負Cu活性炭對氯氣的吸附性能研究

王占英（河北省眾聯能源環保科技有限公司，河北 石家莊 050031）

負Cu活性炭對氯氣的吸附性能研究

王占英
（河北省眾聯能源環?？萍加邢薰荆颖?石家莊 050031）

摘要：活性炭作為一種多孔物質，具有很大的比表面積和較強的吸附性能，其廣泛應用于吸附劑和催化劑的載體。本文采用浸漬法制得負Cu活性炭（用Cu/AC表示），并考察了其對氯氣吸附性能的影響。利用XRD、FTIR對吸附前后的Cu/AC進行表征分析。研究表明，負載Cu后對氯氣吸附性能有顯著地提高，且經多次吸附后，結構骨架依然存在，穩定性較好。在0．22MPa、30℃時質量分數5%的Cu/AC最大吸附量為32．73%。

關鍵詞：Cu/AC；氯氣；吸附

含氯氣的尾氣處理日益成為工業生產中的一大問題。目前常見的含氯氣尾氣回收大多是采用堿液、水、有機溶劑吸收或者燃燒生產鹽酸等方法，這些方法成本高，而且會對環境產生二次污染。

活性炭作為有序多孔炭材料，具有相對大的比表面積和發達的孔徑，而且具有良好的吸附性能和穩定的化學性質，已經在氣體吸附儲存方面得到了較廣泛的應用。王慧娟等采用P-C-T氯氣吸附裝置對活性炭這種材料的氯氣吸附性能進行了實驗。發現活性炭對氯氣有一定的吸附量，而且能進行多次吸附、脫附、再吸附，吸附量沒有明顯的下降。李月生等通過實驗確定采用等量浸漬法， 以活性炭為載體、可溶性鹽為活性組分制備氯氣吸附劑。測得該吸附劑的吸附容量可達到7%~12%。然而目前使用的吸附劑對氯氣吸附效率較低，因此探索新的高效吸附劑是一項很有意義的工作。本實驗使用浸漬法在活性炭（AC）上負載不同質量分數的Cu，并研究了在一定條件下它們對氯氣吸附的性能。

圖1　

1　實驗部分

1.1 實驗試劑與儀器

活性炭（天津登峰試劑廠，40-60目）；CuCl（A.R.級，天津北辰試劑廠）；HCl （A.R.級，太化集團）；實驗所用Cl2（99.99%工業級，太化集團）

P-C-T氯氣吸附儀器（自制）；Rigaku D/2500 X光衍射儀， 銅K輻射，工作電壓40 kV，工作電流100mA，日本理學電機。傅立葉紅外光譜儀，FTIR-8400S 型，日本島津公司。

圖2　AC和5%Cu/AC在30℃時的氯氣吸附曲線

1.2 催化劑的制備

1.2.1 載體的預處理

將6g活性炭加入到40ml的2mol/L HCL溶液的圓底燒瓶中，在加熱溫度為200℃，攪拌速度每秒2.5轉的條件下進行回流6h。過濾后放入110℃烘箱干燥12h取出備用。改性好的活性炭記作AC-HCl。

1.2.2 Cu的負載

等體積法將上述處理好的AC-HCl浸漬到含有不同質量分數（1%、3%、5%、7%、9%）的CuCl濃氨水溶液中，室溫下攪拌6h，洗滌后放入120℃烘箱內干燥活化。將干燥好的活性炭在350℃氫氣氛圍下還原4-6h，得到Cu/ AC。

圖3　負載不同質量分數的Cu/AC在30℃時的氯氣變壓吸附曲線

1.2.3 實驗方法

如圖1所示為本實驗氯氣吸附測試使用P-C-T氯氣專用吸附裝置。將樣品裝入測試儀器的吸附管中。吸附管升溫至150℃，恒溫連續抽真空活化3 h，冷卻至室溫。將冷卻后的吸附管放進恒溫容器中，在一定溫度下向系統中充入氯至所需壓力進行氯氣吸附。當吸附達到飽和時，即壓力表讀數穩定且不再發生改變時，記錄數據。逐漸降低氯氣壓力并持續一段時間至壓力表讀數不發生變化，滴定放出氯氣的量，結合壓力表讀數計算每個平衡壓力下的儲氯量。根據壓力和吸附量作等溫吸附曲線圖。

