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