李立清,石 瑞,顧慶偉,梁 鑫,唐 琳,李海龍,馬衛(wèi)武
(中南大學 能源科學與工程學院,湖南 長沙 410083)
酸改性活性炭吸附甲苯的性能研究*
李立清?,石 瑞,顧慶偉,梁 鑫,唐 琳,李海龍,馬衛(wèi)武
(中南大學 能源科學與工程學院,湖南 長沙 410083)
商業(yè)活性炭分別經(jīng)過1mol/L的硝酸、鹽酸、硫酸處理.采用Boehm滴定、傅式轉(zhuǎn)換紅外光譜儀(FTIR)、比表面積分析儀對活性炭樣品的物化性質(zhì)進行測試.以甲苯為吸附質(zhì),在283K下進行了固定床吸附實驗.研究討論了改性前后活性炭對甲苯的吸附量影響,計算了相應的動力學參數(shù)和吸附能.結果表明:酸改性可以增加活性炭表面酸性官能團的總數(shù)量;改變孔徑分布.酸改性活性炭對甲苯的吸附量大小順序為:N-AC,S-AC,AC,Cl-AC.準二階動力學方程比準一階動力學能更好地描述甲苯在改性活性炭上的吸附過程;酸改性增大了微孔占有率,提高了吸附速度;酸改性增大活性炭吸附有機氣體的吸附能,導致酸改性活性炭與甲苯結合度降低.
改性活性炭;表面基團;孔結構;吸附動力學;吸附能
甲苯是常見的揮發(fā)性有機物,常用于制造炸藥、農(nóng)藥、染料、合成樹脂及滌綸等[1],會對人體健康造成損害[2].活性炭現(xiàn)在被廣泛用于去除甲苯,研究表明,活性炭的微孔孔容大小以及表面官能團種類是影響吸附性能的主要原因[3-5].通過不同活化手段可以改變表面官能團性質(zhì)和濃度,氧氣、水蒸氣是氣體氧化劑,硝酸、過氧化氫可作為液體氧化劑[6].文獻[7]通過氨水改變活性炭表面的化學性質(zhì),使得活性炭吸附SO2能力進一步提高.文獻[8]等發(fā)現(xiàn),改變活性炭表面化學性質(zhì)限制活性炭吸附甲硫醇吸附容量,并證明提高活性炭多孔性才是提高甲硫醇吸附容量的有效方法.
本文利用HNO3溶液、H2SO4溶液和HCl溶液對商業(yè)活性炭進行改性.對改性后樣品進行表面官能團測試和孔結構特性表征,并以甲苯為吸附質(zhì)進行吸附試驗.綜合討論了不同酸改性手段對甲苯吸附性能的影響,從而對工業(yè)生產(chǎn)活性炭吸附甲苯起到指導意義.
稱取50g預處理(煮沸,水洗,烘干)的活性炭(河南長葛利民活性炭有限公司生產(chǎn)的RS-5型),分別置于200mL濃度為1mol/L的 HNO3(65%)溶液、HCl(37%)溶液、H2SO4(98%)溶液中.在323 K下加熱12h.所得改性樣品依次記為N-AC,Cl-AC,S-AC.
1.2.1 酸改性活性炭表面官能團測試
利用Boehm滴定法確定活性炭表面的含氧官能團數(shù)量;利用傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet6700,USA)測試活性炭表面基團結構特性.通過EDAX元素分析儀測得原料活性炭的元素含量.
1.2.2 改性活性炭孔隙結構測試
通過孔隙分析儀(SA3100,Beckman Coulter,U.S.A),在77K下測試N2吸附質(zhì)的吸附規(guī)律并得到等溫吸附曲線;借助等溫吸附線計算活性炭比表面積(BET法)、微孔孔容(BJH法)、樣品總孔容(相對壓力P/P0為0.9814時的液氮吸附量換算成液氮體積得到)等物性參數(shù).
1.2.3 改性活性炭的灰分測試
準確稱量重量W1的樣品,裝入恒重W 的坩堝中,放在馬福爐中加熱至1 073K,恒溫一定時間冷卻到473K,取出放置干燥器中冷卻至室溫,用分析天平準確稱重為W2,再放入馬福爐中重復上述實驗n次,稱取重量為Wn,直至最后兩次重量相等.則灰分含量為:
式中:W 為恒重后的坩堝重量,g;W1為樣品的重量,g;Wn為燒恒重后坩堝和灰分的重量,g.
