紫外光改性活性炭纖維對SO2吸附性能的研究

羅濤朋

（南昌師范學院化學與食品科學學院，江西 南昌 330032）

0 引言

二氧化硫是大氣中主要污染物之一，其在大氣中易轉化形成硫酸霧，腐蝕金屬制品和建筑物，還會導致土壤和江河湖泊酸化，使動植物的生存環境遭到極大破壞，最終破壞生態平衡［1］。因此，采取有效的方法對大氣中的SO2進行治理刻不容緩，這對人類的長遠發展具有重要意義［2］。活性炭纖維是一種較好的可吸附二氧化硫的材料，其具有比表面積大、直徑較細、微孔結構發達的特點［3］。活性炭纖維相對活性炭顆粒而言，具有更好、更快的吸附性能，因此，在SO2的廢氣處理領域得到廣泛的研究與應用［4］。研究表明，通過改性技術可以進一步提升活性炭纖維對SO2的吸附性能。目前應用較為廣泛的試劑有H2O2、KMnO4、KOH、NaOH、HCl、HNO3、H2SO4等強氧化性、強堿或強酸試劑，這些試劑成本較高、易對環境產生污染，不適用于工業生產制造［5］。因此，研究高效、低成本、無二次污染的綠色環保型高效脫硫技術一直是能源工業可持續發展面臨的重要課題。

本研究以ACF 為前驅體，探究了不同強度和時間的紫外光改性處理對ACF-SO2吸附性能的影響。與上述傳統方法相比，此改性條件更為溫和，可以有效地減少有害廢水的排放，更加環保。

1 試驗部分

1.1 材料與試劑

聚丙烯腈基-活性炭纖維（ACF）（北海碳素）；淀粉、碘單質、濃硫酸、無水亞硫酸鈉、氨基磺酸銨、碘酸鉀（均為分析純，西隴科學股份有限公司）。

1.2 儀器與設備

電子天平（型號：MP10001）；分析天平（型號：SQP）；紅外光譜（型號：WQF-510A）；電熱恒溫干燥箱（型號：GZX-910MBE）；掃描電子顯微鏡（型號：TESCAN MIRALMS）；紫外分析儀（型號：ZF-7）。

1.3 SO2及改性ACF的制備

1.3.1 SO2的制備。將30 g Na2SO3放入250 mL平底燒瓶中，用兩孔橡膠塞塞住上端，插入100 mL長頸分液漏斗和直角導管。管道的一端連接水箱以收集尾氣。所有接口用真空潤滑脂密封后再用20 mL濃硫酸填充長頸分液漏斗，并打開長頸分液漏斗活塞。氣體發生5 min 后，將導管連接到氣體收集袋，以收集高濃度SO2。

1.3.2 改性ACF 的制備。ACF 原片前處理：將活性炭纖維原片裁剪成15.5 cm×3.5 cm 約2 g 的長片，并分別放入烘箱中120 ℃烘干2 h 后，用分析天平稱重標記，放入密封袋中，標記為ACF-0，放入干燥器中備用。254 nm 紫外光改性ACF 過程如下：取出5 片前處理好的ACF，用鑷子放入紫外分析儀中，打開254 nm 燈管，分別照射1 h、2 h、3 h、4 h、5 h，標記為ACF-254-1、ACF-254-2、ACF-254-3、ACF-254-4、ACF-254-5，并進行ACF-SO2吸附量測試。365 nm 紫外光改性ACF 過程如下：取出5 片前處理好的ACF，用鑷子放入紫外分析儀中，打開365 nm燈管，分別照射1 h、2 h、3 h、4 h、5 h，標記為ACF-365-1、ACF-365-2、ACF-365-3、ACF-365-4、ACF-365-5，并進行ACF-SO2吸附量測試。

1.4 ACF-SO2吸附量測試

將處理后的ACF 放入如圖1 所示裝置的洗氣瓶內，洗氣瓶兩頭涂好真空脂，并用止水夾夾緊，制造密封效果。再用進樣器從集氣袋中吸取5 mL 高濃度SO2注射進洗氣瓶中靜置48 h。將洗氣瓶進氣口接入裝有單向閥的氣泵，另一端連接裝有50 mL 吸收液的砂芯吸收瓶，然后打開止水夾、氣泵進行吹氣，氣流速度控制在0.5 L/min 左右，吹1 h。砂芯吸收瓶尾氣接入含有甲基橙的水溶液中，用以判斷是否有SO2發生逃逸。

然后將吸收液轉入碘量瓶中，用少量吸收液洗滌吸收瓶兩次并轉入碘量瓶中搖勻，加入50 mL 2 g/L的淀粉溶液，用0.010 mol/L 的碘標準溶液滴定至藍色，記錄消耗量V1（mL）。活性炭纖維吸收SO2含量的計算見式（1）。

