硅谷杂志：活性炭表面特性对去除苯性能的影响 |
| 2012-12-04 11:04 作者：杨骆烽 郝翔 文静 来源：硅谷网 关注： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网12月4日文】据《硅谷》杂志2012年第18期刊文，以6种性质不同的活性炭为对象，研究其表面特性对苯去除能力的影响。该实验以含苯空气为研究对象，在固定床U形反应器中进行吸附苯的实验。通过比表面积、孔径分布和表面官能团等表面特性分析，研究活性炭特性对去除苯性能的影响。实验结果表明：对不同材质活性炭，微孔结构发达有利于苯的去除，酚羟基有利于活性炭的吸附行为。对于3种椰壳活性炭，比表面积越大苯的去除效果越好，大孔对苯的去除性能没有影响。
0序言
石油化工和有机物合成中会产生大量的VOCs，苯是其中最常见的一种【1】。苯对人体健康具有重要的影响。人吸入或者皮肤接触大量苯之后，会引起急性或慢性苯中毒【2】。苯对神经系统、造血系统、皮肤和粘膜都会造成不同程度的危害，苯还在DNA的损伤、细胞凋亡的诱导等方面产生影响。苯已经被世界卫生组织确认为强致癌物。因此，去除工业生产中产生的苯气体具有十分重要的意义【3】。
吸附法是目前处理苯废气最常见的方法。其中对颗粒活性炭的研究又最为常见。因为活性炭具有廉价，比表面积大，微孔结构丰富，吸附容量大，可回收利用等优点。在活性炭的吸附过程中，活性炭表面官能团对活性炭的表面反应、表面行为、亲（疏）水性、催化性质，Zeta电势和表面电荷等具有很大影响，继而影响活性炭的吸附效率[4]。不同活性炭具有不同的表面官能团，因此，本实验研究了六种活性炭表面结构以及官能团对其苯吸附能力的影响，为活性炭的工业运用提供理论依据。
1方法和材料
1.1材料
本研究中使用的苯标准气体购于上海创维气体有限公司，使用的6种活性炭：TX-104D，TX-104T，煤质，果壳，竹子，TX-104G全部购于上海唐新活性炭有限公司。表1给出了6种活性炭的比表面积以及堆积密度。
表1活性炭的BET比表面积和堆积密度
样品 比表面积m2/g 堆积密度g/cc
竹子 863 0.2209
果壳 711 0.4358
煤质 895 0.4698
TX-104G 824 0.3954
TX-104T 1192 0.4086
TX-104D 1214 0.4297
1.2活性炭表面官能团测定
活性炭表面官能团用Boehm法测定。精确称取1g活性炭样品3份，分别放入容积为100mL的锥形三角烧瓶中，分别加入浓度为0.05mol/L的NaoH、Na2CO3和NaHCO3标准溶液25mL。搅拌24h后过滤并用蒸馏水充分洗涤，收集所有滤液。以甲基红为终点指示剂，用0.05mol/L的HCI标准溶液滴定。酸性官能团的含量n（mmol/g）按下式计算。
1）NaOH
nNaOH=[cNaOHVNaOH-cHCl（VHCl-△V1-Vb）]/W
2）Na2CO3
nNa2CO3=[2cNa2CO3VNa2CO3-cHCl（VHCl-△V2Vb）]/W
3）NaHCO3
nNaHCO3=[cNaHCO3VNaHCO3-cHCl（VHCl-△V3-Vb）]/W
式中：Vb为蒸馏水空白值（mL）；VHCl为滴定所用的盐酸标准溶液的体积（mL）；ci为下标对应的标准溶液i的浓度（mol/L）；W为试样质量（g）；V为将甲基红的理论指示终点校正到酸碱滴定时理论终点的HCI标准溶液体积修正值。
DV1=（VNaOH+VHCl）（[H+]R-[H+]T1/cHCl
DV2=（2VNa2CO3+VHCl）（[H+]R-[H+]T2/cHCl
DV3=（VNaHCO3+VHCl）（[H+]R-[H+]T3/cHCl
其中，[H+]R=10-5mol/L，为甲基红理论指示终点的质子浓度；[H+]T1、[H+]T2和[H+]T3分别代表HCl滴定NaOH、Na2CO3和NaHCO3时的理论终点的质子浓度。从nNaOH、nNa2CO3和nNaHCO3之间的差额可以计算出羧基、弱酸、酚羟基的比例。
nRCOOH=nNaHCO3
nRCOOCOR=nNa2CO3-nNaHCO3
nArOH=nNaOH-nNa2CO3
表2活性炭表面酸性官能团
AC 羧基（mmol） 弱酸（mmol） 酚羟基（mmol）
