硝酸改性活性炭對模擬汽油中苯并噻吩的吸附

張志剛，馬研研，范俊剛，孫向樂，李文秀

（沈陽化工大學 遼寧省化工分離技術重點實驗室，遼寧 沈陽 110142）

2011年我國頒布了新的汽油硫含量標準［1］，其中強制性車用汽油標準（Ⅲ）要求硫質量分數不大于150μg/g，車用汽油標準（Ⅳ）要求硫質量分數不大于50μg/g，建議性車用汽油標準（Ⅴ）要求硫質量分數不大于10μg/g，汽油的超低硫化甚至無硫化已是不可阻擋的趨勢。然而，我國加工的原油不斷加重，硫含量不斷增加，急需更好的深度脫硫技術。傳統加氫脫硫技術的明顯缺陷在于，油品辛烷值損失大，噻吩類硫化物加氫反應活性低，難以達到深度脫硫［2］；吸附脫硫技術具有辛烷值損失低、投資少、操作條件溫和等優點，能夠達到深度脫硫，受到各國越來越多的關注［3］。吸附脫硫技術的關鍵在于吸附劑，常用的吸附劑有分子篩、金屬氧化物、活性炭等，其中活性炭因其具有大的比表面積、發達的孔隙結構、可調控的表面化學性質、資源豐富和價格便宜等優點，具有良好的應用前景。最近幾年，對活性炭吸附脫硫的研究從對硫醇、硫醚等簡單硫化物逐漸轉向較難脫除的噻吩類硫化物，且大量關注的是汽油深度脫硫的新方法，對微觀機理的研究較少。從吸附平衡和動力學的角度對活性炭的性質及吸附機理進行研究，對活性炭的優化及應用具有重大意義。

筆者在前期工作的基礎上，在最佳條件下采用硝酸對活性炭進行氧化改性，并以苯并噻吩－正庚烷溶液為模擬汽油，以硫含量為標準，考察了改性前后活性炭對苯并噻吩的吸附性能。通過吸附等溫式和動力學方程分別對吸附平衡及動力學數據擬合，并進一步借助表征手段研究了活性炭的性質及吸附機理。

1 實驗部分

1.1 原料和儀器

活性炭，沈陽新興試劑廠產品；正庚烷，天津大茂化學試劑有限公司產品；氫氧化鈉、鹽酸、硝酸、苯并噻吩，均為國藥集團化學試劑有限公司產品。所用試劑均為分析純。

北京賽多利斯科學儀器有限公司ATL-224-I型電子天平；北京北分瑞利分析儀器有限公司SP-3420氣相色譜儀，配有FPD檢測器；美國麥克公司SSA-4300孔隙比表面分析儀；美國熱電公司Nicolet Magna-380型傅里葉變換紅外光譜儀。

1.2 吸附劑的制備

首先用蒸餾水洗滌活性炭除去大部分灰分，用摩爾濃度為1mol/L的鹽酸浸漬2h，再用蒸餾水沖洗其中的無機雜質至接近中性，然后用1mol/L的氫氧化鈉溶液浸漬2h后蒸餾水洗至中性，除去有機雜質，在80℃真空干燥箱中干燥24h，得到活性炭吸附劑，記為AC。

準確稱取2g AC，加入20mL摩爾濃度為15mol/L的硝酸，氧化4h，用蒸餾水洗至中性，在80℃干燥24h，得到硝酸改性活性炭吸附劑，記為ACN。

1.3 吸附劑的表征

采用SSA-4300孔隙比表面分析儀測定吸附劑的比表面積、孔容和孔徑；采用Nicolet Magna-380型傅里葉變換紅外光譜儀定性分析吸附劑的表面官能團；采用Boehm滴定法［4］定量測定吸附劑的表面含氧官能團。

1.4 吸附脫硫實驗

1.4.1 模擬汽油的配制

準確稱取0.1709g苯并噻吩，溶解后轉移到100mL容量瓶，用正庚烷定容，配制成硫質量濃度為400mg/L的模擬汽油。

1.4.2 吸附平衡實驗

取不同質量的活性炭于吸附容器中，分別加入6mL模擬汽油，靜態吸附12h確保達到平衡，用氣相色譜儀測定模擬汽油中硫的濃度。

1.4.3 動力學實驗

取1g活性炭于50mL錐形瓶中，加入30mL模擬汽油，進行靜態吸附實驗，間隔一定時間取樣，測量模擬汽油中硫的濃度，直到硫的濃度不變。

2 結果與討論

2.1 硝酸改性前后活性炭吸附劑的孔結構和表面官能團

2.1.1 孔結構

表1為硝酸改性前后活性炭的孔結構數據。由表1可以看出，與未改性的活性炭相比，硝酸改性活性炭的比表面積急劇下降，孔容有所減小，平均孔半徑增大。一方面，硝酸氧化溶解了部分灰分，使活性炭內部的孔結構發生坍塌，一些微孔被堵塞，導致比表面積和孔容減小，同時拓寬孔道引起平均孔徑增大；另一方面，氧化產生的含氧官能團也會堵塞孔道，使活性炭的比表面積和孔容減小［5－6］。