圖4　5%Cu/AC在30℃時重復吸附氯氣五次的氯氣吸附曲線

2　結果與討論

2.1 活性炭負載Cu對氯氣吸附性能的影響

圖2為30℃時活性炭負載Cu前后對氯氣吸附量隨壓力變化曲線圖，負載量為5%。

由圖2可知，負銅前后活性炭對氯氣的吸附基本符合朗格繆爾吸附等溫線，屬于物理吸附。負載Cu后的活性炭對氯氣的吸附性能較活性炭原樣樣比有較明顯的提高。在壓力為0.28MPa，溫度為30℃時活性炭原樣吸附量為29.47%，而負銅之后的吸附量上升至32.73%。其原因可能有兩方面，一方面是由于金屬催化劑表面具有聚集氯氣的作用，這種作用在一定范圍內富集的氯氣量大于占有相同體積活性炭孔容時的活性炭對氯氣的吸附，表現出的氯氣吸附效果優于原始活性炭對氯氣的吸附效果。另一方面可能是負載催化劑之前的HCl處理去除了活性炭孔道內的雜質，增大了其比表面積，處理之后的活性炭表現出更好的吸附能力。

2.2 不同負載量的Cu/AC對氯氣的吸附性能的影響

圖3為變壓下負載不同質量分數的Cu/AC在30℃時的氯氣吸附特性曲線。圖3中可以看出，等壓下隨著負載量的增加，Cu/AC吸附氯氣的量呈現先增大后減小的趨勢?；钚蕴控撦d金屬銅質量分數在5%左右時的吸附效果最佳。一定范圍內，隨著金屬負載量的增大，金屬富集氯氣的能力明顯增強。而當活性炭負載金屬催化劑量達到一定值后，銅顆粒將會積聚并占用較多的活性炭體積的孔容，影響了活性炭自身的吸附能力。而金屬催化劑本身是無孔的結構，比表面積很小，負載量過大后堵塞了活性炭的孔道，所以吸附量會有所減小。由圖可知負銅活性炭最佳吸附氯氣的臨界質量分數為5%左右。

2.3 多次吸附對Cu/AC的氯氣吸附量的影響

圖4中的（1）、（2）、（3）、（4）和（5）分別代表活性炭負載金屬銅5% 在30℃條件下吸附氯氣1至5次的等溫變壓曲線。表1顯示出5次吸附量的具體數值。可以看出，在溫度30℃、壓力0.28MPa時Cu/AC對氯氣的吸附量最大。吸附氯氣1次、2次、3次、4次和5次后，活性炭負載金屬銅5%的氯氣吸附量分別為32.73%、32.30%、31.90%、31.83% 和29.83%。吸附前后吸附量并沒有明顯降低。所以Cu/AC在五次吸附后仍表現出較為穩定的狀態，也就是說氯氣的多次吸附沒有破壞活性炭的結構，也沒有造成負載金屬催化劑的大量損失，所以活性炭負載金屬催化劑在氯氣吸附方面可以被循環利用。

TABLE-1 EFFECTS OF CYCLIC ADSORPTION TIMES ON THE CHLORINE ADSORPTION CAPACITY OF Cu/AC

2.4 XRD圖譜分析

圖5中a、b分別代表負載含量5% 的Cu/AC吸附氯氣五次前后XRD圖譜。圖5上銅在2θ=43.3和50.4左右時出現特征峰，與標準XRD圖譜中銅的特征峰位置基本對應。負銅活性炭經五次氯氣吸附后的峰強度有所下降，而峰位置基本沒有變化，峰強度變化也不大。說明活性炭的整體骨架結構和無定形結構基本未被破壞。經氯氣吸附后的活性炭負載銅催化劑的結構并未塌陷，因此活性炭負載金屬催化劑銅可以被用來吸附氯氣。

2.5 紅外光譜分析

圖6中a、b分別代表負載量5%的Cu/AC吸附五次氯氣前后紅外圖譜。圖6中比較明顯的特特征峰有以下幾處：3300-3600cm-1之間的特征峰是由于吸附水伸縮振動或者炭材料表面酚羥基所引起的吸收峰；1700-1500cm-1之間的特征峰是由于不飽和鍵C=C的伸縮振動引起的；1200-1000cm-1之間的特征峰是由于C-O-C的不對稱伸縮振動引起的。

圖5　5%Cu/AC和重復吸附氯氣5次后的Cu/AC的XRD圖譜

圖6中a曲線和b曲線相比，可以看出，吸附氯氣之后載銅活性炭的特征吸收峰位置未發生遷移，只是強度有所減小，但并不明顯。這表明Cu/C催化劑經過五次氯氣吸附后結構仍很穩定，表面官能團未產生明顯變化，負銅活性炭可以用作氯氣吸附劑。

圖6　5%Cu/AC和重復吸附氯氣5次后的Cu/AC的FTIR圖譜

結語

本文研究了負Cu活性炭對氯氣吸附性能的影響。實驗結果表明：負載Cu后的活性炭對氯氣的吸附性能較活性炭原樣相比有較明顯的提高。30℃時，負載Cu質量分數在5%左右時的吸附效果最佳，最大吸附量可達32.73%。并且經過多次吸附后結構仍未坍塌，其基本骨架結構依然存在。利用負銅活性炭吸附處理氯氣將具有廣闊的發展前景。

參考文獻

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中圖分類號：TQ424

文獻標識碼：A