Factors Affecting the Removal of Ammonia from Air on Carbonaceous Materials: Investigation of Reactive Adsorption Mechanism

آلودگی هوا مربوط به انتشار گازهای سمی صنعتی، به دلیل اثرات مضر آن بر محیط زیست، یکی از نگرانی های اصلی دنیای مدرن ما است. برای مقابله با این مشکل رو به رشد، راه‌های کارآمد برای کاهش/کنترل انتشار آلاینده‌ها مورد نیاز است. جذب گازها روی مواد متخلخل به عنوان یک راه حل بالقوه ظاهر می شود. با این حال، جذب فیزیکی مولکول های کوچک گازها مانند آمونیاک در شرایط محیطی محدود است. برای حذف آنها، جاذب هایی که نیروهای جذب قوی را ارائه می دهند باید استفاده شوند/توسعه داده شوند.
در این مطالعه، مواد جدید مبتنی بر کربن تهیه و برای جذب آمونیاک در شرایط محیطی آزمایش می‌شوند. شناسایی بافت و شیمی سطح جاذب ها قبل و بعد از قرار گرفتن در معرض آمونیاک برای شناسایی ویژگی های مسئول ظرفیت جذب بالا و کنترل مکانیسم های نگهداری انجام می شود. تکنیک های مشخصه عبارتند از: جذب نیتروژن، آنالیز حرارتی، تیتراسیون پتانسیومتری، طیف سنجی FT-IR، پراش اشعه ایکس، طیف سنجی اشعه ایکس پراکنده انرژی، طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس و میکروسکوپ الکترونی.
نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که حذف آمونیاک توسط شیمی سطح جاذب کنترل می‌شود. برعکس، تخلخل (و در نتیجه جذب فیزیکی) نقش ثانویه را در این فرآیند ایفا می کند، مگر اینکه نیروهای پراکندگی قوی توسط جاذب ایجاد شود. ویژگی‌های شیمی سطحی مسئول جذب آمونیاک افزایش یافته شامل حضور گروه‌های حاوی اکسیژن (کربوکسیل، هیدروکسیل، اپوکسی) و گوگرد (سولفونیک) است. گونه های فلزی ظرفیت پیشرفت را بهبود می بخشند و همچنین منجر به تشکیل برهمکنش های اسید-باز لوئیس، پیوند هیدروژنی یا کمپلکس می شوند. علاوه بر سه مکانیسم اخیر، آمونیاک از طریق فعل و انفعالات اسید-باز برونستد یا از طریق واکنش های خاص با عملکرد جاذب که منجر به ادغام آمونیاک در ماتریس جاذب می شود، روی سطح جاذب باقی می ماند. مکانیسم دیگر شامل انحلال آمونیاک در آب در صورت وجود رطوبت در سیستم است. اگرچه این فرآیند ظرفیت نفوذ یک ماده را افزایش می دهد، اما نیروهای نگهداری نسبتاً ضعیفی را ایجاد می کند زیرا آمونیاک محلول در آب به راحتی از سطح جاذب دفع می شود.

Air pollution related to the release of industrial toxic gases, represents one of the main
concerns of our modern world owing to its detrimental effect on the environment. To tackle this growing issue, efficient ways to reduce/control the release of pollutants are required. Adsorption of gases on porous materials appears as a potential solution. However, the physisorption of small molecules of gases such as ammonia is limited at ambient conditions. For their removal, adsorbents providing strong adsorption forces must be used/developed.
In this study, new carbon-based materials are prepared and tested for ammonia adsorption at ambient conditions. Characterization of the adsorbents’ texture and surface chemistry is performed before and after exposure to ammonia to identify the features responsible for high adsorption capacity and for controlling the mechanisms of retention. The characterization techniques include: nitrogen adsorption, thermal analysis, potentiometric titration, FT-IR spectroscopy, X-ray diffraction, Energy Dispersive X-ray spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and Electron Microscopy.
The results obtained indicate that ammonia removal is governed by the adsorbent’s surface chemistry. On the contrary, porosity (and thus physisorption) plays a secondary role in this process, unless strong dispersive forces are provided by the adsorbent. The surface chemistry features responsible for the enhanced ammonia adsorption include the presence of oxygen-(carboxyl, hydroxyl, epoxy) and sulfur- (sulfonic) containing groups. Metallic species improve the breakthrough capacity as well as they lead to the formation of Lewis acid-base interactions, hydrogen-bonding or complexation. In addition to the latter three mechanisms, ammonia is retained on the adsorbent surface via Brønsted acid-base interactions or via specific reactions with the adsorbent’s functionalities leading to the incorporation of ammonia into the adsorbent’s matrix. Another mechanism involves dissolution of ammonia in water when moisture is present in the system. Even though this process increases the breakthrough capacity of a material, it provides rather weak retention forces since ammonia dissolved in water is easily desorbed from the adsorbent’s surface.