[发明专利]一种等离子体改性碳材料的装置及方法

说明书

本发明公开了一种等离子体改性碳材料的装置及方法，包括改性反应器和气体循环系统，所述改性反应器包括壳体，壳体内部从上至下依次设置气包、喷管和不锈钢粉末多孔板，所述壳体在不锈钢粉末多孔板下部设有改性气体进口，上部设有改性气体出口；所述气包顶部开孔连接气体循环系统，底部均匀开设气孔连接喷管；所述喷管作为针板放电的阳极连接电源，不锈钢粉末多孔板作为阴极接地；所述喷管底部隔空正对不锈钢粉末多孔板，所述不锈钢粉末多孔板上布置若干孔隙；所述气体循环系统的进口连接改性反应器的底部，出口连接气包顶部。通过电离改性气体，能够改变碳材料表面的化学性质，效率高、速度快、功能多、可大面积工业化运行。

技术领域

本发明属于等离子体技术领域，更具体地，涉及一种等离子体改性碳材料的装置及方法。

背景技术

活性炭(AC)具有高比表面积、较大的孔容积、良好的孔结构和可调的表面化学性质，所以常被用作吸附剂。但对一些难以吸附去除的污染物质(如乙醇、甲苯、正丁烷、铜离子、铬离子、铅离子、汞等)，活性炭吸附存在一定的困难。因此，我们需要对活性炭表面进行改性，以提高其对特殊污染物的吸附性能。目前对活性炭改性的方法包括物理改性和化学改性两种。物理改性包括微波改性、高温热处理改性等；化学改性包括氧化改性、还原改性、酸碱改性、等离子体改性等。

微波改性是通过物体内分子的无规则运动相互摩擦产生的热量，从而快速加热物体，使活性炭表面的官能团与改性剂充分接触反应。研究表明微波改性既可以改变孔隙结构，也可以改变表面官能团的类型和数量。特别是表面碱性基团增加，从而有助于有机物的吸附。微波改性具有产热快，无污染，耗能少，操作简单且容易控制等优点，但也存在孔径减小，表面形状变得粗糙，以及碳骨架容易收缩变小等问题。

高温热处理改性是在惰性气体的条件下，对活性炭进行高温加热，从而该变其孔隙结构。该方法的主要因素在于其温度的控制。该方法可以使碳材料表面化学性质更加稳定，活性炭比表面积和总孔容增加。但是高温热处理可能会使孔道收缩，影响吸附效果。

氧化改性是利用氧化剂改变活性炭表面含氧官能团数量，通过增强活性炭表面的亲水性、酸性和极性，使其吸附性能得到提高。随着氧化程度增加，碳材料表面的含氧官能团也在增加。氧化改性能够增强碳材料表面的亲水性和极性，从而促进极性物质吸附，但对非极性物质吸附能力下降，且可能产生二次污染。还原改性则是在一定的温度下加入还原剂对活性炭进行改性，改性后活性炭表面的碱性官能团数量增加，使活性炭表面碱性、非极性和疏水性增加，使其对非极性物质的吸附能力增强。但是对极性物质吸附能力下降，且有二次污染。

酸碱改性是指将活性炭放在非氧化还原性酸溶液(H₂SO₄、H₃PO₄)或碱溶液(NaOH)中进行改性，一方面可以除去活性炭表面杂质，另一方面改变了活性炭表面的化学官能团，使其吸附能发生改变。酸碱改性要根据吸附物质的特点进行针对性的改性。酸改性使活性炭表面酸性官能团数量增加，提高对金属离子的吸附能力；而碱改性会使活性炭表面碱性基团含量增加，有利于有机物质的吸附。

等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子、电子、原子和激发态分子。在对碳基材料改性的过程中，可以向等离子体反应器引入所需的气体，在表面形成官能团，从而提高活性炭的吸附性能。该方法不仅能够改变碳材料表面的化学性质，而且装置简单、能耗低、效率高、速度快、功能多、可大面积工业化运行。

现有的等离子体活性炭改性装置常采用介质阻挡方式，但介质阻挡放电强度低，不利于活性粒子的产生，也无法有效改变活性炭的物理结构，同时其反应间隙小，只能够填充2～3mm厚度的活性炭层来进行改性，所以改性量较小，不利于工业化生产。

发明内容

本发明的目的是针对以上不足，提供一种等离子体改性碳材料的装置及方法，能够改变碳材料表面的化学性质，且效率高、速度快、功能多、可大面积工业化运行。