活性炭孔結(jié)構(gòu)與正丁烷吸附性能的關(guān)系及吸附動(dòng)力學(xué)研究(摘要)

劉曉敏(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，北京100091;2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，江蘇南京210042)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和由此帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題日益受到人們的關(guān)注，近年來(lái)活性炭在工業(yè)三廢治理過(guò)程中，尤其是在廢氣治理過(guò)程中起著越來(lái)越重要的作用。氣相吸附活性炭已廣泛用于溶劑回收，有機(jī)廢氣處理，氣體分離、凈化，能源儲(chǔ)存等領(lǐng)域。對(duì)活性炭氣相吸附能力的評(píng)價(jià)，尤其是對(duì)揮發(fā)性有機(jī)氣體的吸附能力的評(píng)價(jià)，目前國(guó)內(nèi)外均采用丁烷工作容量(BWC)來(lái)表征活性炭氣相吸附性能。而國(guó)內(nèi)外關(guān)于活性炭與正丁烷吸附性能的研究報(bào)道卻不多。因此，研究活性炭與正丁烷吸附性能的關(guān)系及其吸附動(dòng)力學(xué)對(duì)促進(jìn)我國(guó)的活性炭科研與應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展有著較大的意義。本研究的主要內(nèi)容和研究結(jié)果如下:

1)首先研究了活性炭的孔結(jié)構(gòu)對(duì)丁烷吸附性能的影響，結(jié)果表明:活性炭的孔結(jié)構(gòu)對(duì)丁烷吸附性能的影響顯著，并且存在著一定的正相關(guān)性。活性炭的比表面積越大、孔容積越大，活性炭的丁烷活性越大、丁烷工作容量越大。活性炭的丁烷吸附性能還受孔徑分布的影響。對(duì)正丁烷吸附起主要作用的微孔主要集中在1.2～2 nm內(nèi);對(duì)正丁烷吸附起主要作用的中孔主要集中在2～4 nm之間，該范圍的孔容積越大，其丁烷工作容量會(huì)越高。而0.5～1.0 nm以?xún)?nèi)的孔影響丁烷持附性，在丁烷活性相同時(shí)盡可能的降低該范圍的孔容積，從而提高丁烷工作容量。

2)研究了改性活性炭對(duì)正丁烷吸附性能的影響，選用3種溶液作為改性劑，即分別為:KOH溶液、NaHCO3溶液和HNO3溶液，分別考察了浸漬濃度、浸漬比、浸漬時(shí)間、浸漬溫度對(duì)活性炭的正丁烷吸附性能的影響，并且分別設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，獲得了最佳的浸漬制備工藝，同時(shí)借助于多種分析手段探討了浸漬改性機(jī)理。實(shí)驗(yàn)表明:KOH浸漬時(shí)，各因素對(duì)活性炭正丁烷吸附性能的影響順序?yàn)榻n濃度＞浸漬比＞浸漬溫度＞浸漬時(shí)間，最佳的制備工藝為:浸漬濃度2%、浸漬比1∶1、浸漬溫度60℃、浸漬時(shí)間6 h，丁烷工作容量提高了10.7 g/L;NaHCO3浸漬時(shí)，各因素的影響順序?yàn)榻n濃度＞浸漬溫度＞浸漬比＞浸漬時(shí)間;最佳的生產(chǎn)工藝為:浸漬濃度3%、浸漬比1∶1.5、浸漬時(shí)間4 h、浸漬溫度80℃，丁烷工作容量提高了12.9 g/L;而HNO3浸漬時(shí)各因素對(duì)正丁烷吸附性能的影響強(qiáng)弱程度為:浸漬濃度＞浸漬比＞浸漬溫度＞浸漬時(shí)間;但是HNO3浸漬過(guò)后的活性炭的正丁烷吸附性能均出現(xiàn)了不同程度的降低。

采用氮?dú)馕椒āEM、FT-IR、Boehm滴定法、孔徑分布等手段對(duì)浸漬過(guò)后的活性炭進(jìn)行表征。氮?dú)馕椒ū砻鹘n后活性炭的比表面積、孔容積都有一定程度的增減;SEM分析表明浸漬作用會(huì)使活性炭的表面出現(xiàn)凹凸不平、裂痕、團(tuán)聚現(xiàn)象;FT-IR和Boehm滴定法分析顯示活性炭表面官能團(tuán)的種類(lèi)沒(méi)有發(fā)生變化，而數(shù)量的變化導(dǎo)致吸附性能的改變;孔徑分布結(jié)果顯示浸漬作用會(huì)引起孔隙擴(kuò)大、孔道坍塌、孔徑堵塞等現(xiàn)象，使得孔容積發(fā)生變化，進(jìn)而影響了活性炭的吸附性能。

3)最后研究了活性炭對(duì)正丁烷的吸附動(dòng)力學(xué)，研究結(jié)果表明:活性炭吸附正丁烷是一個(gè)吸附與解吸并存的快速物理吸附過(guò)程;正丁烷流量顯著影響活性炭的吸附速率和吸附時(shí)間，但不影響活性炭的飽和吸附量;活性炭對(duì)正丁烷的飽和吸附量隨著溫度的升高而降低，表明正丁烷在活性炭上的吸附為放熱反應(yīng);活性炭對(duì)正丁烷的吸附動(dòng)力學(xué)行為遵循班厄姆動(dòng)力學(xué)方程，AC-1和AC-2的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99，通過(guò)班厄姆方程計(jì)算得到的qe與實(shí)驗(yàn)得到的qe非常接近，通過(guò)擬合可以得到理想的吸附速率方程。

活性炭孔結(jié)構(gòu);正丁烷吸附性能;吸附動(dòng)力學(xué)