實驗以甲苯為吸附質(zhì),吸附溫度283K,甲苯進氣濃度分 別為 2.79g·m-3,5.78g·m-3,9.48g·m-3,12.15g·m-3,22.4g·m-3,每次實驗稱量活性炭4g置于內(nèi)徑為1.1cm的石英管中進行吸附實驗.實驗裝置如圖1所示.抽取的室內(nèi)空氣經(jīng)過裝有硅膠的干燥器(兩個干燥器交替使用)干燥水分后,一部分直接進入混合器;另一部分穿過微型噴淋器(用一個微型泵循環(huán)將有機氣體發(fā)生器里的甲苯溶劑泵入恒溫控制的噴淋器中).調(diào)節(jié)混合器前的兩個氣閥,使兩股氣流在混合器中的混合濃度達到一定值,用真空泵將該混合氣送入恒溫水箱(DC1015,上海天平儀器公司)中以維持恒定的甲苯進氣溫度,待甲苯濃度穩(wěn)定于某一值30min后再進行吸附實驗.當甲苯排氣濃度與進氣濃度相同時,并維持30min以上時,認為吸附已達到平衡.稱取活性炭的重量.進氣和排氣中甲苯濃度采用氣相色譜儀測定(P-6890,山東魯南瑞虹化工儀器公司).
圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental device
將裝置1產(chǎn)生的一定濃度的甲苯氣體通入283 K恒溫箱中,活性炭重量隨時間變化通過分析天平(島津,AUW120)測試.尾氣利用活性炭處理后排出.
表1為原料活性炭的元素質(zhì)量分數(shù).由表1可知,河南長葛的炭中含有 C,O,Al,Si,Au,Nb,Ca,F(xiàn)e等元素.據(jù)文獻[9],煤質(zhì)活性炭的灰分中含有氫氧化物和金屬鹽,例如Fe2O3,MgO,CaO,Al2O3,SiO2.該活性炭原料含有灰分物質(zhì),這些物質(zhì)附著在活性炭的孔隙中,影響活性炭的孔隙結構.
表1 活性炭的元素分析Tab.1 Activated carbon element analysis
圖2為Boehm滴定對活性炭樣品各種表面官能團數(shù)量的統(tǒng)計結果.由圖可知,酸改性官能團數(shù)量多少順序為:N-AC,S-AC,Cl-AC,AC.這表明,隨著酸改性試劑氧化性增強,酸性基團數(shù)量增多.但Cl-AC表面酸性官能團數(shù)量沒有顯著提高,僅輕微增大.文獻[10]發(fā)現(xiàn),用37%鹽酸處理過的活性炭總酸度容量比用蒸餾水洗滌的活性炭的總酸度容量輕微增大.N-AC的羧基量最多,這表明改性酸試劑氧化能力增強會使活性炭羧基數(shù)量增多.
為了進一步表征酸改性活性炭表面基團,傅式紅外光譜測試結果如圖3所示.
圖2 活性炭表面官能團數(shù)量Fig.2 The quantity of activated carbon surface group
由圖3可知,Cl-AC的表面官能團中,含有單鍵氧的官能團都相對提高,如酚羥基,內(nèi)酯.出現(xiàn)這種情況的原因可能是發(fā)生了如式(1)的反應[11].
N-AC樣品的紅外光譜上存在波峰為1 380~1 400cm-1范圍內(nèi)的峰值.表明硝酸對活性炭改性給活性炭表面引進了大量羧基結構[12-13]和C—N結構.
圖3 活性炭樣品的紅外光譜Fig.3 Infrared spectra of activated carbon
S-AC樣品在1 142cm-1(SO2)和1 116cm-1(C=S)出現(xiàn)顯著波峰,由于硫酸改性活性炭引入磺?;?這與文獻[14]做的結果一致.
