楊振峰 孔慶平 韓衛(wèi)敏 朱耿溪

摘 要：主要利用浸漬法在活性炭基底復(fù)合氫氧化鋰顆粒，并研究氫氧化鋰負(fù)載對活性炭結(jié)構(gòu)和性能的影響。一方面，利用氫氧化鋰實現(xiàn)活性炭的活化改性，提高其物理吸附性能;另一方面，引入氫氧化鋰，通過化學(xué)反應(yīng)，對酸性雜質(zhì)氣體進(jìn)行有效吸附，發(fā)揮物理吸附和化學(xué)吸附的協(xié)同作用。實驗數(shù)據(jù)表明，合成的活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料對氯氣、二氧化碳等酸性雜質(zhì)氣體的吸收效果明顯提高，作為過濾材料在氧燭供氧產(chǎn)品中表現(xiàn)出優(yōu)越的過濾凈化性能。

關(guān)鍵詞：活性炭;堿活化;浸漬法;氧燭過濾材料

活性炭有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和吸附容量，作為過濾材料得到了大范圍的應(yīng)用[1]。商業(yè)化的活性炭在實際應(yīng)用中往往需要經(jīng)過除雜、二次活化等處理，才能表現(xiàn)出更優(yōu)異的吸附性能。常見的活化方法包括物理活化法和化學(xué)活化法[2-3]。例如，將炭化產(chǎn)物和適當(dāng)?shù)臍鈶B(tài)物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)的氣體活化法（如水蒸汽活化、二氧化碳活化、氧氣活化等），將原料經(jīng)過化學(xué)物質(zhì)（常見的有氯化鋅、磷酸、硫酸、氫氧化鈉等）浸漬處理后，進(jìn)一步高溫炭化活化的化學(xué)活化法[4-5]。針對不同的應(yīng)用背景，活性炭采用不同的活化方式，達(dá)到增加比表面積、提高吸附性能的目的[6-7]。在氯酸鹽和高氯酸鹽化學(xué)氧燭制氧裝置中，也常常將活性炭作為過濾材料，因為氧燭產(chǎn)氧過程中會發(fā)生副反應(yīng)，產(chǎn)生少量氯氣，對人體可能產(chǎn)生一定的影響[8-10]。因此，在化學(xué)制氧產(chǎn)品中通常需要通過內(nèi)外部添加抑氯材料，避免有毒有害氣體的產(chǎn)生[11-12]。結(jié)合化學(xué)氧燭實際過濾需求，擬制備活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料，一方面，利用氫氧化鋰堿浸漬過程實現(xiàn)活性炭的活化改性，提高物理吸附性能;另一方面，氫氧化鋰引入后，可通過化學(xué)反應(yīng)，對酸性雜質(zhì)氣體進(jìn)行有效吸附，從而發(fā)揮物理吸附和化學(xué)吸附的協(xié)同作用，改善氧燭供氧產(chǎn)品過濾系統(tǒng)的性能。

1?實驗方法與儀器

1.1? 實驗方法

首先，取200 g商業(yè)化活性炭，水洗酸洗干燥之后，置于燒杯中。其次，加入0.1 mol/L氫氧化鋰的乙醇溶液，直至液面完全浸沒活性炭表面，然后采用機械攪拌，連續(xù)攪拌24 h后，過濾干燥。最后，將浸漬處理后的活性炭裝在小瓷舟中，置于馬弗爐中350 ℃保溫4 h，即可制得活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料。

1.2? 實驗儀器

用Bruker D8 Advance X射線衍射儀對樣品的相組成進(jìn)行分析。使用Hitachi SU 8010冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行樣品的微觀形貌表征。用TristarⅡ 3020表面吸附儀在77 K下進(jìn)行樣品的氮氣吸附-脫附實驗。用HITACHI U-3310紫外分光光度計測量樣品的紫外吸收效果。

2?結(jié)果與討論

2.1? 活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、形貌和表面性質(zhì)

樣品活性炭和活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料固體粉末的? ? ? X射線衍射分析如圖1所示。從圖1可以看出，樣品活性炭的固體粉末X射線衍射在23.00°和45.00°處有兩個彌散的衍射峰，對應(yīng)的是無定形活性炭的特征峰。除了出現(xiàn)活性炭的特征峰之外，活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料的固體粉末X射線衍射在20.39°和32.48°處出現(xiàn)了明顯的衍射峰，對應(yīng)氫氧化鋰的（001）和（101）晶面（PDF#32-0564）。另外，由于小粒徑氫氧化鋰的低結(jié)晶度和碳材料的存在，這些衍射峰的強度相對較弱。但從相結(jié)構(gòu)上來看，成功制得了活性炭和氫氧化鋰兩相復(fù)合材料。

