煤基活性炭的制備及其對揮發性有害氣體吸附性能研究

趙 晶

(大同煤業金鼎活性炭有限公司，山西 大同 037000)

引 言

某些揮發性有機化合物(VOCs)對人體健康和環境危害巨大，它們會造成光化學煙霧和一系列有毒副產物的形成，從而導致臭氧層的破壞和全球變暖。近年來，我國法律法規已經明確限制了VOCs的排放，VOCs減排引起了越來越多的關注[1]。吸附是最廣泛使用的VOC減排技術之一，在眾多吸附材料中，多功能活性炭因其具有高表面積、多級孔結構和良好的化學性質穩定性成為了去除揮發性有機化合物非常有效的吸附劑[2]。目前，被用作活性炭前體的主要為煤炭，本文報道了以褐煤為原料采用兩種不同的化學活化法來制備高比表面積活性炭，研究了兩種活性炭的孔形態和比表面積，檢測了兩種方法制備的活性炭對甲苯的吸附性能，為拓寬煤炭在深加工領域的應用提供理論基礎[3-5]。

1 實驗部分

1.1 褐煤組分分析

將褐煤原料進行粉碎，使用40目(425 μm)分子篩篩選出顆粒尺寸40目以下的原煤粉末，得到粒徑比較小的原料煤，便于元素分析測試，測試結果如表1所示。

表1 褐煤的元素分析

1.2 活性炭的制備

本文通過磷酸和氯化鋅兩種化學活化法制備出兩種高比表面積活性炭：氯化鋅-活性炭和磷酸-活性炭。

磷酸-活性炭：將預處理的褐煤粉末浸入20 mL的80%H3PO4溶液中12 h，隨后，將固體過濾出來在120 ℃的烘箱中干燥12 h。將干燥好的樣品放入管式爐于高純氮氣保護下，以10 ℃/min的加熱速率升溫到400 ℃，加熱1 h。 反應結束后降溫到室溫，將活化的樣品用蒸餾水反復洗滌，直至達到水溶液pH顯中性。固體在120 ℃的烘箱中干燥12 h，得到了磷酸-活性炭。

氯化鋅-活性炭：與上述方法類似，將預處理的褐煤粉末浸入20 mL 60% ZnCl2溶液中12 h，隨后，將固體過濾出來在120 ℃的烘箱中干燥12 h。將干燥好的樣品放入管式爐于高純氮氣保護下，以10 ℃/min的加熱速率升溫到600 ℃，加熱1 h。反應結束后降溫至室溫，將活化的樣品浸入50 mL的2 mol/L的鹽酸中5 h，隨后，樣品用蒸餾水反復洗滌，直至達到水溶液pH顯中性，固體在120 ℃的烘箱中干燥12 h，得到了氯化鋅-活性炭。

1.3 磷酸-活性炭和氯化鋅-活性炭苯酚吸附測試

磷酸-活性炭和氯化鋅-活性炭的甲苯動態吸附測試在氣體可以連續流動的反應器中進行。首先，取300 mg粉末于180 ℃真空下處理12 h，然后，轉移到內徑5 mm的U形玻璃管式反應器中(堆積長度約8 cm)，將其置于25 ℃的恒溫水浴中，將甲苯蒸氣(質量分數1 000×10-6)以100 mL/min和150 mL/min的速度通過反應器。為了評估在潮濕條件下(相對濕度為80%)的動態吸附性能，使用微注射泵將液態水注入預熱的空氣流中來產生水蒸氣。

2 結果與討論

2.1 孔結構表征

圖1顯示了活性炭的氮吸附-解吸曲線，從圖1看出，氯化鋅-活性炭樣品的吸附等溫線遵循I型等溫線的趨勢，在較低的相對壓力下吸收大量的氮，表明它具有大量的微孔。磷酸-活性炭在0.35～0.95的相對壓力下表現出額外的磁滯回線，表明其具有大量的介孔。表2展示了2個樣品的孔結構參數，發現，磷酸-活性炭具有比氯化鋅-活性炭高的BET比表面積，這主要是由于介孔的存在造成的。由于活化化學物質的作用是造孔隙的模板，我們分析造成兩種活性炭孔結構不同的原因是磷酸和氯化鋅的不同化學性質，氯化鋅或其水合物的化學性質穩定，容易造成小且尺寸均勻的孔隙，而磷酸在水溶液中能夠形成H4P2O5、H13P11O34等各種不同分子大小的多磷酸分子及其混合物，容易造成多級尺寸的孔隙。

圖1 磷酸-活性炭和氯化鋅-活性炭的氮吸附/解吸等溫線

表2 磷酸-活性炭和氯化鋅-活性炭樣品的孔結構參數

2.2 甲苯吸附實驗

磷酸-活性炭和氯化鋅-活性炭的甲苯動態吸附實驗分別在干燥和潮濕(相對濕度80%，25 ℃)條件下測試。表3列出了干燥和潮濕條件下甲苯的動態吸附速率以及吸附效率，磷酸-活性炭和氯化鋅-活性炭在空氣流量為100 mL/min時吸附容量為320 mg/g和214 mg/g，空氣流量為150 mL/min時吸附容量為327 mg/g和224 mg/g，說明流速對吸附能力沒有顯著影響。在相同速下，磷酸-活性炭比氯化鋅-活性炭具有更高的動態甲苯吸附能力，這可能是由于前者具有較高的比表面積。在潮濕條件下(流速為150 mL/min)，甲苯和水的吸附具有競爭性，氯化鋅-活性炭比磷酸-活性炭具有更高的動態甲苯吸附能力，是因為磷酸-活性炭表面更親水，導致水和甲苯分子之間吸附位點發生競爭，另外，水蒸氣在親水材料介孔中的毛細作用會導致擴散傳質的減少。所以，氯化鋅-活性炭適用于潮濕條件下甲苯吸附，磷酸-活性炭適用于干燥條件下甲苯吸附。

表3 磷酸-活性炭和氯化鋅-活性炭在干燥和潮濕條件下對甲苯的動態吸附能力測試結果

3 結語

本研究以褐煤為原料，通過磷酸和氯化鋅兩種化學活化法制備出兩種高比表面積活性炭。對其吸附空氣中揮發性有害氣體甲苯能力進行測試，證明兩種活性炭都具有很好的甲苯吸附能力，氯化鋅-活性炭適用于潮濕條件下甲苯吸附，磷酸-活性炭適用于干燥條件下甲苯吸附。這兩種活性炭分別適合不同的空氣狀態，具有很好的應用前景，為褐煤的深加工利用提供了一定的實驗基礎。