[发明专利]多孔炭材料的表面处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料合成和应用领域，尤其涉及一种多孔炭材料的表面 处理方法。

背景技术

吸附法是目前处理低浓度挥发性有机物的有效方法之一，其是采用 吸附剂将气体中的挥发性有机物分子吸附，净化后的气体排入大气中。 工业上使用的吸附剂要求具有大的比表面积、高的吸附选择性、易操作 的再生性能、良好的机械强度、热及化学稳定性、较大的吸附容量，以 及良好的吸附动力学性质和较低的水蒸气吸附容量和较小的压力损失 等。

多孔炭材料由于其特有的组成与结构、高的比表面积、有序的孔径 分布及其具有高的热力学稳定性和化学惰性，在催化、吸附分离等领域 具有重要的应用前景，而且也是目前在挥发性有机物的处理中最常用的 吸附剂，常见的类型有活性炭或活性炭纤维等。

由于多孔炭材料是高温炭化活化所得，表面杂原子较少，因而，其 表面呈疏水性，对极性分子的吸附主要是通过孔道的物理吸附，选择性 较差，而且吸附量也有限，因此，对其进行改性，使其拥有更加优良的 吸附性能是目前研究的热点。

研究发现，活性炭对有机物的吸附与活性炭本身的性质、有机物性 质和吸附条件均有关系，其中最主要的影响因素是活性炭本身的性质， 比如比表面积、孔径分布、杂质含量、疏水性、表面官能团的含量等物 理和化学性质，尤其是表面官能团，其作为活性中心支配了活性炭的表 面化学性质，对吸附起着关键作用。本领域公知，表面官能团的产生主 要有两种途径：一是活性炭制备过程中，不完全炭化而残留的；二是对 活性炭表面进行氧化、氨化等化学改性。研究也发现，在多孔炭材料中 引入含氧官能团和含氮官能团对其吸附性能有所影响，但在目前的文献 报道和实际生产中，主要以硝酸、硫酸等强氧化性的物质对多孔炭进行 氧化，这种氧化程度剧烈、含氧官能团不能实现有效控制，同时氧化后 的酸性废水处理也是面临的现实问题，而氨化同样也是在高温条件下 (650-1000℃)将氨与多孔炭反应，在炭材料表面生成含氮官能团，存 在问题是氨的利用率低、能耗高，甚至导致多孔炭的孔道结构发生变化。 因此，亟需对目前的多孔炭材料表面修饰方式进行改进。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足提供一种多孔炭材料的 表面处理方法，通过采用低温空气氧化，在多孔炭材料的孔道表面引入 含氧官能团，同时利用与多孔炭浸渍的尿素等低温热分解生成的含氮自 由基，其与炭基质结合，在炭材料表面形成含氮官能团，实现多孔炭材 料表面化学官能团的种类和数量的精确控制，改善了其对极性有机分子 的吸附量和选择性吸附。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种多孔炭材料的表面处理方法，包括：将多孔炭材料浸渍负载有 氧化性能的化合物或含有上述化合物的材料，然后在低温条件下加热， 得到经低温氧化处理的多孔炭材料。具有氧化性能的化合物是本领域技 术人员公知的，优选可以是硝酸钾或氯酸钾。

浸渍时间优选1-4h。低温条件下加热的具体步骤为首先在50℃干燥 2h，然后以5℃/min升温到250-500℃，恒温30min，作为优选，上述温 度为250-300℃。

本发明处理方法还包括将多孔炭材料同时浸渍负载有含氮化合物或 含有上述化合物的材料。所述含氮化合物可以是脲或硝化棉。

含有上述化合物的材料可以是本领域技术人员公知的，在本申请中 优选硝化棉。硝化棉在250-500℃下分解产生含氮、含氧自由基，其与炭 基质结合后在多孔炭材料表面形成-OH、-N-H、-C＝O、C-O-C，C-O-N 或＞C-N等含氮和含氧官能团。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、对于含氧官能团的引入，避免使用现有技术中普遍采用的氧化程 度剧烈的硝酸、硫酸等强氧化性物质，而是利用了低温空气氧化。

2、对于含氮官能团的引入，避免使用现有技术中普通采用的高温条 件下(650-1000℃)的氨化反应，而是利用了尿素等在低温条件 下分解生成的含氮化合物。

3、通过选择合适反应温度等条件对氧化过程进行调节，实现了多孔 炭材料表面含氧和含氮官能团种类和数量的控制。

4、在多孔炭材料表面引入含氮或含氧等极性官能团提高了对极性 分子的吸附量和选择性。

附图说明