一種廢氣處理用的改性吸附劑制備及性能研究

中圖分類號：TQ424 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）10-0039-04

Preparation performance study a modified adsorbent for waste gas treatment

ZHOU Fanrong XU Xiaoyu

Abstract：Aiming at the problems low treatment eficiency，high energy consumption complex equipment in traditional waste gas treatment，a VOCs waste gas adsorbent was proposed its adsorption efect was analyzed. The results showed that when the amount multi-walled carbon nanotubes was 60 % ，the equilibrium adsorption capacity the adsorbent to VOCs molecules reached 47 mg/g under the conditions adsorption temperature 30Y （204號 gas flowrate 8O mL/min，showing good adsorption efect.After repeated experiments，the equilibrium adsorption capacity theadsorbent for VOCs molecules decreased，but the downward trend was small，showing good repeated regeneration performance.It is concluded that the adsorption VOCs molecules by the adsorbent is more in line with the quasi-second-order model， the adsorption process is physical adsorption.

Key words： adsorbent;waste gas treatment;adsorption efect;adsorptionconditions;equilibrium adsorption capacity

隨著全民環保意識的增強，廢氣處理刻不容緩。但目前廢氣處理的方法存在處理效率低、能耗高等問題，從而影響廢氣處理的效果。為了提升廢氣處理效率，郭瑩瑩以柱狀活性炭作為吸附材料，對廢氣中的苯和甲苯進行處理，結果表明經過改性后的活性炭在適宜的條件下能有效對廢氣進行處理；劉祖信等2全面綜述了VOCs在多孔材料吸附劑表面的物理吸附、化學吸附和競爭吸附過程的特點，并詳細對比了目前常用的幾種多孔吸附材料的過程、作用機理以及VOCs吸附劑的改性方法；齊俊紅等制備了一種 TiO₂/ 石墨烯基復合材料用于光催化降解VOCs，并通過試驗證明了 TiO₂/rGO 復合材料在光催化活性方面擁有高效穩定性，且這為大氣中的VOCs污染問題提供了新思路；閆德林等綜述了活性炭的制備、改性、再生以及分子動力學分析，總結了活性炭吸附VOCs的機制及吸附能力的影響因素，并證明了活性炭吸附VOCs是一種經濟有效控制VOCs的方法。

以上研究為VOCs的處理提供了參考，但VOCs的處理效果有待進一步提高。基于此，本試驗以多碳納米管和二氧化硅為主要材料，制備了一種新型吸附劑用于廢氣處理，并對處理效果進行分析。

1試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：濃硫酸（AR，南平市誠瑞化工有限公司）；濃硝酸（AR，安徽華爾泰化工股份有限公司）；多壁碳納米管（AR，上海外電國際貿易有限公司）；硅溶膠（AR，石家莊惠和永晟納米科技有限公司）。

主要設備：LD-CP900型超聲分散機（山東萊恩德智能科技有限公司）；DZF-6070型真空烘箱（南京蘇恩瑞干燥設備有限公司）；HH-2型恒溫水浴箱（滄州翰銘儀器設備有限公司）；N2000GC型數據工作站（上海納析儀器有限公司）；GC9790IIMC-02型氣相色譜儀（北京鎂瑞臣科技有限公司）；NOLAY10型傅里葉紅外光譜（天津諾雷信達科技有限公司）。

1.2 吸附劑的制備

（1）將濃硫酸和濃硝酸按照體積比 3：1 混合，然后放人1g多壁碳納米管，在超聲分散機的作用下處理 120min 將處理后多壁碳納米管離心濾除后，用去離子水充分洗滌，然后置于真空烘箱內 90^qC 烘干 3h 得到經過預處理的多壁碳納米管；

（2）將一定質量的預處理多壁碳納米管放入硅溶膠中，在超聲波的作用下混合均勻，超聲時間為 30min 。超聲結束后置于真空烘箱內 120^qC 干燥5h，研磨后得到吸附劑。

1.3性能測試

1.3.1 吸附劑平衡吸附容量

以氮氣為氣體源頭通過結閥分流，一路氮氣與模擬VOCs匯合，一路氮氣經過恒溫水浴箱帶出水蒸氣。通過氣體流量計實時調整氣路中的氮氣流量；通過恒溫水浴箱為工作溫度調整水蒸氣含量。實驗在固定床反應器上進行，在反應器末端使用氣相色譜儀對VOCs含量進行測定，然后通過N2000GC數據工作站計算并反饋實驗數據。

1.3.2 紅外光譜

通過傅里葉紅外光譜對吸附劑官能團變化進行表征。

2 結果與分析

2.1 吸附劑配比優化

多壁碳納米管用量對吸附劑平衡吸附容量的影響如圖1所示。

圖1多壁碳納米管用量對吸附劑平衡吸附容量的影響

由圖1可知，隨多壁碳納米管用量的增加，吸附劑平衡吸附容量表現出先增加后降低的變化趨勢。這是因為多壁碳納米管用量越多，提供了更多吸附位點和納米級孔道結構，對于有機廢氣的吸附提供了有利的條件。但多壁碳納米管用量過多時，可能會堵塞空隙和增加擴散阻力，導致吸附劑對有機廢氣的吸附產生不良影響[5。當多壁碳納米管用量為60% 時，吸附劑平衡吸附容量最高，因此選擇適合的多壁碳納米管用量為 60% 。

2.2 紅外光譜表征

通過紅外光譜對二氧化硅-多壁碳納米管官能團進行表征，結果如圖2所示。

Fig.1The effect theamount multiwalledcarbon nanotubeson the equilibriumadsorptioncapacity adsorbents