表1 硝酸改性前后活性炭的孔結構數據Table 1 Pore structural data of the activated carbon before and after nitric acid modification

2.1.2 表面官能團

圖1為硝酸改性前后活性炭的FT-IR譜。由圖1看到，改性前活性炭在3440cm－1附近出現了1個—OH的伸縮振動峰，硝酸改性活性炭的該譜峰向低波數漂移，歸屬于羧基中的O—H伸縮振動；1635cm－1處為石墨層中存在于醌中或具有離子自由基結構的高度共軛的C＝O振動譜峰，1000～1200cm－1區域的峰可能是酚羥基、羧基中C—O的伸縮振動和O—H的彎曲振動共同作用的結果，硝酸改性活性炭的上述峰的強度均增強，表明改性后活性炭的含氧官能團增加。

圖1 硝酸改性前后活性炭的FT-IR譜Fig.1 FT-IR spectra of activated carbon before and after nitric acid modification

表2為硝酸改性前后活性炭表面含氧官能團的濃度。由表2可看出，活性炭經硝酸改性后表面的羧基、內酯基和酚羥基的濃度均增大，并且羧基的增加量最大，這與FT-IR分析結果一致。由于活性炭石墨微晶邊緣的碳原子比微晶中心區域的碳原子具有更高的反應活性，氧化會使其結合一定數量的氧原子，形成多種含氧官能團，從而使含氧官能團的量增加［7］。

表2 硝酸改性前后活性炭表面含氧官能團的濃度Table 2 Concentration of oxygen functional groups on the surface of activated carbon before and after nitric acid modification

2.2 硝酸改性前后活性炭對苯并噻吩的吸附平衡

在固體顆粒吸附劑對溶液中吸附質微界面吸附的研究中，Freundlich、Langmuir和BET吸附模型［8－9］是經典的吸附等溫線模型，另外對Freundlich和Langmuir模型改進得到的Sips吸附模型也得到廣泛應用。其中，Freundlich吸附模型基于吸附劑表面不均勻性的假設；Langmuir吸附模型假設吸附位均勻的分布在吸附劑表面，并且吸附劑對吸附質的吸附屬于單分子層吸附；Sips吸附模型可用于分析吸附位的分布情況；BET吸附模型一般適用于物理吸附過程。在BET吸附模型中，假設吸附為多分子層吸附，其表達式為式（1）～（4）。

式（1）～（4）中，qe為達到吸附平衡時單位質量吸附劑的吸附容量，mg/g。Ce為平衡質量濃度，mg/L；K（mg（p＋1）/（Lp·g））和p（無 量 綱 ）為Freundlich 常 數。K1（mg/g）、K2（L/mg）為Langmuir參數。Q（mg/g）、b（L/mg）和m（無量綱）為Sips吸附模型特征參數。qs、c、Csat為BET模型特征參數，其中qs為飽和吸附容量，mg/g；c表示吸附劑與吸附質之間親和力的大小，無量綱；Csat與飽和濃度有關，mg/L。

圖2為采用4種吸附模型對硝酸改性前后活性炭吸附苯并噻吩擬合得到的吸附等溫線，擬合的參數值列于表3，R2值表示擬合度。由表3可看出，BET和Sips吸附模型對AC吸附苯并噻吩擬合得到的吸附等溫線的擬合度最高，Freundlich吸附模型對其也有較高的擬合度；Sips和Freundlich吸附模型對ACN吸附苯并噻吩的等溫線擬合度最高，BET吸附模型對其有較高的擬合度。Langmuir吸附模型對2種活性炭吸附苯并噻吩的吸附等溫線的擬合效果最差。

圖2 采用4種吸附模型擬合得到的AC和ACN吸附苯并噻吩的吸附等溫線Fig.2 Adsorption isotherms of benzothiophene on AC and ACN simulated by four adsorption models

擬合結果表明，活性炭對苯并噻吩的吸附以物理吸附為主，為多分子層吸附，且吸附位不均勻。采用Sips吸附模型時，ACN的m值比AC的m值更偏離1，表明氧化后活性位的分布更加不均勻；采用BET模型時，ACN的c值大于AC的，表明氧化后活性炭與苯并噻吩的親和力增強。分析認為，由于活性炭對苯并噻吩的物理吸附是通過范德華力和氫鍵等作用發生吸附，其中范德華力不僅存在于吸附劑與吸附質之間，還存在于吸附質與吸附質之間，引起吸附劑對吸附質的吸附為多分子層吸附，氧化后活性炭表面含氧官能團的增加、分布更加不均勻以及有效孔結構的變化可能是造成親和力增強和異質化程度增加的主要原因。根據Pearson［10］的軟硬酸堿理論，噻吩類硫化物為Lewis堿，酸性含氧官能團為Lewis酸，且氧化后產生的羧基和酚羥基等酸性含氧官能團使活性炭局部區域的化學硬度與苯并噻吩的化學硬度更加接近，同時，噻吩類化合物中噻吩環上S原子的電負性較大，可與酸性基團的羥基發生氫鍵作用，從而使活性炭與苯并噻吩的作用力增強。因此推測，硝酸改性后活性炭對苯并噻吩的吸附容量比改性前可能會增加。

