復合改性活性炭纖維對SO2的吸附性能研究

袁康平 董瑞婷 羅濤朋

（南昌師范學院化學與食品科學學院，江西 南昌 330032）

0 引言

據統計，我國每年SO2排放量在2 000萬t左右，雖然隨著脫硫技術的運用，含硫化合物排放量相對在減少，但SO2、H2S等有毒有害氣體的排放總量一直居高不下［1］。活性炭纖維因比表面積大、脫附性能好、強度性能穩定、運行可靠，可作為一種新型強吸附材料［2-4］。

常見的ACF改性方法有熱處理、改性試劑浸泡等［5-7］，傳統方法一般采用800～1 200℃，氮氣保護和高溫熱處理進行改性，對儀器和操作要求高，改造成本高。將ACF放在一定濃度的溶液中浸泡一定時間進行改性，常見的改性試劑有硝酸、鹽酸、高錳酸鉀、氫氧化鉀等強酸性試劑、強堿性試劑或強氧化劑，此類改性方式在工業生產中很容易造成廢水的排放問題，且改性過程中對儀器有較大損傷，且安全性難以保證。

本研究以聚丙烯腈基活性炭纖維為前驅體，分別采用200℃熱處理、氨水浸泡、氨水浸泡+200℃熱處理、200℃熱處理+氨水浸泡4種環境進行改性，改性效果顯著。與傳統方法相比，降低了成本，且所用NH3這種揮發性的試劑不會造成廢水排放問題，且改性過程對儀器的損傷也較小，安全性高。

1 試驗部分

1.1 材料、試劑和儀器

聚丙烯腈基-活性炭纖維（ACF）（北海碳素）；EDTA、淀粉、碘單質、氫氧化鈉、氨水、濃硫酸、無水亞硫酸鈉、氨基磺酸銨、濃鹽酸、碘酸鉀（均為分析純），產地為西隴科學股份有限公司。

電子天平（型號：MP10001）；分析天平（型號：SQP）；紅外光譜（型號：WQF-510A）；電熱恒溫干燥箱（型號：GZX-910MBE）；掃描電子顯微鏡（TESCAN MIRALMS）。

1.2 改性ACF及SO2的制備

活性炭纖維原樣（ACF-0）：將ACF裁剪成15.5 cm×3.5 cm約2 g的長片，將其于烘箱120℃條件下干燥2 h。

氨改性ACF（ACF-NH3）：將ACF-0放入2%～10%的400 mL NH3溶液中，在25℃下浸泡12 h，浸泡結束后于90℃烘干2 h，再至120℃干燥4 h。

表1 不同濃度NH3浸泡改性

熱處理改性ACF：將ACF進行裁剪，裁剪成約2 g/片，將裁剪好的ACF放入100 mL瓷坩堝中，放入烘箱中200℃熱處理3 h后拿出來冷卻。

氨-熱處理復合改性ACF：將ACF進行裁剪，裁剪成約2 g/片，將裁剪好的ACF在裝有300 mL 2%～10%的NH3溶液的燒杯中完全浸泡12 h，用鑷子將浸泡后的ACF放入100 mL瓷坩堝中，放置在烘箱中120℃烘干4 h后，再將烘箱調至200℃熱處理3 h，拿出冷卻，制得改性ACF材料。

熱處理-氨復合改性ACF：將ACF進行裁剪，裁剪成約2 g/片，將裁剪好的ACF放入100 mL瓷坩堝中，放入烘箱中200℃熱處理3 h后拿出來冷卻。再將熱處理后的ACF在裝有300 mL 2%～10%的NH3溶液的燒杯中浸泡12 h后，放置在烘箱中120℃烘干4 h后，拿出來冷卻，制得改性ACF材料。

SO2的制備：將30 g Na2SO3放入250 mL圓底燒瓶中，用兩孔橡膠塞塞住上端，插入100 mL長頸漏斗和直角導管。管道的一端連接水箱以收集尾氣。所有接口用真空潤滑脂密封后用20 mL濃硫酸填充長頸漏斗，并打開長頸漏斗活塞。氣體發生10 min后，將導管連接到氣體收集袋，以收集高濃度SO2。

