活性炭-氢氧化锂复合材料的制备及性能研究

杨振峰 孔庆平 韩卫敏 朱耿溪

摘 要：主要利用浸渍法在活性炭基底复合氢氧化锂颗粒，并研究氢氧化锂负载对活性炭结构和性能的影响。一方面，利用氢氧化锂实现活性炭的活化改性，提高其物理吸附性能;另一方面，引入氢氧化锂，通过化学反应，对酸性杂质气体进行有效吸附，发挥物理吸附和化学吸附的协同作用。实验数据表明，合成的活性炭-氢氧化锂复合材料对氯气、二氧化碳等酸性杂质气体的吸收效果明显提高，作为过滤材料在氧烛供氧产品中表现出优越的过滤净化性能。

关键词：活性炭;碱活化;浸渍法;氧烛过滤材料

活性炭有丰富的孔隙结构、较大的比表面积和吸附容量，作为过滤材料得到了大范围的应用[1]。商业化的活性炭在实际应用中往往需要经过除杂、二次活化等处理，才能表现出更优异的吸附性能。常见的活化方法包括物理活化法和化学活化法[2-3]。例如，将炭化产物和适当的气态物质进行反应的气体活化法（如水蒸汽活化、二氧化碳活化、氧气活化等），将原料经过化学物质（常见的有氯化锌、磷酸、硫酸、氢氧化钠等）浸渍处理后，进一步高温炭化活化的化学活化法[4-5]。针对不同的应用背景，活性炭采用不同的活化方式，达到增加比表面积、提高吸附性能的目的[6-7]。在氯酸盐和高氯酸盐化学氧烛制氧装置中，也常常将活性炭作为过滤材料，因为氧烛产氧过程中会发生副反应，产生少量氯气，对人体可能产生一定的影响[8-10]。因此，在化学制氧产品中通常需要通过内外部添加抑氯材料，避免有毒有害气体的产生[11-12]。结合化学氧烛实际过滤需求，拟制备活性炭-氢氧化锂复合材料，一方面，利用氢氧化锂碱浸渍过程实现活性炭的活化改性，提高物理吸附性能;另一方面，氢氧化锂引入后，可通过化学反应，对酸性杂质气体进行有效吸附，从而发挥物理吸附和化学吸附的协同作用，改善氧烛供氧产品过滤系统的性能。

1 实验方法与仪器

1.1  实验方法

首先，取200 g商业化活性炭，水洗酸洗干燥之后，置于烧杯中。其次，加入0.1 mol/L氢氧化锂的乙醇溶液，直至液面完全浸没活性炭表面，然后采用机械搅拌，连续搅拌24 h后，过滤干燥。最后，将浸渍处理后的活性炭装在小瓷舟中，置于马弗炉中350 ℃保温4 h，即可制得活性炭-氢氧化锂复合材料。

1.2  实验仪器

用Bruker D8 Advance X射线衍射仪对样品的相组成进行分析。使用Hitachi SU 8010冷场发射扫描电子显微镜进行样品的微观形貌表征。用TristarⅡ 3020表面吸附仪在77 K下进行样品的氮气吸附-脱附实验。用HITACHI U-3310紫外分光光度计测量样品的紫外吸收效果。

2 结果与讨论

2.1  活性炭-氢氧化锂复合材料的结构、形貌和表面性质

样品活性炭和活性炭-氢氧化锂复合材料固体粉末的      X射线衍射分析如图1所示。从图1可以看出，样品活性炭的固体粉末X射线衍射在23.00°和45.00°处有两个弥散的衍射峰，对应的是无定形活性炭的特征峰。除了出现活性炭的特征峰之外，活性炭-氢氧化锂复合材料的固体粉末X射线衍射在20.39°和32.48°处出现了明显的衍射峰，对应氢氧化锂的（001）和（101）晶面（PDF#32-0564）。另外，由于小粒径氢氧化锂的低结晶度和碳材料的存在，这些衍射峰的强度相对较弱。但从相结构上来看，成功制得了活性炭和氢氧化锂两相复合材料。

样品活性炭的扫描隧道电子显微镜图如图2（a）所示，从中可以看到活性炭表面有丰富的孔隙结构。活性炭-氢氧化锂复合材料的扫描隧道电子显微镜图如图2（b）所示，从中可以清楚地看到，经过氢氧化锂浸渍活化处理后，在活性炭的表面除了孔隙结构，还附着许多结晶的小颗粒。这主要是因为在高温烘干时，吸附在活性炭孔道内的氢氧化锂粒子流出，在表面二次结晶形成小晶粒。观察活性炭表面的微观形貌变化发现，通过碱浸渍，成功地将氢氧化锂小颗粒负载在活性炭的表面，得到了活性炭-氢氧化锂复合材料。

氮氣吸附-脱附曲线如图3（a）所示，可见均为典型的Ⅳ型吸附等温曲线，H4型回滞环，说明孔结构很不完整，对应活性炭的狭缝孔。实验测得活性炭的比表面积为              745.00 m2/g，而活性炭-氢氧化锂的比表面积为798.10 m2/g，比表面积有所增大，说明氢氧化锂浸渍处理起到了活化活性炭的作用。不同样品的孔径分布如图3（b）所示，从中可以看出，活性炭在氢氧化锂处理前后介孔部分孔径分布变化不大，可能是因为在高温烘干时，吸附在活性炭孔道内的离子流动主要形成微孔空隙。

2.2  活性炭-氢氧化锂复合材料在氧烛过滤系统中的实际应用

图4为某型号化学氧烛的实际产氧流量，从图4中可以看出，该型号3个氧烛产生的氧气总量均为30 L，平均氧气流速均为5 L/min，而且3个氧烛实际产氧流量曲线基本保持一致，说明该型号化学氧烛性能稳定。

以该型号化学氧烛作为发生装置，将制备的活性炭-氢氧化锂复合材料作为过滤材料装填到过滤器中，对氧烛产生的氧气进行过滤，并对一些特定气体进行含量测定，结果如表1所示。从表1可以看出，活性炭-氢氧化锂复合材料的过滤效果明显高于活性炭的过滤效果。经过过滤之后，在氧烛产生的气体中，氯气质量分数由原来的18.6×10-6降至10.9×10-6，二氧化碳质量分数也由原来的165×10-5降至93×10-5。这主要是因为活化过程同时引入了氢氧化锂小颗粒，通过化学反应，对氯气、二氧化碳等酸性杂质气体也有很好的吸收性能。另外，氧气纯度也由99.6%升至99.8%，充分说明活性炭-氢氧化锂复合材料具备更好的氧烛气体过滤效果。

3 结语

主要通过浸渍法制备了活性炭-氢氧化锂复合材料，对其结构、形貌和表面性质进行测试表征，并且将其作为过滤材料应用到化学氧烛的过滤系统中。实验证明，浸渍法制得的活性炭-氢氧化锂复合材料，可以发挥物理吸附和化学吸附的协同作用，大大提升了活性炭对氯气、二氧化碳等酸性杂质气体的吸收率，提升了氧烛供氧产品活性炭过滤药剂的过滤净化性能。同时，该活性炭-氢氧化锂复合材料可推广应用于其他有过滤净化需求的领域，具有广阔的应用前景。

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