改性活性炭的制備方法及其吸附解析效果

趙 媛

（晉控煤業(yè)金鼎活性炭山西有限公司，山西 大同 037034）

引言

結(jié)合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，社會各界逐漸關(guān)注空氣質(zhì)量，在進(jìn)行空氣中有害物質(zhì)的采集、檢測和分析時，會因采集吸附管中填裝材料的吸附效果，直接影響對空氣質(zhì)量的判斷。結(jié)合普通活性炭無法實現(xiàn)對大氣中TVOC 進(jìn)行全面富集的缺陷，通過活性炭改性則可以在改變表面結(jié)構(gòu)下，提高對揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)的吸附解析效果，因此有必要進(jìn)行活性炭的改性研究，在將新型改性活性炭裝填于不銹鋼管中后，實現(xiàn)對空氣中典型氣態(tài)有機(jī)污染物的采集。

1 改性活性炭制備實驗

1.1 試劑及儀器

TVOC 標(biāo)準(zhǔn)溶液，800 μg/mL；硫酸銅，純度99.0%；高錳酸鉀，純度99.5%。

氣相色譜儀，SP-3420A；全自動熱解析儀，Auto TD A；電子分析天平，AL204；超聲波清洗器，KQ-500DE[1]。

1.2 改性活性炭樣品的制備

首先，需要對活性炭進(jìn)行預(yù)處理。一般需要先用蒸餾水進(jìn)行沖洗，在沖洗3 遍后放入105 ℃的烘箱中進(jìn)行一次加熱處理。在烘干至恒重后冷卻取出，放于容器中密封保存。

其次，在進(jìn)行改性活性炭制備中，要在250 mL 的錐形瓶中加入活性炭樣品，然后加入提前制備的硫酸銅溶液（150 mL）或者高錳酸鉀溶液（150 mL），然后堵住瓶口，置于超聲中振蕩并靜置。在用蒸餾水洗凈并經(jīng)過高溫煅燒和冷卻后，完成改性活性炭的制備。

1.3 實驗方法

將不銹鋼管的直徑和有效長度設(shè)計為6.36 mm、89 mm，將改性活性炭填充在其中，同時兩端借助玻璃棉和不銹鋼絲網(wǎng)堵住活性炭。在將液體樣品倒入裝有改性活性炭的不銹鋼管中后，進(jìn)行二次熱解析，最后借助氣相色譜儀進(jìn)行分析。

1.4 儀器工作條件

首先，在熱解析條件中：一級解析時間、溫度和冷肼加熱時間分別為5 min、280 ℃和5 min；二級解析時間、溫度和脫附流量分別為5min、300℃和40mL/min。

其次，在色譜條件中載氣為氮?dú)?，同時在升溫程序中：初始柱箱溫度、柱溫保持時間、升溫速率、柱箱終溫和終溫保持時間分別為50 ℃、10 min、5 ℃/min、250 ℃、2 min。

2 吸附解析效果討論

2.1 浸漬液對活性炭吸附解析效果的影響

為研究浸漬液對活性炭吸附的影響，需要進(jìn)行以下步驟：首先，需要在浸漬液質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、浸漬時間48 h、超聲頻率40%的條件下，將活性炭放于高錳酸鉀、硫酸銅溶液中進(jìn)行改性處理；其次，完成改性后將活性炭放入不銹鋼管中并加入揮發(fā)性有機(jī)物；最后，在活性炭進(jìn)行二次熱解析后，通過氣象色譜儀對各鋼管內(nèi)的有機(jī)物進(jìn)行峰面積測定，進(jìn)而了解有機(jī)物的濃度。實驗數(shù)據(jù)可以參考圖1，橫坐標(biāo)所有物質(zhì)均屬于揮發(fā)性有機(jī)物，下同[2]。

圖1 不同浸漬液改性活性炭的吸附解析效果

結(jié)合圖1 所示，在高錳酸鉀、硫酸銅對活性炭進(jìn)行改性后，可以大幅度提高對揮發(fā)性有機(jī)物的吸附解析，其中，高沸點(diǎn)有機(jī)物被吸附解析的效果最好。具體而言，通過硫酸銅改性下的活性炭，有著較強(qiáng)的吸附解析效果，明顯優(yōu)于未改性活性炭和高錳酸鉀改性活性炭的吸附解析效果，為此下面的實驗便選擇硫酸銅溶液進(jìn)行活性炭的浸漬，然后對其他影響吸附解析效果的因素進(jìn)行實驗。