1.3 檢測樣品SO2吸收量試驗

氣流速度控制在0.5 L/min左右，吹1 h。將吸收液轉入碘量瓶中，用少量吸收液洗滌吸收瓶2次，轉入碘量瓶中搖勻，加入50 mL 2 g/L的淀粉溶液，用0.010 mol/L的碘標準溶液滴定到終點，消耗量為V1（mL）。取未裝有活性炭纖維的空瓶注射5 mL高濃度SO2進行吹氣吸收，記錄最終碘標準溶液消耗量V0（mL）。另取相同體積的空白吸收液，用同樣方法進行空白滴定，記錄消耗量V2（mL）。

ACF吸收SO2含量的計算公式如式（1），其中1 mL 1 mol/L碘標準溶液相當的二氧化硫的質量為32.0 mg。

式中：K為活性炭纖維吸附SO2含量，mg/g；V0為5 mL高濃度SO2消耗的碘標準溶液體積，mL；V1為活性炭纖維吸附后剩余SO2消耗的碘標準溶液體積，mL；C（1/2 I2）為碘標準溶液濃度，mol/L；mACF為活性炭纖維的質量，g。

圖1為活性炭纖維對SO2吸附測定的試驗裝置示意圖。整個裝置密閉，并且采用SO2檢測儀進行檢測，尾氣吸收裝置為甲基橙溶液，無變色反應，表明未被活性炭纖維吸收的SO2全部被吸收液吸收，用碘標準溶液測定吸附溶液后，可以準確計算活性炭纖維對SO2的吸附量。

圖1 活性炭纖維對SO2吸附測定的試驗裝置示意圖

2 結果與討論

2.1 紅外表征結果

為了探究不同改性方式處理后ACF表面官能團的變化，尤其是能吸附SO2的官能團是否增加，接下來對改性前后的ACF做了一系列紅外光譜表征。圖2為不同濃度NH3溶液浸泡后ACF材料的傅立葉變換紅外光譜圖。從圖2中可以看出，材料在3 700～3 500 cm-1波段均有峰的出現，說明材料表面有游離羥基的存在。在3 500～3 400 cm-1波段均有明顯的峰，這歸屬于—NH2的伸縮振動，1 700～1 650 cm-1波段處的峰表明在材料表面存在羰基、酮基、醛基或者內酯，值得注意的是在這個波段的特征峰很強烈，表明其含氧官能團的濃度更高。在1 450 cm-1附近的X—H面內彎曲振動及X—Y伸縮振動區處有峰的出現，這歸屬于C—C單鍵骨架振動［8］。圖譜中在1 375 cm-1有單獨的峰，這歸屬于—CH3的峰，在1 149 cm-1處也存在明顯的峰，這歸屬于醇、酚、醚中C—O的伸縮振動。

圖2 不同濃度NH3浸泡后ACF材料FT-IR光譜圖

由圖3可知，材料在3 700～3 500 cm-1波段均有峰的出現，說明其表面有游離羥基的存在。在3 500～3 400 cm-1波段均有明顯的峰，這歸屬于—NH2的伸縮振動，1 700～1 650 cm-1波段處的峰表明在材料表面存在羰基、酮基、醛基或者內酯，值得注意的是在這個波段的特征峰更為強烈，表明其含氧官能團的濃度更高。在1 450 cm-1附近的X—H面內彎曲振動及X—Y伸縮振動區處有峰的出現，這歸屬于C—C單鍵骨架振動。圖譜中在1 375 cm-1有單獨的峰，這歸屬于—CH3的峰，在1 149 cm-1處也存在明顯的峰，這歸屬于醇、酚、醚中C—O的伸縮振動。值得注意的是，經過熱處理后的活性炭纖維在1 700～1 650 cm-1這個波段的峰更加強烈，這些波段的峰歸屬于一系列含氧官能團，說明在熱處理的過程中吸附質分子因為溫度上升，與活性炭纖維表面相互作用生成了新的含氧官能團。