式中：K表示活性炭纖維吸附SO2含量，mg/g；C0表示注射的SO2濃度，mg/mL；Vnd表示注射SO2的體積，mL；C（1/2 I2）表示碘標準溶液濃度，mmol/L；V1表示樣品消耗體積，mL；32.0 表示1 mL 1 mol/L 碘標準溶液相當的二氧化硫的質量（mg）；mACF表示活性炭纖維的質量，g。

2 結果與分析

2.1 紅外表征結果

不同時長254 nm紫外光照處理后ACF材料的紅外光譜如圖2所示。由圖2可知，在1 000～1 170 cm-1間出現了碳氧鍵（C—O）單鍵伸縮振動及各種面內彎曲振動峰，表明ACF 在經過254 nm 紫外光照后產生了含氧官能團，并且隨著紫外光處理時間的增加，振動峰越來越明顯。因此，紫外光處理能夠明顯氧化活性炭纖維，增加纖維表面的含氧官能團。在3 400～3 800 cm-1間出現明顯的羥基（—OH）伸縮振動吸收峰；在2 050 cm-1左右出現較窄的伸縮振動吸收峰，可能存在碳碳三鍵（C≡C）或碳氮三鍵（C≡N），表明在經過紫外光照后出現了不飽和鍵。

圖2 不同時長254 nm紫外光照處理后ACF材料紅外光譜

ACF 材料在365 nm 紫外光照不同時長后的紅外光譜如圖3 所示，從圖3 中可以看出，在1 000～1 170 cm-1間出現了碳氧單鍵（C—O）伸縮振動及各種面內彎曲振動峰，說明ACF 在經過254 nm 紫外光照后產生了含氧官能團；在1 645～1 500 cm-1間出現碳碳雙鍵（C=C）吸收峰，表明ACF 材料改性后碳碳雙鍵未遭到破壞。與未處理的ACF 不同的是，改性后的ACF 在2 100～1 950 cm-1間出現明顯的碳碳三鍵（C≡C）伸縮振動吸收峰，因此，ACF經改性后增加了不飽和鍵。在3 900～3 600 cm-1之間都出現了明顯的碳氧單鍵（C—O）伸縮振動吸收峰。2 000 cm-1左右出現吸收峰，表明還可能存在碳氮三鍵（C≡N）。含氧、含氮官能團及不飽和鍵等是有利于ACF 吸附SO2的官能團。

圖3 不同時長365 nm紫外光照處理后ACF材料紅外光譜

2.2 SEM表征結果

5000x下不同處理方式ACF的SEM如圖4所示。從圖4 中可以看出，經過紫外光照射處理后，ACF 材料表面出現纖維老化現象，導致纖維表面更為粗糙。因此紫外線照射處理后，可以使纖維的比表面積增加，能夠產生更多吸附SO2的活性位點，提高材料對SO2的吸附能力。SEM 圖中254 nm 紫外光處理和365 nm 紫外光處理2 h 的粗糙程度相近，沒有較大區別。

圖4 5000x下ACF的SEM

2.3 改性ACF-SO2吸附性能測試

不同紫外線強度和光照時間處理下ACF-SO2吸附量數據見表1。其中365 nm紫外光處理數據，開始隨著紫外光處理時間的增加，ACF-SO2吸附量逐漸升高，在處理2 h 時達到最高，吸附量達到6.012 mg/g，吸附率提升24.32%。但是隨著紫外光處理時間的增加，ACF-SO2吸附量開始下降，甚至在365 nm紫外光處理5 h后，吸附率反而下降了10.64%。而254 nm紫外光處理后，ACF-SO2吸附量隨著照射時間的增加而升高，在254 nm 3 h 時達到最高，為6.573 mg/g，提升率達到35.91%。

表1 不同波長紫外改性處理后ACF-SO2吸附量

不同波長紫外光改性處理ACF-SO2吸附量如圖5 所示。從圖5 中可以明顯看出，經過紫外光處理后，ACF-SO2吸附量相對于原片有明顯提升；但是當紫外光照射時間過長時，ACF會出現明顯老化現象，材料對SO2的吸附量明顯下降，甚至比原片還低。而254 nm 3 h紫外光處理有著最好的改性效果。

圖5 不同波長紫外改性處理ACF-SO2吸附量

3 結語

本研究以聚丙烯腈基-活性炭纖維為前驅體，探究了不同強度和時間的紫外線光照處理改性對ACFSO2吸附性能的影響。結果表明，254 nm和365 nm紫外光照都能有效提升ACF-SO2吸附量，其中254 nm 3 h 紫外光處理有著最好的改性效果，ACF-SO2吸附量為6.573 mg/g，提升率達到35.91%。紫外光改性活性炭纖維的方法操作簡單，可以有效地減少有害廢水的排放，更加環保。