活性炭樣品的表面積及孔容測試結果見表2.可知酸改性活性炭比表面積大小順序為:N-AC,AC,S-AC,Cl-AC.比較酸改性活性炭和未改性活性炭孔容積可知,利用鹽酸改性的活性炭其總孔容、微孔孔容、中孔孔容和大孔孔容均有不同程度的減少,這可能是由于鹽酸對活性炭內(nèi)部碳的侵蝕致活性炭內(nèi)部孔結構塌陷,使活性炭的孔容積變小.利用硝酸改性的活性炭其總孔容、微孔孔容均有不同程度的增加,而中孔孔容和大孔孔容均有不同程度的減少,這可能與硝酸強的氧化性有關,使活性炭中一部分中孔和大孔的壁面被侵蝕或一部分封閉的微孔被打開,反應方程式見式(2).利用硫酸改性的活性炭其總孔容、微孔孔容、中孔孔容和大孔孔容均有不同程度的減少,這可能與鹽酸改性類似,是由于硫酸對活性炭內(nèi)部碳的侵蝕致活性炭內(nèi)部孔結構塌陷,使活性炭的孔容積變小.
表2 活性炭樣品的孔結構參數(shù)Tab.2 Pore structure parameters of activated carbon sample
為進一步表征酸改性對活性炭孔結構的影響,圖4為酸改性活性炭孔徑分布圖.由圖4可知,酸改性樣品微孔分布集中在0.45~0.8nm.與AC比較,N-AC在孔徑0.58~0.77nm處孔容積增大顯著,S-AC,Cl-AC分別在0.6~0.72nm,0.6~0.63 nm范圍內(nèi),孔容明顯減小.
圖4 酸改性活性炭孔徑分布圖Fig.4 Pore size distribution of acid modified activated carbon
改性活性炭樣品的灰分含量如表3所示.用3種1mol/L的強酸對活性炭改性后,活性炭的灰分含量均降低.在制備改性樣品前,用熱水煮沸了活性炭,因為Na,K的氧化物、碳酸鹽在水中的溶解度大,從而可以部分脫出這些物質(zhì),降低改性樣品的灰分.S-AC的灰分含量最小,這是由于改性溫度是在373K以上,1mol/L硫酸溶液不僅可以與R-SNa2,OSP,F(xiàn)e2O3等反應還可以和FeS2反應,生成易溶于水的物質(zhì)被洗滌掉了.Cl-AC的灰分含量最大,鹽酸溶液主要是于鐵及其氧化物發(fā)生反應,脫出效果有限,磁性氧化鐵較難除去,在改性的洗滌過程中溫度是室溫且大幅低于353K,這并沒有增大FeCl3,F(xiàn)eCl2在水中的溶解度,故而沒有徹底脫出這些物質(zhì).灰分是通過附著在活性炭孔隙結構上而存在的,它的脫除有利于改善活性炭的孔結構.
表3 活性炭樣品灰分質(zhì)量分數(shù)Tab.3 Activated carbon sample ash parameters
2.5.1 吸附等溫線
圖5為活性炭吸附甲苯實驗稱量吸附容量與理論積分吸附容量的比較結果,兩者比較的誤差基本小于5%.由圖5可知,吸附量大小順序為:N-AC,S-AC,AC,Cl-AC.3種活性炭表面都以酸性官能團為主,酸性官能團為吸電子團,進而吸走活性炭石墨層上的自由π電子,導致活性炭表面π電子云密度降低,削弱與甲苯之間的π-π色散力.且 Cl-AC比 AC的酸性官能團數(shù)量多,孔容減小,故Cl-AC對甲苯的吸附量比AC的??;N-AC擁有數(shù)量最多的酸性官能團,較大的比表面積、孔容,最大的甲苯吸附量,表明N-AC吸附甲苯過程中孔結構起主導作用.
圖5 吸附甲苯實驗稱量吸附容量與理論積分吸附容量的比較結果Fig.5 Comparison of experiment toluene adsorption capacity and integral theory adsorption capacity
式中:qe為平衡吸附量,mg·g-1;qmax為極限吸附量mg·g-1;ce為被吸附氣體的平衡濃度,g·m-3;kL為Langmuir常數(shù).參數(shù)見表4.比較3種改性活性炭樣品模型的R2,表明:Langmuir模型可以較好的描述酸改性活性炭樣品的對甲苯的吸附性能,能夠合理地預測甲苯在酸改性活性炭上的極限吸附量.
