CO2和水蒸氣活化椰殼炭表征與亞甲基藍吸附性能研究

摘要：為提升椰殼炭在環境污染治理領域的吸附性能和使用壽命，采用CO2和水蒸氣2種物理活化方法對椰殼炭的孔隙結構進行調控，制備出高飽和吸附量和高碘值的炭材料。表征分析表明，CO2和水蒸氣活化后的炭材料比表面積分別提升為原來的48.58%和29.58%，微孔結構更為發達。CO2和水蒸氣活化后的炭材料對亞甲基藍的飽和吸附量提升為原樣的2.38和2.21倍。CO2活化炭、水蒸氣活化炭的碘值分別為1189mg/g、1197 mg/g。

關鍵詞：物理活化；水蒸氣；CO2；吸附；碘值

引言

活性炭在環境污染治理中有著極為廣泛的應用[1]?；钚蕴渴峭ǔＳ商烊簧镔|或石油焦等碳質原料在高溫下制成，具有高比表面積和內部孔道結構，表面有含氧、氮官能團，因此具有出色的吸附能力[2][3]。然而，吸附不僅取決于比表面積和孔道結構等物理性質，也和表面官能團密切相關[3]。通常通過活化改善活性炭的吸附性能、增加其比表面積、優化孔結構，以使其更適用于特定的應用。通過改善后可以增加活性炭的孔隙數量和表面積，從而提高其吸附能力。對水處理、空氣凈化及去除有機物質等的應用非常重要。

CO2和水蒸氣活化是在原材料的基礎上進行簡單的物理改性，無需投入過多成本且不會引入新的污染物，是一種經濟且有效的技術革新[4][5]。物理改性后的活性炭飽和容量、吸附速率和使用壽命都得以提升。由于物理改性是增加炭的微孔比表面積和孔徑最直接有效提升吸附能力的方法，而化學改性需要大量的藥劑，改性過程中還會造成孔隙堵塞和結構坍塌等問題，因此本研究一方面通過物理活化法，制備出飽和吸附量更大、吸附速率更快且使用壽命更長的活性炭；另一方面通過改性活性炭通過孔結構調控的方式，提高其吸附性能。

為提升椰殼炭在環境污染治理領域的吸附性能和使用壽命，本文采用CO2和水蒸氣2種物理活化方法對椰殼炭的孔隙結構進行調控，制備出高飽和吸附量及高碘值的炭材料。同時，通過亞甲基藍吸附實驗，對活化后的炭吸附特性進行評價，為物理活化在活性炭制備過程中的提質應用提供理論依據和數據支持。

1試驗部分

1.1試驗試劑

椰殼炭，型號80～200目，平頂山市綠之原活性炭有限公司；FeCl3·6H2O，分析純，南京化學試劑股份有限公司；亞甲基藍，分析純，南京化學試劑股份有限公司；N2，分析純，青島德海偉業科技有限公司；CO2，分析純，青島德海偉業科技有限公司。

1.2試驗儀器

椰殼碳經電熱恒溫鼓風干燥箱干燥后，在立式真空管式爐內進行活化?；钚蕴勘碚魇褂玫臋z測裝置為捷克泰思肯公司的掃描電子顯微鏡（TESCAN MIRA LMS）、美國麥克默瑞提克公司的全自動比表面積及孔隙度分析儀（Micromeritics ASAP 2460）、上海鉑溫儀器有限公司的紫外可見分光光度計（755）。

1.3活性炭的制備

1.3.1水蒸氣活化活性炭的制備

以水蒸氣為活化原料，將洗凈烘干的椰殼炭置于管式爐中，通N2后加熱至800℃后關閉閥門，通入足量水蒸氣，活化一段時間后關閉水蒸氣閥門，通入N2保護直至溫度降至室溫。制得的活性炭干燥備用。

1.3.2 CO2活化活性炭的制備

以FeCl3·6H2O為活化劑，控制鐵炭物質的量比為1∶1，原料炭在活化劑溶液中浸漬24h，過濾烘干，在CO2環境下在管式爐中加熱至600℃活化溫度后活化5h?；罨箨P閉CO2閥門，通入N2保護直至溫度降至室溫。制得的活化炭沖洗殘留的FeCl3，干燥備用。

