趙 晶

(大同煤業(yè)金鼎活性炭有限公司，山西 大同 037000)

引 言

某些揮發(fā)性有機化合物(VOCs)對人體健康和環(huán)境危害巨大，它們會造成光化學(xué)煙霧和一系列有毒副產(chǎn)物的形成，從而導(dǎo)致臭氧層的破壞和全球變暖。近年來，我國法律法規(guī)已經(jīng)明確限制了VOCs的排放，VOCs減排引起了越來越多的關(guān)注[1]。吸附是最廣泛使用的VOC減排技術(shù)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(jié)構(gòu)和良好的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性成為了去除揮發(fā)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(xué)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(tài)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(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)[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(jié)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(xué)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(yù)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(yīng)結(jié)束后降溫到室溫，將活化的樣品用蒸餾水反復(fù)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(yù)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(yīng)結(jié)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(fù)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(tài)吸附測試在氣體可以連續(xù)流動的反應(yīng)器中進行。首先，取300 mg粉末于180 ℃真空下處理12 h，然后，轉(zhuǎn)移到內(nèi)徑5 mm的U形玻璃管式反應(yīng)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(zhì)量分數(shù)1 000×10-6)以100 mL/min和150 mL/min的速度通過反應(yīng)器。為了評估在潮濕條件下(相對濕度為80%)的動態(tài)吸附性能，使用微注射泵將液態(tài)水注入預(yù)熱的空氣流中來產(chǎn)生水蒸氣。

2 結(jié)果與討論

2.1 孔結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(jié)構(gòu)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)，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(xué)物質(zhì)的作用是造孔隙的模板，我們分析造成兩種活性炭孔結(jié)構(gòu)不同的原因是磷酸和氯化鋅的不同化學(xué)性質(zhì)，氯化鋅或其水合物的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)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(jié)構(gòu)參數(shù)

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(tài)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(tài)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(tài)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(tài)甲苯吸附能力，是因為磷酸-活性炭表面更親水，導(dǎo)致水和甲苯分子之間吸附位點發(fā)生競爭，另外，水蒸氣在親水材料介孔中的毛細作用會導(dǎo)致擴散傳質(zhì)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(tài)吸附能力測試結(jié)果

3 結(jié)語

本研究以褐煤為原料，通過磷酸和氯化鋅兩種化學(xué)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(fā)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(tài)，具有很好的應(yīng)用前景，為褐煤的深加工利用提供了一定的實驗基礎(chǔ)。