表4 Langmuir模型參數(shù)Tab.4 Parameters of langmuir model
2.5.2 吸附能
D-R方程可以很好地描述化合物在炭材料上的吸附行為,通過D-R方程對吸附等溫線進行線性擬合,可得出活性炭的特征吸附能E0.D-R方程的形式為:
式中:W 為相對壓力P/P0下孔中吸附質(zhì)的平衡吸附容量,mL·g-1;W0為微孔極限吸附容積,mL·g-1;A為吸附勢,A=RTln(P0/P);β為吸附親和系數(shù);E0,E分別為標準吸附質(zhì)苯和所用吸附質(zhì)的特征吸附能,kJ·mol-1;P0,P 分別為飽和蒸汽壓和平衡壓力,Pa;R為通用氣體常數(shù),kJ·mol-1·K-1;T 為絕對溫度,K.
將4種炭樣氮吸附等溫線按照D-R方程進行線性關聯(lián),得到轉(zhuǎn)化為分壓ln2(P0/P)與吸附容積對數(shù)lnW 的關系,根據(jù)D-R方程線性擬合得到的直線斜率為2.303(RT/βE0)2,N2的親和系數(shù)為0.33,由此求得ECl-AC,EN-AC,ES-AC,EAC的特征吸附能分別為15.01,14.95,15.10,14.49kJ·mol-1.甲苯的親和系數(shù)β為1.28,則可計算活性炭對甲苯的吸附能(見表5).可知酸改性使得活性炭吸附甲苯的吸附能在一定程度上增大,根據(jù)微孔理論,吸附能越大,活性炭越難結合有機氣體,這與酸改性活性炭與甲苯之間 π-π色散力被酸性官能團的削弱結果一致.
表5 活性炭對甲苯的吸附能Tab.5 Adsorption energy of AC to toluene (kJ·mol-1)
2.5.3 酸改性活性炭孔結構參數(shù)對吸附性能影響
酸改性改變了活性炭的比表面積、總孔容.圖6給出了酸改性活性炭性能參數(shù)與吸附量之間的關系.
由圖6可知,活性炭的比表面積、總孔容與吸附量并未呈良好的線性關系,但酸改性活性炭對甲苯的吸附量,隨著活性炭的比表面積、總孔容的增大而增大.這是由于活性炭的比表面積是由微孔比表面積、中孔比表面積、大孔比表面積共同構成的.甲苯屬于大分子吸附質(zhì),甲苯的有效吸附比表面積為微孔比表面積和中孔比表面積,占總比表面積比例較大.同理,酸改性活性炭吸附甲苯的有效孔容積也由微孔容積和部分中孔容積共同貢獻.
圖6 酸改性活性炭物性參數(shù)與吸附量關系Fig.6 Relation between physical parameters of acid modified activated carbon and the adsorption quantity
2.5.4 吸附動力學特性
采用準一階動力學方程和準二階動力學方程分析吸附動力特征[15].
表6 活性炭吸附甲苯的一、二階動力學方程參數(shù)Tab.6 The pseudo-first-order kinetic model and pseudo-second-order kinetic model parameters for adsorption of
由表6可知,準一階動力方程、準二階動力方程都能夠用來描述酸改性活性炭吸附甲苯的吸附動力特征.由模型相關系數(shù)比較知,準二階方程能夠更好的描述酸改性活性炭吸附甲苯的動力特征,一般認為,符合二級動力學方程說明活性炭吸附過程中化學作用對吸附過程有明顯影響,這可能由于酸改性使得活性炭表面引入了大量含氧官能團,改變了活性炭表面的化學特性,S-AC的準二階相關性優(yōu)于準一階,說明S-AC吸附甲苯的過程中官能團之間的化學鍵力起到顯著性影響.
由于上述兩個動力學模型不能解釋擴散機理,依據(jù)以上兩個方程,Weber and Morris[16]提出了粒間擴散模型,吸附質(zhì)吸附在吸附劑上的量與t1/2成比例而不是吸附時間t,Weber-Morris方程如式(8):
式中:kdi為i階段的速率常數(shù),mg·(gh1/2)-1,Ci為i階段截距.對于顆粒內(nèi)擴散,qt與t1/2將是線性的,如果點通過原點,那么速率的限制,就只受顆粒內(nèi)擴散的影響.
