活性炭改性后增强水蒸汽吸附

　　传统方法难以制备出具有特定功能的优质活性炭，需要通过改变活性炭表面的理化性质和优化其吸附性能的全部潜力，可以满足生产、生活和工程实验日益增长的需求。虽然比表面积和孔结构的空间布局对活性炭的吸附能力起着决定性作用。但是表面化学特性，如表面化合物的种类和数量、表面含氧官能团和表面杂原子，它们极大地影响极性吸附物或非极性吸附物与活性炭之间的相互作用。这些含氧官能团的存在直接或间接影响活性炭表面的微观理化性质，影响活性炭的宏观吸附性能。为了改善水蒸气吸附，本研究采用草酸-乙酸乙酯酸性水解对蜂窝活性炭进行改性并引入亲水性官能团。

　　活性炭表面改性

　　表面酸改性：将3g干净的活性炭放入大试管中，在沸水中浸泡10分钟，用玻璃棒连续搅拌。沥干水后，再用去离子水清洗3~5次。将活性炭放入烘箱中，在50℃下干燥12小时，即产生未改性的原活性炭。将3g未改性活性炭放入大试管中，将30mL草酸倒入大试管中，摇匀，将试管置于40℃恒温水浴中。每小时用玻璃棒搅拌一次高浓度草酸溶液的结晶析出，避免溶液长时间在低温下静置，影响酸浸效果。浸泡24小时后，取出活性炭，用去离子水洗涤数次，使pH值呈中性。然后，在80℃下干燥活性炭。届时，将活性炭标记为酸改性活性炭。

　　表面酯水解改性：取1g不同浓度的草酸改性活性炭，按1：3的比例加入不同浓度的草酸溶液和乙酸乙酯溶液。草酸溶液应先引入活性炭表面，然后倒入乙酸乙酯溶液中。最后应置于40℃恒温水浴中进行水解反应。由于乙酸乙酯过量，先前加入的草酸会充分反应，最终水解成乙酸和乙醇。静置24小时后，用去离子水清洗干燥的活性炭备用。在这个过程中，活性炭中未反应的乙酸乙酯和生成的乙醇由于热变化而挥发。

　　从图1中可以看出，改性前的样品表面光滑，表面中孔数量少。草酸改性后，活性炭表面的微观形貌发生显着变化，导致不均匀、粗糙、多孔、孔形和孔分布不规则等。这些变化提高了比表面积和孔结构，更有利于活性炭对水蒸气等极性物质的吸收。

　　图1：未改性活性炭和草酸改性活性炭的SEM比较。(a-c)显示未改性活性炭在100μm、20μm和1μm处的SEM图像，而图像(a')、(b')和(c')对应于草酸在100μm、20μm和1μm的放大倍率下修饰活性炭的SEM图像。

　　改性活性炭的水汽吸附性能

　　活性炭吸附理论，由于吸附剂表面的原子力场是不饱和的，具有过剩的容量，所以固体可以吸附其他物质。当气体分子移动到固体表面并与之碰撞时，其中一部分会被固体吸附并释放出一定的吸附热。然而，吸附饱和的固体表面在碰撞过程中不会再次被吸附。对于一些被吸附分子，当吸附剂的重力场势垒低于热运动的动能时，就会离开吸附剂，回到气相。此外，吸附分子表面均匀，不会相互影响。此外，返回气相的机会不受相邻吸附分子或吸附位置的影响。

　　根据所产生的气体吸附在固体表面的厚度与分子之间的对比，可分为单层吸附和多层吸附。多层吸附的第一分子层通常称为单分子层。根据孔径大小和吸附位置，介孔表面存在毛细管冷凝吸附和微孔内部的微孔体积填充吸附。吸附性质有物理吸附和化学吸附之分，后者为单层吸附，前者多为多层吸附，但有时也可能发生单层吸附。在实际的吸附过程中，并没有严格的标准来区分物理吸附和化学吸附，不宜将该过程视为单一的物理吸附或化学吸附。对于同一种物质，在不同温度下，物理吸附可能会转变为化学吸附，两种吸附也可能同时发生。

