國際純化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)學(xué)會(IUPAC)將活性 炭的孔分為大孔(>50 nm)、中孔(2~50 nm)及微 孔(<2 nm)3 類,在改性過程中,碳原子一直被消 耗,煤基活性炭孔隙進一步發(fā)育,生成更多微孔. 甲烷在煤體中的吸附與擴散主要發(fā)生在微孔中, 而微孔屬于納米級孔徑,所以煤對甲烷的吸附能 力與納米級孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān). 結(jié)合圖 1 和表 1, 對比分析煤基活性炭孔隙結(jié)構(gòu)的改變對于甲烷吸 附的影響,可知:酸式改性后,煤基活性炭 BET 比表面積、總孔容與微孔孔容均有明顯增加,而甲 烷吸附量卻明顯下降;堿式改性后,煤基活性炭 BET 比表面積、總孔容與微孔孔容均減少,而甲烷 吸附量卻有所增加 ;聯(lián)合改性后 ,煤基活性 炭 BET 比表面積、總孔容與微孔孔容均減少,甲烷吸 附量卻明顯增加. 分析以上結(jié)果可以得出,存在其 他因素的改變造成了對甲烷吸附的抑制作用,且 在一定條件下這種抑制作用要強于孔隙增加對甲 烷吸附能力的促進作用.
表面官能團對甲烷吸附的影響
由于煤基活性炭本身孔隙結(jié)構(gòu)改變,處于開
放狀態(tài),導(dǎo)致在改性過程中煤基活性炭表面生成
了更多含氧官能團,其總量多于改性后的原生結(jié)
構(gòu)煤基活性炭.
酸式改性后,含氧官能團對甲烷的影響要大
于孔隙結(jié)構(gòu)與比表面積的作用. 紅外光譜結(jié)果表
明,改性后煤基活性炭表面極性官能團數(shù)量明顯
增加,不利于非極性氣體甲烷的吸附. 結(jié)合甲烷吸
附量變化可發(fā)現(xiàn),羧基與羥基對甲烷吸附的抑制
作用最明顯. 郇璇[27] 研究表明,酸性含氧官能團
為吸電子基團,表面含量增加后,活性炭與吸附質(zhì)
之間作用降低,甲烷的有效吸附位降低,會造成吸
附量降低,與本研究結(jié)果一致.
堿性改性雖然造成塌孔和堵塞,微孔和中孔
的數(shù)量均下降,比表面積相應(yīng)減少,但煤基活性炭
表面酸性官能團減少,表面極性基團減少. 這種改
變抵消了孔隙變化的抑制作用,因此對于甲烷的
吸附整體表現(xiàn)為促進作用. 可以看出,改性后官能
團的變化對甲烷吸附的影響要大于孔隙結(jié)構(gòu)改變
的作用.
在聯(lián)合改性過程中,酸式改性使得煤基活性
炭表面孔隙增加,對甲烷吸附有一定的促進作用.
隨后堿式改性使得煤基活性炭表面極性降低,煤基活性炭表面非極性相對增大,甲烷吸附量明顯
增加. 故聯(lián)合改性后,煤基活性炭比表面積和微孔
都增大了,且表面非極性基團數(shù)量也相對較少,對
甲烷吸附整體表現(xiàn)為促進作用.
結(jié)論 (1)酸式改性后的煤基活性炭表面極性增強; 堿式改性后的煤基活性炭,酸性基團含量減少,表 面非極性增強. (2)聯(lián)合改性后的煤基活性炭比表面積和孔 容均明顯增大,其中比表面積增大 66.66%,總孔容 增大 30.89%;非極性官能團增加,甲烷吸附量顯著 增加,相較于改性前提升 25.686%,且吸附量大于 單一的酸式改性或堿式改性的煤基活性炭. (3)孔隙結(jié)構(gòu)和表面官能團共同決定了煤基 活性炭對甲烷的吸附作用,其中表面官能團的種 類和數(shù)量是影響主要原因,孔隙結(jié)構(gòu)是次要原因.