活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭對甲苯的吸附測試，甲苯是一種有毒且對環境有害的氣體，由工業活動產生。活性炭吸附甲苯氣體是一種經濟可行的去除方法。在本研究中，我們使用兩種方法制造改性活性炭，并研究了改性活性炭的吸附性能。

　　石油化學，有機化學，涂料和其他工業生產的揮發性有機化合物(VOCs)通過部分破壞臭氧層而造成環境破壞。在傳統的化學設施中，活性炭吸附已廣泛用于低濃度VOC的處理。具有大比表面積，致密孔結構和優異吸附性能的活性炭已成為用于去除VOC的好選擇。我們可以對活性炭進行改性以改善其結構性質，從而提高其吸附性能。改變活性炭結構性質的方法主要包括物理方法，化學方法，以及這兩種方法的組合。通過改性能夠使活性炭的比表面積大大增加，形成精細的孔結構。表面化學改性能夠通過加載對應于目標吸附物的官能團來增強活性炭的吸附性能，從而促進化學反應。

　　活性炭的熱化合物改性

　　將預處理的活性炭置于真空管中，從管的側面通入99%氮氣(流速為15L/h)，并在所得的管式爐中對活性炭進行60分鐘的熱處理。溫度控制在260-600攝氏度。所得樣品表示為活性炭-N。將樣品活性炭-N置于200mL1mol·L-1的硝酸(HNO 3)溶液中作為改性溶液，在恒溫磁力攪拌器中在70攝氏度的溫度下處理24小時，中和過濾后用去離子水洗滌，并在真空烘箱中在100攝氏度的溫度下干燥24小時。所得樣品用活性炭-HNO表示。

　　高重力下的熱化合物改性

　　活性炭在高重力環境中的熱化合物改性。將100g活性炭作為填料層，并且以900r/min的速度操作300分鐘，其中99%氮氣從入口端口通過。得到的活性炭表示為活性炭-RPB-N。原始活性炭和活性炭-RPB-N用1mol·L-1HNO 3在70攝氏度，流速40L·min-1，轉速36.3Hz下進行改性。在該處理之后，在用去離子水沖洗后，將兩個樣品在真空烘箱中在110攝氏度下干燥24小時，并分別表示為活性炭-RPB-HNO和活性炭-RPB-N-HNO。

　　在高重力物理改性過程中，氮氣分布不再是從頂部到底部的單一流動，而是通過所有方向的對流輸送到活性炭。在與活性炭接觸后，氮氣產生新的微孔并挖掘現有的吸附通道。因此，它增加了它們的表面積和孔容量。簡化的原理圖如圖1所示。

　　圖1.正常和高重力環境中氮和硝酸改性的示意圖。

　　活性炭吸附性能的實驗研究

　　在吸附柱中研究了活性炭吸附甲苯的能力。活性炭的用量為10g，吸附質甲苯氣體由氣體發生器產生。通過測定吸附前后甲苯的濃度，得到了不同條件下活性炭吸附性能的數據。實驗吸附裝置的流程圖如圖2所示。將來自氣體發生器的甲苯氣體與氮氣混合，然后將其吸附在恒溫吸附塔中。通過在線FID檢測器測量吸附前后的甲苯含量，并通過流量計控制甲苯流量。當脫氣和入口濃度在30分鐘內保持一致時，認為已達到吸附平衡。吸附氣體通過廢氣出口排空。

　　圖2.吸附流動圖的實驗。

　　幾種活性炭對甲苯的吸附性能比較

　　甲苯在不同活性炭上的穿透曲線和吸附等溫曲線如圖3所示和4。不同活性炭上的吸附速率從高到低依次為：活性炭-RPB-N-HNO>活性炭-RPB-HNO>活性炭-HNO>活性炭-RPB-N>活性炭-N>原始活性炭。吸附速率越大，滲透時間越長，這又與活性炭的復雜孔徑分布和表面官能團的量有關。活性炭的微孔體積在高溫氮氣中增大，這增加了活性炭通道的內部孔隙體積。在高重力氮氣環境中，不利于甲苯吸收的原始活性炭的內部結構被重新分配并分裂成新的空間構型，這進一步增加了突破時間。HNO 3處理的活性炭的突破時間在高重力環境中的改性大于具有HNO 3浸泡的改性活性炭。這是因為HNO 3分散的細小液滴中，這增加了其與活性炭的表面和內部的接觸概率，這反過來增強了活性炭上含氧官能團的負載并增加了它們的吸附效率。在重力作用下，復合改性處理的活性炭具有較長的穿透時間和較大的吸附速率，因為物理改性增加了比表面積，增大了孔體積分布，而化學改性增加了表面氧基團數。反過來，這些特性增強了吸附性能。

　　圖3. 活性炭的突破曲線。

　　圖4.活性炭的吸附等溫曲線。

　　經過我們的吸附測試在常規和高重力環境中物理，化學和化合物改性之后活性炭的吸附性質。研究了甲苯在不同活性炭上的吸附。通過高重力化合物改性處理的活性炭具有最大的吸附速率和容量。還發現微孔結構在活性炭吸附甲苯的過程中起主導作用。活性炭的優異吸附性是由于化合物的改性，增加了有效吸附位點的數量。活性炭-RPB-N-HNO上甲苯的表面覆蓋率為51.67%。因此，在高重力下活性炭的復合改性可以大大提高吸附性能。

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