劉曉敏(1.中國林業(yè)科學研究院，北京100091;2.中國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所，江蘇南京210042)

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和由此帶來的環(huán)境問題日益受到人們的關(guān)注，近年來活性炭在工業(yè)三廢治理過程中，尤其是在廢氣治理過程中起著越來越重要的作用。氣相吸附活性炭已廣泛用于溶劑回收，有機廢氣處理，氣體分離、凈化，能源儲存等領(lǐng)域。對活性炭氣相吸附能力的評價，尤其是對揮發(fā)性有機氣體的吸附能力的評價，目前國內(nèi)外均采用丁烷工作容量(BWC)來表征活性炭氣相吸附性能。而國內(nèi)外關(guān)于活性炭與正丁烷吸附性能的研究報道卻不多。因此，研究活性炭與正丁烷吸附性能的關(guān)系及其吸附動力學對促進我國的活性炭科研與應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展有著較大的意義。本研究的主要內(nèi)容和研究結(jié)果如下:

1)首先研究了活性炭的孔結(jié)構(gòu)對丁烷吸附性能的影響，結(jié)果表明:活性炭的孔結(jié)構(gòu)對丁烷吸附性能的影響顯著，并且存在著一定的正相關(guān)性?；钚蕴康谋缺砻娣e越大、孔容積越大，活性炭的丁烷活性越大、丁烷工作容量越大?；钚蕴康亩⊥槲叫阅苓€受孔徑分布的影響。對正丁烷吸附起主要作用的微孔主要集中在1.2～2 nm內(nèi);對正丁烷吸附起主要作用的中孔主要集中在2～4 nm之間，該范圍的孔容積越大，其丁烷工作容量會越高。而0.5～1.0 nm以內(nèi)的孔影響丁烷持附性，在丁烷活性相同時盡可能的降低該范圍的孔容積，從而提高丁烷工作容量。

2)研究了改性活性炭對正丁烷吸附性能的影響，選用3種溶液作為改性劑，即分別為:KOH溶液、NaHCO3溶液和HNO3溶液，分別考察了浸漬濃度、浸漬比、浸漬時間、浸漬溫度對活性炭的正丁烷吸附性能的影響，并且分別設(shè)計了正交試驗，獲得了最佳的浸漬制備工藝，同時借助于多種分析手段探討了浸漬改性機理。實驗表明:KOH浸漬時，各因素對活性炭正丁烷吸附性能的影響順序為浸漬濃度＞浸漬比＞浸漬溫度＞浸漬時間，最佳的制備工藝為:浸漬濃度2%、浸漬比1∶1、浸漬溫度60℃、浸漬時間6 h，丁烷工作容量提高了10.7 g/L;NaHCO3浸漬時，各因素的影響順序為浸漬濃度＞浸漬溫度＞浸漬比＞浸漬時間;最佳的生產(chǎn)工藝為:浸漬濃度3%、浸漬比1∶1.5、浸漬時間4 h、浸漬溫度80℃，丁烷工作容量提高了12.9 g/L;而HNO3浸漬時各因素對正丁烷吸附性能的影響強弱程度為:浸漬濃度＞浸漬比＞浸漬溫度＞浸漬時間;但是HNO3浸漬過后的活性炭的正丁烷吸附性能均出現(xiàn)了不同程度的降低。

采用氮氣吸附法、SEM、FT-IR、Boehm滴定法、孔徑分布等手段對浸漬過后的活性炭進行表征。氮氣吸附法表明浸漬后活性炭的比表面積、孔容積都有一定程度的增減;SEM分析表明浸漬作用會使活性炭的表面出現(xiàn)凹凸不平、裂痕、團聚現(xiàn)象;FT-IR和Boehm滴定法分析顯示活性炭表面官能團的種類沒有發(fā)生變化，而數(shù)量的變化導致吸附性能的改變;孔徑分布結(jié)果顯示浸漬作用會引起孔隙擴大、孔道坍塌、孔徑堵塞等現(xiàn)象，使得孔容積發(fā)生變化，進而影響了活性炭的吸附性能。

3)最后研究了活性炭對正丁烷的吸附動力學，研究結(jié)果表明:活性炭吸附正丁烷是一個吸附與解吸并存的快速物理吸附過程;正丁烷流量顯著影響活性炭的吸附速率和吸附時間，但不影響活性炭的飽和吸附量;活性炭對正丁烷的飽和吸附量隨著溫度的升高而降低，表明正丁烷在活性炭上的吸附為放熱反應(yīng);活性炭對正丁烷的吸附動力學行為遵循班厄姆動力學方程，AC-1和AC-2的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99，通過班厄姆方程計算得到的qe與實驗得到的qe非常接近，通過擬合可以得到理想的吸附速率方程。

活性炭孔結(jié)構(gòu);正丁烷吸附性能;吸附動力學