阅读说明：本技术 一种活性炭表面含氧官能团选择性还原方法 (Selective reduction method for oxygen-containing functional groups on surface of activated carbon ) 是由 李新勇 甘国强 王亮 范诗迎 王婧 张祎曼 郭学成 于 2020-04-09 设计创作，主要内容包括：一种活性炭表面含氧官能团选择性还原方法,以活性炭为反应物,以水为溶剂,以二氧化硫脲、硼氢化钠、抗坏血酸中的一种或几种为还原剂,碱性条件下,于30-150℃进行还原反应。本发明可通过调节还原剂的种类以及还原条件选择性的去除活性炭表面含氧官能团,得到不同还原程度的活性炭,满足不同需求,适应活性炭应用的多样性要求。同时,本发明采用的还原剂成本低、无毒、环境友好,并且该方法工艺操作简单、效率高、无需复杂设备,适合工业实际应用。(A selective reduction method of oxygen-containing functional groups on the surface of activated carbon takes activated carbon as a reactant, water as a solvent, one or more of thiourea dioxide, sodium borohydride and ascorbic acid as a reducing agent, and performs reduction reaction at 30-150 ℃ under an alkaline condition. The method can selectively remove oxygen-containing functional groups on the surface of the activated carbon by adjusting the type of the reducing agent and the reduction conditions to obtain the activated carbon with different reduction degrees, meet different requirements and adapt to the diversity requirements of the application of the activated carbon. Meanwhile, the reducing agent adopted by the method is low in cost, non-toxic and environment-friendly, and the method is simple in process operation, high in efficiency, free of complex equipment and suitable for industrial practical application.)

一种活性炭表面含氧官能团选择性还原方法

技术领域

本发明属于活性炭材料改性技术领域，具体涉及一种活性炭表面含氧官能团选择性还原方法。

背景技术

活性炭材料由于其优良的物理化学性质而备受关注，广泛应用于化工和环境等各个行业。尤其在大气中挥发性有机物(VOCs)污染的防治领域，活性炭吸附是目前主要的、最有效和简便的工艺。然而，活性炭材料表面含有大量的含氧官能团，包括羟基、环氧基、羰基以及羧基等，这些含氧官能团不仅会使的活性炭呈亲水性，在潮湿的环境中，会因吸附大量的水分而生菌发霉，降低活性炭的寿命，而且会严重影响活性炭的吸附性能。因此，去除活性炭表面的含氧官能团对活性炭在VOCs吸附领域的应用具有重要的意义。

去除活性炭表面的含氧官能团的方法主要有两种。其中一种是在活性炭表面负载一层疏水性物质，将含氧官能团包裹在里层。这种方法效果较好，可以使表面的含氧官能团大大的减少，但是，这种方法容易造成活性炭的孔道阻塞，使得比表面积显著降低，进而影响材料的吸附容量。第二种是利用还原剂与表面的含氧官能团发生氧化还原反应，进而去除表面的含氧官能团，同时修复表面的碳原子排列结构。这种还原法不仅对材料的结构影响较小，能在保持活性炭微观结构的基础上，显著改善活性炭的表面化学性质，而且能够根据需要来选择不同的还原剂，改变还原条件，达到选择性还原的效果。目前，对活性炭表面含氧官能团还原的相关报道比较少，同时，达到选择性还原效果的研究更是少之又少。

发明内容

本发明旨在提供一种活性炭表面含氧官能团选择性还原方法，该方法根据还原剂以及还原条件的不同，可以选择性的去除活性炭表面的含氧官能团，同时，该方法工艺简单、成本较低、环境友好。通过调节表面含氧官能团的量，改变活性炭的表面疏水性，为活性炭在高湿度环境下的使用提供可能。