表3 采用4種吸附模型擬合得到的AC和ACN吸附苯并噻吩的吸附等溫線參數和擬合度Table 3 Parameters for adsorption isotherms of benzothiophene on AC and ACN simulated by four adsorption models

2.3 硝酸改性前后活性炭對苯并噻吩的吸附動力學

吸附動力學主要研究吸附容量與吸附時間的關系，對動力學曲線的擬合可為吸附工藝的設計提供理論指導。準一階（PFO）動力學方程和準二階（PSO）動力學方程被廣泛應用于液－固吸附體系的動力學分析，其表達式［11－12］分別如式（5）、（6）所示。

式（5）、（6）中，t為吸附時間，min；qt為吸附時間為t時單位質量吸附劑的吸附容量，mg/g；k1為準一階速率常數，min－1；k2為準二階速率常數，g/（mg·min）。

Marczewski［13］結合準一階及準二階動力學方程提出的混階（MOE）動力學方程和Azizian等［14］提出的修正的準n階（MPnO）動力學方程，均可用于分析異質性表面的動力學數據。前者的表達式如式（7）所示，后者的表達式如式（8）所示。

式（7）、（8）中，F2為二階方程占混合階的比例，無量綱參數；k為速率常數，min－1，n為速率方程的階，無量綱參數；k′＝kqen－1。

圖3為采用4種動力學方程對硝酸改性前后活性炭吸附苯并噻吩動力學數據擬合得到的動力學曲線，擬合得到的參數值列于表4。由表4可知，MPnO模型對AC和ACN吸附苯并噻吩的動力學曲線的擬合度最高。由圖3可看出，活性炭對苯并噻吩吸附的前50min吸附容量迅速上升，之后吸附容量上升緩慢，直到達到吸附平衡。這可能是由于吸附初期苯并噻吩主要吸附在吸附劑的相對外表面，后期主要吸附在相對內表面，隨著擴散阻力的增大和推動力的減小，使吸附速率逐漸減小直到平衡。由圖3還可看出，AC和ACN對苯并噻吩的吸附分別在180和230min左右達到平衡。由于活性炭吸附苯并噻吩時優先吸附在活性較高的吸附位上，然后吸附在活性較低的吸附位上，活性炭改性后其表面吸附位異質化程度的增加導致吸附時間變長。因此對活性炭改性時，盡量使吸附位均勻，可能會提高吸附速率。根據實驗結果計算得到硝酸改性前后活性炭吸附苯并噻吩的平衡硫容分別為7.066、10.661mg/g，改性活性炭的吸附硫容明顯增加，與2.2節的推測結果一致。

圖3 采用4種動力學模型擬合得到的AC和ACN吸附苯并噻吩的動力學曲線Fig.3 Adsorption kinetics curves of benzothiophene on AC and ACN simulated by four kinetic models

表4 采用4種動力學模型擬合得到的AC和ACN吸附苯并噻吩的動力學參數值Table 4 Parameters for adsorption kinetics of benzothiophene on AC and ACN simulated by four kinetic models

活性炭的吸附容量由微孔孔容和酸性官能團共同決定［15］；比表面積越大，對吸附脫硫越有利［16］；活性炭孔徑越小，對苯并噻吩的吸附能力越強［17］。硝酸改性活性炭的比表面積、孔容和孔徑的變化（見表1）均不利于吸附硫容的增加，但其吸附容量較改性前增加33.7%，表明活性炭表面酸性含氧官能團是決定吸附容量的主要因素，增加含氧官能團的數量可以提高活性炭對苯并噻吩的吸附能力。

3 結 論

（1）BET和Sips吸附模型對硝酸改性前活性炭吸附苯并噻吩等溫線的擬合度最高（R2≥0.994），Sips和Freundlich吸附模型對硝酸改性后活性炭吸附苯并噻吩等溫線的擬合度最高（R2≥0.995）。活性炭對苯并噻吩的吸附以物理吸附為主，發生多分子層吸附，改性后活性炭表面活性位的異質化程度增加，與苯并噻吩之間的親和力增強。

（2）修正的準n階速率方程對硝酸改性前后活性炭吸附苯并噻吩動力學曲線的擬合度最高（R2≥0.994），通過分析推斷，對活性炭改性使其吸附位盡量均勻，能提高吸附速率。

（3）硝酸改性活性炭對苯并噻吩的吸附容量比未改性前提高了33.7%。表面酸性含氧官能團是決定吸附容量的主要因素，硝酸氧化改性使活性炭表面含氧官能團密度增大，與苯并噻吩的親和力增強，從而提高了對苯并噻吩的吸附能力。

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