协同作用下的CO?-K?C?O?对呋喃残基的活化，用于提高高吸附性能活性炭对苯酚的去除效果

《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Synergistic CO 2-K 2C 2O 4 activation of furfural residue toward high-adsorption activated carbon for phenol removal

糠醛 residue通过CO2与K2C2O4联合活化制备多孔活性炭，协同效应提升活化效率，比表面积达1380 m2/g，苯酚吸附率95%且循环稳定性良好。

　　在当今社会，随着工业化和农业生产的不断发展，各种有机废弃物的产生量也在逐年增加。其中，呋喃树脂作为一种常见的工业副产物，因其来源广泛、成本低廉而受到广泛关注。然而，传统上，呋喃树脂往往被视为一种废弃物，直接排放或焚烧处理，这不仅造成了资源浪费，还可能对生态环境造成污染。因此，如何高效地利用呋喃树脂成为当前研究的重要课题。近年来，活性炭因其独特的多孔结构、较大的比表面积以及可调节的表面化学特性，在环境修复、能量存储和催化反应等领域发挥着不可替代的作用。基于这一背景，本研究尝试通过一种新型的协同活化方法，从呋喃树脂中制备出具有优异性能的多孔活性炭，为有机废弃物的资源化利用提供新的思路。

传统的活性炭制备方法主要分为物理活化和化学活化两种。物理活化通常通过高温下使用氧化性气体（如二氧化碳、蒸汽或空气）对原料进行处理，从而在碳基质中形成多孔结构。这种方法虽然能够有效提高活性炭的比表面积，但其过程往往伴随着较高的能耗和较长的反应时间，同时，由于高温条件，活性炭的产率较低，限制了其在实际应用中的推广。相比之下，化学活化则采用强碱性或强酸性的活化剂（如氢氧化钾、磷酸或氯化锌）对原料进行处理，通过化学反应促进碳基质的分解和孔隙的形成。化学活化的优势在于其能够在较低的温度下完成活化过程，从而降低能耗，提高产率。然而，化学活化也存在一些问题，如活化剂残留可能导致设备腐蚀和环境污染，同时，某些活化剂（如氯化锌）具有毒性，对操作人员和环境构成潜在风险。

鉴于物理活化和化学活化各自的优缺点，近年来，协同活化方法逐渐成为研究热点。协同活化是指同时使用物理和化学活化手段对原料进行处理，以期在提高活性炭性能的同时，克服单一活化方法的局限性。这种方法不仅能够有效提升活性炭的比表面积和孔隙结构，还能降低活化温度和活化剂的使用量，从而实现绿色、高效、可持续的活性炭制备。在协同活化过程中，物理活化负责形成主要的孔隙结构，而化学活化则进一步优化孔隙分布，增强表面活性，从而提升活性炭的吸附性能。

本研究以呋喃树脂为原料，采用二氧化碳和草酸钾作为协同活化剂，通过物理-化学协同活化方法制备多孔活性炭。这一方法结合了物理活化和化学活化的优点，旨在通过两种活化剂的协同作用，实现对活性炭结构的精准调控。研究发现，二氧化碳和草酸钾的协同活化作用显著提高了活化效率，相较于单一活化方法，其制备的活性炭具有更高的比表面积，达到1380 m2/g，同时保持了良好的孔隙分布。尽管协同活化过程导致活性炭的固相产率有所下降，但其吸附性能得到了明显提升，特别是在对苯酚的吸附方面，表现出高达95%的去除率。此外，该活性炭在五次循环使用后仍能保持74%的去除率，显示出良好的可重复利用性。

为了更深入地理解协同活化过程中的相互作用机制，研究还对不同活化条件下产生的固相、生物油和气体产物进行了分析。结果表明，随着活化温度的升高，活性炭的产率逐渐下降，这说明高温条件下活化剂与原料之间的反应更加剧烈，从而加速了碳基质的分解。当使用草酸钾作为活化剂时，其固相产率高于单一物理活化或化学活化方法，这可能与草酸钾在高温下的分解行为有关，其分解产物能够促进碳基质的进一步活化，提高活性炭的比表面积和孔隙结构。同时，研究还发现，协同活化过程能够显著减少活性炭中氢和氧元素的含量，从而改变其表面化学性质，使其更有利于吸附特定污染物。

