活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　活性炭改性處理廢氣后用磷酸鹽再活化

　　活性炭是一種經(jīng)過加工活化的碳，具有發(fā)達(dá)的多孔結(jié)構(gòu)、高表面積和可用于吸附的高微孔體積。由于其高度微孔性，一克活性炭的表面積可能在1000至2000m2之間，甚至更大。活性炭在空氣處理中有很大的用途，非改性活性炭通常可有效吸附不具有高揮發(fā)性(即沸點(diǎn)高于65℃)的有機(jī)化合物。然而，為了有效過濾揮發(fā)性有機(jī)化合物和低分子量氣體，例如氰化氫(HCN)、氯化氰(表示為CK或CNCl)、二氧化硫、氨、甲醛和氯氣，有必要用金屬添加劑浸漬活性炭。通過化學(xué)吸附，目標(biāo)氣體對(duì)浸漬金屬的吸附比通過物理吸附對(duì)活性炭的吸附更有效。鉻與銅和少量銀最初被發(fā)現(xiàn)是一種有效的添加劑組合。目前常用的添加劑包括銅鹽、鋅鹽、鉬鹽、銀鹽和三亞乙基二胺。改性活性炭可有效去除氣體和/或蒸汽，包括有機(jī)化合物蒸汽、氯、氯化氫、氰化氫、氯化氰、二氧化硫、硫化氫、甲醛等。

　　用于空氣過濾的改性活性炭在經(jīng)過一下惡劣工況下，會(huì)因浸漬金屬失活而逐漸失去化學(xué)吸附有害氣體的功能。為了穩(wěn)定活性炭免于失活并延長空氣處理器的使用效果，無機(jī)磷酸鹽化合物(磷酸及其三種鹽：NaHPO4、Na2HPO4和Na3PO4)被用作兩種不同的浸漬銅、鋅、鉬和三乙烯二胺的活性炭的從新活化添加劑。

　　活性炭失活實(shí)驗(yàn)

　　在實(shí)驗(yàn)條件下活性炭加速失活3個(gè)月和6個(gè)月，對(duì)比常態(tài)下的改性活性炭對(duì)抗廢氣的效果分別降低了59-89%和>75%。磷酸鹽的添加抑制了活性炭的失活，失活3-6個(gè)月后防護(hù)值僅下降17~23%和32~37%。一般來說，與正常情況相比，保護(hù)后的活性炭可以提高吸附時(shí)長。其原因是失活后，特別是在沒有添加劑的活性炭中，浸漬金屬的化學(xué)吸附能力非常低。因此，廢氣的吸附主要通過物理吸附發(fā)生。干燥去除了占據(jù)物理吸附位點(diǎn)的水，從而能夠通過物理吸附吸附一定量的廢氣。實(shí)際上，即使活性炭失活并超過其預(yù)期保質(zhì)期，其保護(hù)能力也可能通過干燥而部分恢復(fù)。

　　磷酸鹽濃度(NaH2PO4·H2O)對(duì)活性炭失活的影響

　　為了評(píng)估最佳磷酸鹽濃度，通過改變活性炭中NaH2PO4·H2O的濃度進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如圖1所示。

　　圖1：磷酸鹽添加劑(NaH2PO4·H2O)濃度對(duì)新的和浸漬的活性炭的防護(hù)值的影響。(A)改性活性炭，(B)活性炭。

　　如圖1A所示，濃度為3.38wt.%的磷酸鹽添加劑足以實(shí)現(xiàn)活性炭保護(hù)值的最小降低。對(duì)于改性活性炭，使用5.15wt.%磷酸鹽添加劑獲得了最大效率。

　　磷酸鹽類型對(duì)活性炭失活的影響

　　為了評(píng)估磷酸鹽添加劑類型是否影響添加劑防止活性炭失活下的效果，用其他磷酸鹽化合物(H3PO4、Na2HPO4·2H2O和Na3PO4·12H2O)進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。磷酸(H3PO4)和磷酸二氫二水合物(Na2HPO4·2H2O)對(duì)活性炭吸附廢氣的保護(hù)值的影響分別如圖2和圖3所示。

　　圖2：磷酸濃度對(duì)新的和失活的活性炭保護(hù)值的影響。

　　圖3：二水合磷酸二氫鹽(Na2HPO4·2H2O)對(duì)新的和失活的活性炭保護(hù)值的影響。

　　可以看出，濃度為5.15wt.%的磷酸對(duì)于抑制失活非常有效(加速失活6個(gè)月后保護(hù)值保持不變)。然而，添加5.15wt.%磷酸后，初始保護(hù)值(對(duì)于新碳)顯著降低，從171g/min/m3降至95g/min/m3。總體而言，磷酸是不如NaH2PO4有利的添加劑。

　　使用Na2HPO4·2H2O添加劑的實(shí)驗(yàn)在6.52%的濃度下進(jìn)行，其摩爾當(dāng)量相當(dāng)于5.15%的NaH2PO4·H2O濃度。圖3的結(jié)果表明，Na2HPO4·2H2O添加劑也能有效防止失活，但不如NaH2PO4·H2O有效。例如，失活180天后，防護(hù)值含有Na2HPO4·2H2O添加劑的活性炭濃度下降至65mg/min/m3相比之下，使用NaH2PO4·H2O添加劑的活性炭為107mg/min/m3。

　　用磷酸三鈉12水合物(Na3PO4·12H2O)在活性炭上進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)，活性炭失活后干燥。實(shí)驗(yàn)在11.03wt.%的濃度下進(jìn)行，相當(dāng)于4.00wt.%的NaH2PO4·H2O的摩爾當(dāng)量。很明顯，磷酸三鈉在抑制衰老方面并不有效。經(jīng)過3個(gè)月的加速失活，保護(hù)值甚至低于未改性的活性炭。然而，Na3PO4·12H2的效率可能會(huì)降低如果在酸性環(huán)境中或與酸或酸性化合物一起添加，效果會(huì)更好。這是因?yàn)樗嵝詶l件可以向磷酸鹽提供質(zhì)子，導(dǎo)致磷酸鈉有效地充當(dāng)Na2HPO4或NaH2PO4。總體而言，結(jié)果表明，在由磷酸及其三種鈉鹽組成的磷酸鹽添加劑中，一元鹽NaH2PO4·H2O是抑制失活最有效的添加劑。

　　活性炭改性處理廢氣后用磷酸鹽再活化的研究中，我們開發(fā)了一種含有磷酸鹽添加劑的活性炭，以提高過濾材料的長期抗失活能力。添加磷酸鹽，特別是磷酸二氫鈉NaH2PO4，浸漬有銅、鋅、鉬的活性炭被發(fā)現(xiàn)對(duì)于抑制在惡劣環(huán)境下吸附廢氣的失活效應(yīng)非常有效。加速失活3個(gè)月后，廢氣保護(hù)值僅下降約20%，而無添加劑時(shí)為96%。與有機(jī)添加劑不同，磷酸鹽添加劑不占據(jù)物理吸附位點(diǎn)，因此，沒有觀察到針對(duì)物理吸附化合物(甲苯)的保護(hù)值的降低。活性炭中磷酸鹽添加劑的效率非常高，盡管它沒有抑制銅從碳顆粒的內(nèi)部到外表面的遷移。

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