圖3 不同濃度NH3浸泡+熱處理ACF材料FT-IR光譜圖

由圖4可知，在基礎波段1 630～1 700 cm-1之間均出現非常明顯的羧酸或羰基的C=O伸縮振動吸收峰，表明熱處理+NH3浸泡后，ACF的C=O官能團明顯增加，1 400～1 500 cm-1出現C—C振動吸收峰，表明材料的碳骨架結構相對較穩定。

圖4 熱處理+不同NH3濃度處理ACF材料FT-IR光譜圖

2.2 SEM表征結果

為了觀察ACF在改性過程中形貌變化對吸附性能的影響，本試驗將不同改性階段的ACF進行了不同放大倍數的掃描電子顯微鏡測試（SEM）。圖5為小放大倍數下的SEM圖，從圖5（a）中可以看出，ACF的表面比較光滑，從圖5（b）、圖5（c）和圖5（d）中可以看出，ACF表面逐漸變得粗糙，并且開始出現開片。

圖5 不同改性處理的ACF在放大倍數為200倍時的SEM圖

如圖6所示，從圖6（a）中可以看出，ACF的表面比較光滑，從圖6（b）、圖6（c）和圖6（d）中可以看出，ACF表面逐漸變得粗糙，其中圖6（d）的粗糙程度顯著增大。圖6（c）和圖6（d）可以明顯看出刻蝕現象，而且熱處理后浸泡氨水的刻蝕現象更加明顯。測量發現圖6（d）的半徑比圖6（a）大，可能是由于刻蝕不僅發生在表面，還發生在ACF纖維的內部，從而使得ACF纖維更加蓬松。通過圖6（c）和圖6（d）對比發現，圖6（d）的刻蝕現象更加明顯，可能是由于加熱過程中破壞了ACF纖維之間的結構，導致ACF纖維之間不再緊密連接，從而使得有更大的面積暴露出來被氨水刻蝕。

圖6 ACF在5 000倍的SEM圖

2.3 改性ACF對SO2的吸附性能測試

由表2和圖7可知，在對ACF材料進行復合改性后，其對SO2的吸附性能均得以提升，并且隨著NH3濃度的提高，吸附能力呈現出先增大后降低的趨勢。NH3浸泡+熱處理復合改性后，在8%的濃度處達到了最高，相對原片提升了26.37%，但是隨著NH3濃度的升高，可以看到提升率在下降，甚至在10%時效果比原片還差，其中6% NH3+200℃熱處理復合改性后的ACF-SO2吸附量最大，達到了6.492 2 mg/g，相對于未改性的ACF原片提升了41.07%的吸附量。熱處理+NH3浸泡復合改性效果同比來說最為顯著，200℃+6%NH3復合改性后，ACF-SO2吸附量達到了7.620 mg/g，吸附效果相對未改性原片提升了65.57%。

表2 不同改性后ACF-SO2吸附量

圖7 不同情況復合改性后ACF-SO2吸附量圖

根據紅外表征及SEM測試分析結果可以推測，經過復合改性后，NH3對ACF的表面產生刻蝕，使ACF的比表面積增大，且能增加ACF表面羥基、羰基、酮基、醛基等有助于吸收SO2的官能團；同時熱處理也能使ACF的表面產生刻蝕，使ACF的比表面積增大，表面增加羥基、羰基、酮基、醛基等有助于吸收SO2的官能團。

3 結語

本研究以聚丙烯腈基-活性炭纖維為前軀體，探究了單一條件和復合改性對其吸附能力的影響。通過綠色化的浸泡試劑+熱處理改性方法提高了活性炭纖維材料的粗糙度、表面能吸附SO2的活性官能團數，更好地吸附SO2等有毒有害氣體。結果表明，復合改性的方法比單一改性效果更好，并且隨著NH3濃度的提高，吸附能力呈現出先增大后降低的趨勢。其中200℃+6% NH3復合改性效果最優，ACF-SO2吸附量達到了7.620 mg/g，吸附效果相對未改性ACF提升了65.57%。該改性方法操作簡單，改性條件溫和、環保，改性材料成本低、收率高，產品可以更好地改善人們的生活，滿足公眾的需求。