为了量化协同活化过程中的协同效应，研究引入了协同指数的概念，对不同处理条件下的样品进行了评估。通过计算协同指数，研究发现二氧化碳和草酸钾在特定温度下的协同作用最为显著，这种协同效应不仅提高了活性炭的比表面积，还优化了其孔隙结构，使其在吸附性能上表现出色。此外，研究还探讨了不同温度对活性炭结构和性能的影响，发现适当的温度范围能够有效平衡活性炭的产率与性能，为后续的工业化生产提供了理论依据。

在实验过程中，呋喃树脂首先经过干燥处理，以去除其中的水分，确保后续活化过程的顺利进行。干燥后的呋喃树脂在高温下与二氧化碳和草酸钾进行反应，形成多孔结构。通过热重分析（TGA）和气相色谱-质谱联用技术（GC-MS），研究对反应过程中产生的气体产物和生物油成分进行了详细分析。结果表明，协同活化过程中，气体产物的组成和产量发生了显著变化，这可能是由于活化剂与原料之间的复杂反应所致。同时，生物油的组成也受到活化条件的影响，不同活化条件下生物油中挥发性成分的含量有所差异，这可能与活化剂的种类和反应温度有关。

在活性炭的结构表征方面，研究采用了氮气吸附-脱附法（BET）和扫描电子显微镜（SEM）等技术，对活性炭的比表面积、孔隙分布和表面形貌进行了分析。结果显示，协同活化方法能够有效形成分级孔隙结构，其中微孔和中孔的比例得到了优化，这为活性炭的吸附性能提供了良好的结构基础。此外，SEM图像显示，协同活化后的活性炭表面更加粗糙，孔隙结构更加发达，这进一步支持了其优异的吸附能力。

在吸附性能测试中，研究选择了苯酚作为模型污染物，对活性炭的吸附能力进行了评估。实验结果表明，协同活化后的活性炭在对苯酚的吸附方面表现出色，其最大去除率可达95%，远高于单一活化方法。这一结果不仅验证了协同活化方法在提升活性炭吸附性能方面的有效性，还表明其在实际应用中的潜力。此外，活性炭在多次循环使用后仍能保持较高的去除率，显示出良好的稳定性，这为其在废水处理和空气净化等领域的应用提供了保障。

为了进一步探讨协同活化过程中活性炭结构和性能的变化机制，研究还对活性炭的表面化学性质进行了分析。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等技术，研究发现，协同活化过程能够有效去除活性炭中的官能团，如羟基、羧基和羰基等，从而减少其表面极性，提高非极性污染物的吸附能力。同时，草酸钾的加入还促进了碳基质的脱氧反应，使活性炭表面更加疏水，这在一定程度上提高了其对有机污染物的吸附效率。

在实际应用中，活性炭的吸附性能不仅取决于其比表面积和孔隙结构，还与其表面化学性质密切相关。因此，研究还对活性炭的表面化学性质进行了系统分析，以期为优化活性炭的吸附性能提供理论支持。实验结果表明，协同活化后的活性炭表面化学性质发生了显著变化，其表面活性位点的数量和种类得到了优化，这为提高其对多种污染物的吸附能力奠定了基础。

此外，研究还对活性炭的制备过程进行了优化，以期在保证性能的同时，降低能耗和成本。通过调整活化温度、活化剂比例和反应时间等参数，研究发现，适当的反应条件能够有效平衡活性炭的产率与性能，使其在实际应用中更具经济性和可行性。这一发现对于推动活性炭的工业化生产和应用具有重要意义。

总的来说，本研究通过采用二氧化碳和草酸钾作为协同活化剂，成功制备出具有优异吸附性能的多孔活性炭。研究不仅揭示了协同活化过程中活性炭结构和性能的变化机制，还为有机废弃物的资源化利用提供了新的思路和方法。未来，随着对活性炭结构和性能研究的深入，协同活化方法有望在更多领域得到应用，为环境保护和资源循环利用做出更大的贡献。