　　改性活性炭对水蒸气的静态吸附性能

　　可编程恒温恒湿箱对不同改性方式下活性炭吸附水蒸气能力的温湿度控制精度进行测试，以吸附的水蒸气质量表示按单位质量的活性炭。恒温恒湿箱确保活性炭在相对恒定的温度和湿度条件下吸附水蒸气。为此，在实验中设置了三组温湿度条件，整体温度控制在20.5℃-30.5℃，相对湿度控制在60%-90%。我们用电子天平称取活性炭1g，放入鼓风干燥箱中，120℃干燥30分钟。当活性炭在烤箱中冷却至室温后，将其放入预设温度和湿度条件下的恒温恒湿柜中。活性炭每十分钟称重一次，然后立即放回恒温恒湿柜。在此过程中，需要避免进出房间时因开门导致房间内的温度和湿度波动。实验测试了活性炭在一小时内的增重变化。当两组测量值之差小于2%时，认为活性炭的吸附能力是饱和的，从而计算单位质量水蒸气吸附能力的动态变化。

　　改性活性炭对水蒸气的吸附性能数据分析

　　给定相同的温度和湿度(30℃，80%)，图2为不同改性方法下活性炭的静态吸附曲线。前10分钟，活性炭的吸附速度明显加快，重量上升。然后，30分钟后，吸附容量接近饱和，上升速度减慢。如图2a所示，在不同的酸浓度下，草酸改性活性炭比未改性和其他改性活性炭具有更高的吸附率和更大的累积吸附容量。与未改性活性炭相比，吸附量提高了15.7%。静态吸附结果与活性炭的比表面积变化相似，这进一步说明了由于草酸改性和蜂窝活性炭的孔体积增加的比表面积。它是提高活性炭吸附能力的有效手段。

　　图2：相同温度和湿度和不同改性方法下活性炭的静态吸附曲线。(a)相同温度和湿度下不同浓度草酸改性活性炭的水蒸气静态吸附曲线。(b)相同温度和湿度下不同浓度草酸+酯水解改性活性炭的水蒸气静态吸附曲线。

　　吸湿对比实验分析了未改性、两种草酸改性和酯水解的活性炭在不同湿度或温度条件下对水蒸气的吸附性能。如图3a所示，在相同温度下，活性炭的吸附率随着空间内相对湿度的增加和吸附水平的提高而提高。在相同的相对湿度下，活性炭的吸附量和吸附率均随着空间温度的升高而降低，从而加快了吸湿率如图3b所示。当水蒸气的相对压力较低时，分布在活性炭表面的许多亲水性官能团通过与水分子以氢键连接而起主导作用。随着相对压力的升高，随后进入活性炭的水分子依次吸附在先前吸附的水分子上，形成水分子簇。在此之后，水团分解并开始填充孔隙，当它们长到一定大小时。活性炭微孔中的微小水分子随着温度的升高首先离开活性炭，聚集在簇上部的水分子在加热后被分解和解吸。最后，由于加热后氢键断裂，通过氢键与亲水基团连接的水分子不断离开活性炭。这表明通过氢键与亲水性官能团连接的水分子比填充在微孔中的水分子具有更好的热稳定性。

　　图3：活性炭在(a)相同温度和不同湿度下，(b)相同湿度和不同温度下的动态吸附曲线。

　　蜂窝活性炭的改性使表面含氧官能团的种类更加丰富，这对蜂窝活性炭的水蒸气吸附性能起着至关重要的作用。随着草酸浓度的增加，比表面积先升高，然后再降低。当草酸浓度为0.6mol/L时，改性活性炭的比表面积比未改性活性炭高20%。乙酸乙酯水解导致表面原始官能团更丰富，总酸性官能团数量更多。此外，优化了活性炭的亲水性。蜂窝活性炭表面的含氧官能团越多，蜂窝活性炭的水蒸气吸附性能越好。当草酸浓度达到合适比例时时，比表面积比未改性活性炭提高20%。用乙酸乙酯水解后，原始官能团的丰度增加，表面的总酸性官能团数增加了三倍。改性活性炭的静态水蒸气吸附实验在60-90%的相对湿度下在20℃–30.5℃下进行。与未改性活性炭相比，草酸改性后活性炭的水蒸气吸附量达到提高了15.7%-37.1%。在同样的温度下，吸附容量随着相对湿度的增加而增加。当温度为30℃时，相对湿度每增加15%，吸附量增加0.025g/g。在相同相对湿度下，吸附量随温度升高而降低。当相对湿度为80%时，温度每升高5℃，吸附量下降0.02g/g。活性炭是一种广泛用于环境处理的吸附剂。随着活性炭改性技术的发展，活性炭可以根据待处理污染物的特性进行改性，在环境净化中发挥更有针对性的作用。同时，努力探索优化改性方法，通过改性增强活性炭的吸湿能力，及时去除活性炭的吸附热，将促进活性炭在除湿方面的应用。