圖2紅外光譜圖Fig.2Infrared spectrum

由圖2可知，二氧化硅-多壁碳納米管吸附劑在1640cm^-1 處出現明顯的OH基團特征峰，表明制備的吸附劑具備較強的疏水性。在 2100cm^-1 處并未觀察到屬于Si一H鍵的振動峰，表明硅氧烷的Si一H鍵與多孔碳納米管表面酸性基團發生反應，成功制備出二氧化硅-多壁碳納米管吸附劑[7-8]。

2.3 吸附條件優化

2.3.1 吸附時間優化

吸附時間對吸附劑吸附VOCs的影響見圖3。

由圖3可知，隨吸附時間的增加，吸附劑對VOCs的吸附表現出先增加后趨于平衡的變化趨勢。當吸附時間為 60min 時，吸附劑對VOCs的吸附達到平衡。因此，選擇適合的吸附時間為 60min 。

2.3.2 吸附溫度優化

吸附時間對吸附劑吸附VOCs的影響如圖4所示。

由圖4可知，隨溫度的增加，吸附劑對VOCs的吸附表現出先增加后降低的變化趨勢。這是因為隨吸附溫度的增加，VOCs的分子動能也明顯增加，因此吸附劑的平衡吸附量也有所增加。而溫度的增加也會導致吸附劑表面的范德華力等物理吸附力明顯下降，減弱了吸附劑的吸附能力，因此吸附劑對VOCs的平衡吸附量明顯下降[9-10]。當吸附溫度為 30^c 時，吸附劑對VOCs的平衡吸附量達到最高，因此選擇適合的吸附溫度為 30% 。

2.3.3 氣體流速優化

氣體流速對吸附劑吸附V0Cs的影響如圖5所示

由圖5可知，隨氣體流速的增加，吸附劑對VOCs的平衡吸附量表現出先增加后降低的變化趨勢。這是因為氣體流速過低時，氣體與吸附劑的接觸不充分，使吸附劑對VOCs的處理效率下降，平衡吸附量也隨之下降[-\"2]。但氣體流速過高時，VOCs分子未充分擴散至孔道內部即被氣流帶出，吸附劑吸附容量明顯下降。當氣流流速為 80mL/min 時，吸附劑對VOCs的平衡吸附量達到最高，因此選擇適合的氣體流速為 80mL/min

綜上，在吸附時間為 60min ，吸附溫度為 30^qC 氣體流速為 80mL/min 的條件下，吸附劑對VOCs分子的平衡吸附量達到 47mg/g ，表現出良好的吸附效果。

2.3.4水蒸氣濃度的影響

圖7吸附劑重復再生性能分析Fig.7Analysis repeated regenerationperformanceadsorbent

水蒸氣濃度對吸附劑吸附V0Cs的影響如圖6所示。

圖6 水蒸氣濃度對吸附劑吸附VOCs的影響 Fig.6The effect water vapor concentration on the adsorptionVOCsbyadsorbents

由圖6可知，隨體系內水蒸氣濃度的增加，吸附劑對VOCs的平衡吸附量直線下降。說明體系內存在水蒸氣會對吸附劑吸附VOCs產生不良影響。這是因為水分子優先占據吸附劑表面的羥基、羧基等極性位點，阻礙VOCs分子（尤其是極性VOCs）的吸附，使得吸附劑吸附容量明顯下降[13-14]

2.4吸附劑再生性能分析

對制備的吸附劑進行重復再生試驗，結果如圖7所示。

由圖7可知，隨重復次數的增加，吸附劑平衡吸附容量也開始下降。這可能是因為吸附劑的再生不徹底，孔隙內吸附水分子與VOCs競爭活性位點，影響吸附劑的平衡吸附量。同時，工業廢氣中還存在一些鹽分，這些鹽分會在孔道結晶，阻礙了傳質路徑，影響了吸附劑對VOCs的吸附，使吸附劑平衡吸附容量下降。但經過多次重復再生試驗后，吸附劑平衡吸附容量下降趨勢較小，整體表現出良好的重復再生性能。

2.5 吸附動力學分析

進一步對吸附劑吸附VOCs分子的吸附動力學進行擬合分析，結果如表1所示。

表1吸附動力學擬合參數

Tab.1 Adsorption kinetics fittingparameters

由表1可知，3個溫度下擬合得到的吸附速率常數分別為 0.017，0.019，0.022min^-1 表明在 30^cC 時，吸附速率最快。同時，從表1中觀察到，準二階方程所擬合的相關系數較高，表明吸附劑對VOCs分子的吸附更符合準二級模型，說明吸附劑對V0Cs分子的吸附主要為物理吸附過程[15]。

3結語

綜上，本實驗制備的吸附劑對VOCs分子表現出良好的吸附性能，可以對廢氣進行處理。現將具體結論總結如下：

（1）多壁碳納米管用量對吸附劑吸附位點和納米級孔道結構起決定性作用，進而決定了吸附劑對有機廢氣的吸附效果；（2）吸附劑紅外光譜圖中不存在屬于Si一H鍵的振動峰，表明成功制備出二氧化硅-多壁碳納米管吸附劑；（3）在最佳吸附條件下，吸附劑對VOCs分子的平衡吸附量達到 47mg/g ，表現出良好的吸附效果；（4）經過多次重復再生后，吸附劑對VOCs的平衡吸附量有所下降，但下降趨勢較小，表現出良好的重復再生性能；（5）吸附劑吸附V0Cs分子的過程更符合準二級模型，吸附劑對VOCs分子的吸附主要為物理吸附過程。

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