2.2 浸漬時間對活性炭吸附解析效果的影響

在該實驗中，非變量為硫酸銅溶液浸漬、超聲頻率為40%、浸漬液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%，變量為浸漬時間，具體為60、48、24、12 h。在完成不同時間的活性炭浸漬改性后，分別裝入4 個不銹鋼管中，在加入揮發(fā)性質(zhì)的有效物后，進(jìn)行二次熱解析，最后通過氣象色譜儀對有機(jī)物的峰面積進(jìn)行測定，然后借此表征有機(jī)物濃度。實驗數(shù)據(jù)可以參考圖2[3]。

圖2 不同浸漬時間改性活性炭的吸附解析效果

結(jié)合圖2 所示，在僅控制時間變量下，隨著活性炭在硫酸銅溶液中浸漬時間越長，對揮發(fā)性有機(jī)物的吸附解析效果越高。其原理在于浸漬時間的延長，提高了活性碳的改性效果，進(jìn)而有著更好的吸附解析能力。不過在浸漬時間超過24 h 后，對有機(jī)物的吸附解析效果便增長緩慢，因此綜合活性炭的制備成本和需求，一般會將浸漬液控制在24 h。結(jié)合浸漬時間越長改性活性炭吸附效果越強(qiáng)的特點(diǎn)，下面將以浸漬48 h為非變量進(jìn)行實驗。

2.3 浸漬濃度對活性炭吸附解析效果的影響

在該實驗中，非變量為超聲頻率40%、浸漬時間48 h、硫酸銅溶液浸漬，變量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別為2.0%、1.5%、1.0%、0.5%不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下進(jìn)行改性處理。具體會將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的浸漬液置于不銹鋼管中，在加入揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)后，進(jìn)行二次熱解析處理，最后通過氣相色譜分析儀進(jìn)行有機(jī)物峰面積的測定，進(jìn)而表征有機(jī)物濃度[4-5]。具體試驗數(shù)據(jù)可以參考圖3。

結(jié)合圖3 所示，在變量僅為浸漬液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，浸漬液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.5%時，改性活性炭有著較好的吸附解析效果，隨著浸漬液濃度的逐漸降低，改性活性炭的吸附效果也逐漸降低。根本原因在于浸漬液濃度過低無法對活性炭進(jìn)行活化，進(jìn)而吸附解析效果不高，結(jié)合2.0%浸漬液濃度的解析效果而言，過高的濃度會堵塞活性炭的部分孔道，進(jìn)而降低吸附解析效果。

圖3 不同浸漬液濃度改性活性炭的吸附解析效果

2.4 活性炭樣品表面形貌

為了更清晰地了解改性活性炭前后的表面形貌，需要借助掃描電子顯微鏡進(jìn)行活性炭表面形貌表征，具體的掃描電鏡測試參數(shù)條件設(shè)置可以參考表1。經(jīng)過測試，可以發(fā)現(xiàn)改性前活性炭的孔結(jié)構(gòu)不明顯，且孔道中存在一些雜質(zhì)，而在進(jìn)過硫酸銅溶液改性后，孔道結(jié)構(gòu)明顯區(qū)別于改性前，有著孔道更疏松、更明顯和比表面積更大的特點(diǎn)。在原理上可以理解成在硫酸銅溶液的浸漬下，通過高溫煅燒可以出現(xiàn)非催化的氣化反應(yīng)，進(jìn)而使改性活性炭出現(xiàn)微孔結(jié)構(gòu)，提高了比表面積和孔道數(shù)量。

表1 掃描電鏡測試各參數(shù)條件設(shè)置

3 結(jié)語

綜上所述，通過以上實驗可以將活性炭的改性條件進(jìn)行確定，分別為浸漬液質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、超聲頻率40%、使用硫酸銅浸漬液等方面，在提高改性活性炭的吸附效果后，幫助相關(guān)單位更好地完成空氣有害物質(zhì)的檢測工作。本文還借助掃描電子顯微鏡進(jìn)行了活性炭改性前后的表面形貌觀察，通過測試改性后的活性炭有著更高的比表面積，同時孔道更加疏松，可以解釋改性活性炭所具有的高吸附解析能力，可以促進(jìn)空氣質(zhì)量檢測工作的進(jìn)步和發(fā)展。