本发明采用还原性不同的二氧化硫脲、硼氢化钠以及抗坏血酸为还原剂，通过优化还原条件，建立一种活性炭表面含氧官能团选择性还原方法。

本发明技术方案如下：

一种活性炭表面含氧官能团选择性还原方法，以活性炭为反应物，以水为溶剂，以二氧化硫脲、硼氢化钠、抗坏血酸中的一种或几种为还原剂，碱性条件下，于30-150℃进行还原反应。所述活性炭表面含有C-O、C-O-C、C＝O以及O-C＝O等含氧官能团。

基于上述方案，优选地，所述还原剂在溶剂中的浓度为0.01～1.0M。

基于上述方案，优选地，所述碱性条件的pH值为9～14。

基于上述方案，优选地，所述还原反应的时间为6～24h。

基于上述方案，优选地，所述方法包括以下步骤：

1)将所述还原剂溶于去离子水中，得到还原剂溶液，加入NaOH调节pH值；

2)将颗粒活性炭加入pH值调节后的还原剂溶液中，得到混合物，将所述混合物转移至反应釜中进行反应；

3)反应结束后，过滤得到还原后的活性炭，用去离子水洗至中性，真空干燥，干燥保存。

基于上述方案，优选地，所述还原剂溶液的浓度为0.01～1.0M。

本发明活性炭表面含氧官能团选择性还原机制是：活性炭表面含氧官能团与还原剂发生氧化还原反应，进而去除含氧官能团；不同的含氧官能团反应活性不同，同时，还原剂种类、溶液pH值、反应温度以及反应时间均对官能团去除效果有影响，可以通过控制还原剂种类和反应条件，选择性的去除不同类型的含氧官能团。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明可根据不同需求选择性还原去除活性炭表面含氧官能团，可适应活性炭应用的多样性要求。

(2)本发明采用的还原剂成本低、无毒、环境友好，适合工业实际应用。

(3)本发明工艺操作简单、效率高、无需复杂设备。

具体实施方式

以下结合实例对本发明进行详细说明，所述实例仅仅是帮助理解本发明，不应该视为对本发明的具体限制。

实施例1

称取1.0g颗粒活性炭，置于20mL pH为12的0.25M抗坏血酸溶液中，60℃下反应12h；反应结束后，将反应后的混合物过滤得到还原后的活性炭，活性炭用去离子水洗至中性，60℃真空过夜干燥。

性能测试

利用X射线光电子能谱(XPS)分析测定发现，活性炭经还原后，表面的碳原子和氧原子比由原来的9.9升高到13.0，经对还原前后活性炭O1s的精细吸收谱拟合发现，还原后活性炭表面C-O、C-O-C等含氧官能团的含量减小，证明活性炭表面C-O、C-O-C等含氧官能团被部分还原。

实施例2

称取1.0g颗粒活性炭，置于20mL pH为12的1.0M硼氢化钠溶液中，60℃下反应10h；反应结束后，将反应后的混合物过滤得到还原后的活性炭，活性炭用去离子水洗至中性，60℃真空过夜干燥。

性能测试

利用X射线光电子能谱(XPS)分析测定发现，活性炭经还原后，表面的碳原子和氧原子比由原来的9.9升高到19.5，经对还原前后活性炭O1s的精细吸收谱拟合发现，还原后活性炭表面C-O、C-O-C、C＝O和O-C＝O等含氧官能团含量减小，证明活性炭表面C-O、C-O-C以及部分C＝O和O-C＝O被还原。

实施例3

称取1.0g颗粒活性炭，置于20mL pH为13的0.5M二氧化硫脲溶液中，80℃下反应10h；反应结束后，将反应后的混合物过滤得到还原后的活性炭，活性炭用去离子水洗至中性，60℃真空过夜干燥。

性能测试

利用X射线光电子能谱(XPS)分析测定发现，活性炭经还原后，表面的碳原子和氧原子比由原来的9.9升高到23.0，经对还原前后活性炭O1s的精细吸收谱拟合发现，还原后活性炭表面C-O、C-O-C、C＝O以及O-C＝O等绝大多数含氧官能团含量减小，证明活性炭表面C-O、C-O-C、C＝O和O-C＝O等大多数含氧官能团被还原。