圖7為甲苯氣體粒子內(nèi)擴散模型對吸附動態(tài)曲線的擬合情況.由圖7可看出:吸附有3個吸附階段[17],第一階段,是外部表面吸附階段;這是吸附力場疊加效應作用的結果.第二個階段,是漸進或緩慢的吸附階段,顆粒內(nèi)擴散是吸附速率的控制因素,該階段吸附力場疊加效應減弱或消失.第三個階段,是最終平衡階段,由于大部分的微孔和部分中孔被吸附質(zhì)填充,內(nèi)顆粒擴散進一步減緩,吸附速率進一步減小.由圖7還可看出,酸改性活性炭在0~25min時間段內(nèi)的速率都比AC的大,這是由于酸改性使得活性炭表面微孔比例增大,促進吸附速率;在36~100min時間段內(nèi)進入了酸改性活性炭吸附甲苯的二階段,經(jīng)歷時間比AC的時間短,這可能由于酸改性使得活性炭表面增加了極性官能團數(shù)量,加強吸附力場疊加效應;從100min開始,活性炭吸附甲苯進入平衡階段,呈現(xiàn)出活性炭吸附甲苯能力的順序為:N-AC,S-AC,AC,Cl-AC,這與實驗結果完全吻合.
圖7 活性炭上粒子內(nèi)擴散模型擬合Fig.7 Intraparticle diffusion plots for adsorbates adsorption on activated carbons
1)用酸對活性炭進行改性,可以提高活性炭表面的酸性官能團數(shù)量,且酸性官能團數(shù)量隨著改性酸試劑氧化性的增強而增多.酸對活性炭孔結構具有侵蝕、氧化作用.硝酸的強氧化性導致活性炭孔容增大;硫酸、鹽酸的強酸性導致活性炭孔結構受到侵蝕,孔容變小.酸改性導致活性炭灰分被脫出,疏通了孔道結構.
2)酸改性活性炭對甲苯的吸附量大小順序為:N-AC,S-AC,AC,Cl-AC,吸附量受到孔結構和表面官能團的共同作用.
3)酸改性活性炭的吸附量隨著有效比表面積、有效孔容的增大而增大.
4)準一階、準二階動力學方程都可以描述甲苯在改性活性炭上的吸附過程,但實驗數(shù)據(jù)對準二階動力學方程擬合系數(shù)相對較高,表明酸性官能團在活性炭吸附甲苯過程中作用顯著.酸改性增大了微孔占有率,提高了吸附速度.
5)酸改性增大活性炭吸附有機氣體的吸附能,導致酸改性活性炭與甲苯結合度降低.
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Adsorption of Toluene on Activated Carbons with Acid Modified
LI Li-qing?,SHI Rui,GU Qing-wei,LIANG Xing,TANG Lin,LI Hai-long,MA Wei-wu
(School of Energy Science and Engineering,Central South Univ,Changsha,Hunan 410083,China)
Commercially activated carbon was treated with 1mol/L nitric acid,1mol/L sulfuric acid and 1mol/L hydrochloric acid respectively.The physicochemical properties of these modified activated carbons were described with Boehm titration,F(xiàn)ourier transformed infrared spectroscopy(FTIR)and BET surface area measurement.Fixed-bed adsorption experiments were conducted under the same experimental conditions at 283K,where toluene was activated as adsorbates.Adsorption capacity on modified activated carbons was conducted,combining the calculation of dynamics and adsorption energy.The results have shown that the total amount of acid groups increased after acid modification and the pore size distribution is different from the unmodified activated carbon.The adsorption capacity of toluene on acid modified activated carbon shows the following order:N-AC,S-AC,AC,Cl-AC.The pseudo-second-order kinetic equation is better than the pseudo-first-order kinetic equation to describe the adsorption process of toluene on the modified activated carbons.Acid modification can increase the percentage of micropore and enhance the rate of adsorption.With the increase of adsorption energy,it is hard for the modified activated carbons to join toluene.
modified activated carbon;surface functional groups;pore structure;adsorption kinetics;adsorption energy
O613.71
A
1674-2974(2013)05-0092-07
2012-05-16
國家自然科學基金資助項目(20676154;20976200)
李立清(1966-),男,湖南長沙人,中南大學教授
?通訊聯(lián)系人,E-mail:liqingli@hotmail.com