樣品活性炭的掃描隧道電子顯微鏡圖如圖2（a）所示，從中可以看到活性炭表面有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)?；钚蕴?氫氧化鋰復(fù)合材料的掃描隧道電子顯微鏡圖如圖2（b）所示，從中可以清楚地看到，經(jīng)過氫氧化鋰浸漬活化處理后，在活性炭的表面除了孔隙結(jié)構(gòu)，還附著許多結(jié)晶的小顆粒。這主要是因為在高溫烘干時，吸附在活性炭孔道內(nèi)的氫氧化鋰粒子流出，在表面二次結(jié)晶形成小晶粒。觀察活性炭表面的微觀形貌變化發(fā)現(xiàn)，通過堿浸漬，成功地將氫氧化鋰小顆粒負(fù)載在活性炭的表面，得到了活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料。

氮氣吸附-脫附曲線如圖3（a）所示，可見均為典型的Ⅳ型吸附等溫曲線，H4型回滯環(huán)，說明孔結(jié)構(gòu)很不完整，對應(yīng)活性炭的狹縫孔。實驗測得活性炭的比表面積為? ? ? ? ? ? ? 745.00 m2/g，而活性炭-氫氧化鋰的比表面積為798.10 m2/g，比表面積有所增大，說明氫氧化鋰浸漬處理起到了活化活性炭的作用。不同樣品的孔徑分布如圖3（b）所示，從中可以看出，活性炭在氫氧化鋰處理前后介孔部分孔徑分布變化不大，可能是因為在高溫烘干時，吸附在活性炭孔道內(nèi)的離子流動主要形成微孔空隙。

2.2? 活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料在氧燭過濾系統(tǒng)中的實際應(yīng)用

圖4為某型號化學(xué)氧燭的實際產(chǎn)氧流量，從圖4中可以看出，該型號3個氧燭產(chǎn)生的氧氣總量均為30 L，平均氧氣流速均為5 L/min，而且3個氧燭實際產(chǎn)氧流量曲線基本保持一致，說明該型號化學(xué)氧燭性能穩(wěn)定。

以該型號化學(xué)氧燭作為發(fā)生裝置，將制備的活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料作為過濾材料裝填到過濾器中，對氧燭產(chǎn)生的氧氣進(jìn)行過濾，并對一些特定氣體進(jìn)行含量測定，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料的過濾效果明顯高于活性炭的過濾效果。經(jīng)過過濾之后，在氧燭產(chǎn)生的氣體中，氯氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)由原來的18.6×10-6降至10.9×10-6，二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也由原來的165×10-5降至93×10-5。這主要是因為活化過程同時引入了氫氧化鋰小顆粒，通過化學(xué)反應(yīng)，對氯氣、二氧化碳等酸性雜質(zhì)氣體也有很好的吸收性能。另外，氧氣純度也由99.6%升至99.8%，充分說明活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料具備更好的氧燭氣體過濾效果。

3?結(jié)語

主要通過浸漬法制備了活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料，對其結(jié)構(gòu)、形貌和表面性質(zhì)進(jìn)行測試表征，并且將其作為過濾材料應(yīng)用到化學(xué)氧燭的過濾系統(tǒng)中。實驗證明，浸漬法制得的活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料，可以發(fā)揮物理吸附和化學(xué)吸附的協(xié)同作用，大大提升了活性炭對氯氣、二氧化碳等酸性雜質(zhì)氣體的吸收率，提升了氧燭供氧產(chǎn)品活性炭過濾藥劑的過濾凈化性能。同時，該活性炭-氫氧化鋰復(fù)合材料可推廣應(yīng)用于其他有過濾凈化需求的領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1]茅靳豐，韓旭，張華，等.氫氧化鋰-活性炭纖維材料的制備和性能試驗[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，7（1）：55-58.

[2]蔣劍春，孫康.活性炭制備技術(shù)及應(yīng)用研究綜述[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2017（1）：1-13.

[3]王倩雯，張麗，劉東方，等.改性活性炭吸附濕法冶金高鹽廢水中有機物的研究[J].工業(yè)水處理，2020，40（6）：72-75.

[4]李麗，馬茹燕，張瓊.二價銅前軀體制備CO吸附劑的性能研究[J].山西化工，2019，39（2）：9-10.

[5]陳成猛，孫國華，姚錦龍，等.用于堿活化法制備超級電容活性炭的裝置及其制備方法：111232979A[P].2020-06-05.

[6]任行，李艷紅，沙乃慶，等.活性炭改性研究進(jìn)展[J].廣東化工，2020，47（3）：97-98.

[7]易四勇，王先友，李娜，等.活性炭活化處理技術(shù)的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報，2008，22（3）：72-75.

[8]劉建國，金龍哲，高娜，等.氧燭中CO2O3對NaClO3熱解的催化特性研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2017，13（8）：159-163.

[9]范敏，卜建杰，鄭邯勇.氧燭的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2006（2）：16-20.

[10]尹吉慶，王廷群，吳傳淑.一種小型便攜式氧燭初步研究[J].山東化工，2020，49（8）：23-24.

[11]陳維平.LiOH吸收二氧化碳裝置：210496452U[P].2020-05-12.

[12]張崢，金龍哲，劉述慈，等.救生艙用氧燭配方的優(yōu)化研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2013，23（9）：129.