1.4吸附性能評價

吸碘值測試用來檢驗活性炭對小分子污染物的吸附特性，進而給出10nm孔徑的發達程度[6]；亞甲基藍吸附實驗常用于評估活性炭液相脫能力。

2活化椰殼碳表征

2.1形貌分析

如圖1所示的原樣及水蒸氣活化炭和CO2活化炭的掃描電鏡圖，原樣活性炭呈管狀結構，管壁光滑且孔結構較少?；罨男院蟮幕钚蕴抗鼙诳紫睹黠@增多，且生長出網狀結構的孔隙，新生孔隙增大了材料的比表面積，有利于快速吸附。對比水蒸氣活化炭和CO2活化炭電鏡圖片可以看出，經水蒸氣活化后，炭的表面出現大量大小不一的橢圓形孔隙，總體上呈規則蜂窩海綿狀形貌[7]。CO2活化使的材料的微孔顯著增多，這是由于酸性的CO2對炭管壁刻蝕造成的[8]。CO2活化炭的微孔直徑約為1.5μm，微孔增多直接造成了比表面積的增大，這與BET的分析結果一致。發達的孔隙結構、大的比表面積都有助于提升炭的吸附容量和吸附效率。

2.2比表面積和孔徑分析

樣品的比表面積、微孔孔容及孔徑分布結果如表1和圖2所示。通過表1和圖2b可以看出，經過水蒸氣和CO2活化后得到的改性炭比表面積和平均孔體積明顯增大，改性前后平均孔徑變化不大但平均介孔孔徑減小，該現象是由于活化后活性炭表面孔壁被刻蝕形成了更多的微孔和介孔結構[9]。如圖2a所示，吸附等溫線符合 Ⅰ 型，水蒸氣和CO2活化后得到的改性炭吸附等溫線均高于原樣，對N2的吸附量明顯增多。在相對壓力較低時，吸附作用主要來自微孔[10]。當相對壓力逐漸升高，起吸附作用的主要是較大的微孔結構。同時，當相對壓力增加到一定程度時，樣品出現了明顯的滯后回環，說明樣品中具有介孔或大孔[11]。

3活化椰殼碳吸附性能分析

以亞甲基藍為目標污染物，向25mL濃度為100mg/L的亞甲基藍溶液中分別投加25mg的原樣和CO2活化炭、水蒸氣活化炭，室溫下磁力攪拌30min后，如圖3所示的3種炭的吸附效果對比，亞甲基藍的去除效率為58.32%和99.89%、99.37%，表明改性炭的吸附速率大大提升。

從表2得知，原樣和CO2活化炭、水蒸氣活化炭對亞甲基藍的飽和吸附量為173.31mg/g和412.68mg/g、384.41mg/g。通過對比可知，2種活化方式大大提升了活性炭的吸附能力，這與炭材料的比表面積、孔隙結構及活性位點密切相關。

碘吸附值是反映活性炭吸附性能的最常用指標之一，不僅能衡量活性炭吸附小分子物質的能力，也可在一定程度上反映活性炭材料的微孔發達程度與比表面積大小[12]。碘吸附值和比表面積之間具有良好的線性關系，且碘吸附值大小取決于尺寸在0.8～1.2 nm之間孔隙的發達程度[13]。椰殼活性炭的碘值有高有低，區間在750～1150mg/g之間，用于飲用水凈化碘值通常在750～950mg/g，用于工業污水凈化碘值通常在750～1000mg/g，用于冶金行業凈化碘值通常為1000～1150mg/g?；罨昂笊锾繕悠返庵等绫?所示，CO2活化炭和水蒸氣活化炭的碘值為1189mg/g和1197mg/g，較原樣有明顯提升。通常來講，炭材料碘值越大飽和吸附量越大，對污染物的吸附越穩定。

結論

相比于未改性的椰殼炭，CO2活化炭、水蒸氣活化炭的比表面積得以顯著提升，孔隙結構更為發達。其中，CO2活化炭的微孔結構更為發達。

經物理活化后的炭飽和吸附量的吸附速率和碘值都有顯著提升，原樣和CO2活化炭、水蒸氣活化炭對亞甲基藍的飽和吸附量為173.31mg/g和412.68mg/g、384.41mg/g，與碳材料的比表面積、孔隙結構及活性位點密切相關。

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作者簡介

孫偉（1982—），男，漢族，山東臨沂人，工程師，大學本科，研究方向為環境工程。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-04-12