TX-104D 0.14 0.22 0.07
TX-104T 0.1 0.27 0.11
煤质 0.13 0.19 0.1
果壳 0.11 0.11 0.25
竹子 0.12 0.21 0.12
TX-104G 0.15 0.24 0.05
1.3实验装置
苯的脱除实验是在一个连续性固定床反应器中进行的（图1）。该实验装置是由一个苯发生装置，气体供给系统，U型石英管反应器，恒温槽和气相色谱仪组成。将0.05cm3活性炭放入U型石英管反应器，反应气体是由空气和苯气体（10ppm）组成，反应前与反应后空气中苯的含量有气相色谱仪侧定。实验中苯的去除率可由下式计算获得：
苯去除率（%）=[（苯反应前―苯反应后）/苯反应前]×100（4）
图1苯的去除性能实验装置
2实验结果与分析
2.1不同材质活性炭的表面结构对苯的去除率的影响
活性炭的比表面积不同，其相应的吸附能力就不同。在一般情况下，吸附剂的比表面积越大，其吸附能力越强。由表1可知，不同材质的4种活性炭的比表面积均在700-900m2/g之间，其4者的比表面积比较结果是煤质>竹子>TX-104G>果壳。利用比表面积相对接近的不同质地4种活性炭评价了苯的去除能力，其结果见图2。
由图2的实验结果可以看出，4者的吸附性能结果是：果壳>煤质>竹子>TX-104G，而若按照比表面积越大，吸附性能越好这个预言来说，这个结果显然不符合，所以其原因可能是不同材质制成的活性炭孔径结构不同等而引起的。因此，我们利用压汞法测出3种椰壳活性炭的孔径分布，见图3。
由图3可以看出，煤质、果壳和椰壳TX-104G活性炭的20nm以下微孔1000-8000nm之间的孔径发达。竹子活性炭与其相比，40-300nm与100-1000nm的大孔发达，这与它特有的结构相关。在这4种不同质地的活性炭中，竹子的大孔结构最发达，其次是椰壳TX-104G；相反，煤质、果壳和椰壳TX-104G的微孔结构发达。以上实验结果可以得出，微孔结构发达的活性炭有利于苯的去除。关于TX-104G活性炭的去除性能较低，有待于研究。
图2四种不同质地活性炭苯去除率比较
图3四种不同质地活性炭苯去除率比较
2.2三种椰壳活性炭的苯去除率与表面结构的关系
为了排除不同材料所带来的影响，利用3种椰壳活性炭来评价苯的去除性能。由表1可知，3种椰壳活性炭的比表面积大小为TX-104T>TX-104D>TX-104G，理论上推断，我们认为TX-104T活性炭苯的去除率最高，TX-104G最低，与实验结果比较相符，其实验结果图4所示。我们利用压汞法测出3种椰壳活性炭的孔径分布（见图5）。从孔径分布可以看出，在1000～10000nm之间椰壳TX-104G孔径分布最发达，其次TX-104T，大孔最不发达的是TX-104D。实验中TX-104D苯去除率最大，TX-104G苯去除率最小。以上实验结果说明，大孔对苯的去除性能没有影响。
图4三种相同质地活性炭苯去除率比较
图5三种椰壳活性炭孔径分布图
2.3表面酸性官能团对活性炭吸附性能的影响
为了进一步研究造成活性炭去除苯性能不同的原因，对6种活性炭的表面酸性官能团进行了分析。活性炭表面官能团用Boehm法测定，其结果见表2。对于具有相同比表面积但材质不同的4种活性炭而言，果壳的苯的吸附性能最好，TX-104G最差，这两种活性炭的官能团的对比中发现其酚羟基的量差别比较大，由此可以推出酚羟基可能会促进活性炭的吸附。
对于相同材质的椰壳活性炭而言，无法判断出三种酸性官能团的影响。对于酚羟基是否是量的影响，有待于进一步做实验来验证。
3结论
本研究主要是以VOCs中的苯为研究目标，通过各种材料（竹子、果壳、煤质、椰壳）制成活性炭的表面结构以及表面官能团方面来分析比较它们在对模拟空气中的苯蒸汽吸附的不同作用以及苯去除率的影响因素。其结论如下：
1）对于不同材质活性炭，微孔结构发达有利于苯的去除。
2）对于3种椰壳活性炭，比表面积越大苯的去除效果越好，从孔径分布可以看出，大孔对苯的去除性能没有影响。
3）对于4种不同材质的活性炭，酚羟基有利于活性炭的吸附行为，对于3种椰壳活性炭，酸性官能团的作用无法判断。
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