羅濤朋

（南昌師范學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)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(zhuǎn)化形成硫酸霧，腐蝕金屬制品和建筑物，還會(huì)導(dǎo)致土壤和江河湖泊酸化，使動(dòng)植物的生存環(huán)境遭到極大破壞，最終破壞生態(tài)平衡［1］。因此，采取有效的方法對(duì)大氣中的SO2進(jìn)行治理刻不容緩，這對(duì)人類的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)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(xì)、微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的特點(diǎn)［3］?；钚蕴坷w維相對(duì)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(lǐng)域得到廣泛的研究與應(yīng)用［4］。研究表明，通過(guò)改性技術(shù)可以進(jìn)一步提升活性炭纖維對(duì)SO2的吸附性能。目前應(yīng)用較為廣泛的試劑有H2O2、KMnO4、KOH、NaOH、HCl、HNO3、H2SO4等強(qiáng)氧化性、強(qiáng)堿或強(qiáng)酸試劑，這些試劑成本較高、易對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，不適用于工業(yè)生產(chǎn)制造［5］。因此，研究高效、低成本、無(wú)二次污染的綠色環(huán)保型高效脫硫技術(shù)一直是能源工業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的重要課題。

本研究以ACF 為前驅(qū)體，探究了不同強(qiáng)度和時(shí)間的紫外光改性處理對(duì)ACF-SO2吸附性能的影響。與上述傳統(tǒng)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(huán)保。

1 試驗(yàn)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(zhì)、濃硫酸、無(wú)水亞硫酸鈉、氨基磺酸銨、碘酸鉀（均為分析純，西隴科學(xué)股份有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

電子天平（型號(hào)：MP10001）；分析天平（型號(hào)：SQP）；紅外光譜（型號(hào)：WQF-510A）；電熱恒溫干燥箱（型號(hào)：GZX-910MBE）；掃描電子顯微鏡（型號(hào)：TESCAN MIRALMS）；紫外分析儀（型號(hào)：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(zhǎng)頸分液漏斗和直角導(dǎo)管。管道的一端連接水箱以收集尾氣。所有接口用真空潤(rùn)滑脂密封后再用20 mL濃硫酸填充長(zhǎng)頸分液漏斗，并打開長(zhǎng)頸分液漏斗活塞。氣體發(fā)生5 min 后，將導(dǎo)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(zhǎng)片，并分別放入烘箱中120 ℃烘干2 h 后，用分析天平稱重標(biāo)記，放入密封袋中，標(biāo)記為ACF-0，放入干燥器中備用。254 nm 紫外光改性ACF 過(guò)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(biāo)記為ACF-254-1、ACF-254-2、ACF-254-3、ACF-254-4、ACF-254-5，并進(jìn)行ACF-SO2吸附量測(cè)試。365 nm 紫外光改性ACF 過(guò)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(biāo)記為ACF-365-1、ACF-365-2、ACF-365-3、ACF-365-4、ACF-365-5，并進(jìn)行ACF-SO2吸附量測(cè)試。

1.4 ACF-SO2吸附量測(cè)試

將處理后的ACF 放入如圖1 所示裝置的洗氣瓶?jī)?nèi)，洗氣瓶?jī)深^涂好真空脂，并用止水夾夾緊，制造密封效果。再用進(jìn)樣器從集氣袋中吸取5 mL 高濃度SO2注射進(jìn)洗氣瓶中靜置48 h。將洗氣瓶進(jìn)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(jìn)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(fā)生逃逸。

然后將吸收液轉(zhuǎn)入碘量瓶中，用少量吸收液洗滌吸收瓶?jī)纱尾⑥D(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至藍(lán)色，記錄消耗量V1（mL）?；钚蕴坷w維吸收SO2含量的計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)溶液相當(dāng)?shù)亩趸虻馁|(zhì)量（mg）；mACF表示活性炭纖維的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅外表征結(jié)果

不同時(shí)長(zhǎng)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(xiàn)了碳氧鍵（C—O）單鍵伸縮振動(dòng)及各種面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰，表明ACF 在經(jīng)過(guò)254 nm 紫外光照后產(chǎn)生了含氧官能團(tuán)，并且隨著紫外光處理時(shí)間的增加，振動(dòng)峰越來(lái)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(tuán)。在3 400～3 800 cm-1間出現(xiàn)明顯的羥基（—OH）伸縮振動(dòng)吸收峰；在2 050 cm-1左右出現(xiàn)較窄的伸縮振動(dòng)吸收峰，可能存在碳碳三鍵（C≡C）或碳氮三鍵（C≡N），表明在經(jīng)過(guò)紫外光照后出現(xiàn)了不飽和鍵。

圖2 不同時(shí)長(zhǎng)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(shí)長(zhǎng)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(xiàn)了碳氧單鍵（C—O）伸縮振動(dòng)及各種面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰，說(shuō)明ACF 在經(jīng)過(guò)254 nm 紫外光照后產(chǎn)生了含氧官能團(tuán)；在1 645～1 500 cm-1間出現(xiàn)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(xiàn)明顯的碳碳三鍵（C≡C）伸縮振動(dòng)吸收峰，因此，ACF經(jīng)改性后增加了不飽和鍵。在3 900～3 600 cm-1之間都出現(xiàn)了明顯的碳氧單鍵（C—O）伸縮振動(dòng)吸收峰。2 000 cm-1左右出現(xiàn)吸收峰，表明還可能存在碳氮三鍵（C≡N）。含氧、含氮官能團(tuán)及不飽和鍵等是有利于ACF 吸附SO2的官能團(tuán)。

圖3 不同時(shí)長(zhǎng)365 nm紫外光照處理后ACF材料紅外光譜

2.2 SEM表征結(jié)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(jīng)過(guò)紫外光照射處理后，ACF 材料表面出現(xiàn)纖維老化現(xiàn)象，導(dǎo)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(chǎn)生更多吸附SO2的活性位點(diǎn)，提高材料對(duì)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(qū)別。

圖4 5000x下ACF的SEM

2.3 改性ACF-SO2吸附性能測(cè)試

不同紫外線強(qiáng)度和光照時(shí)間處理下ACF-SO2吸附量數(shù)據(jù)見表1。其中365 nm紫外光處理數(shù)據(jù)，開始隨著紫外光處理時(shí)間的增加，ACF-SO2吸附量逐漸升高，在處理2 h 時(shí)達(dá)到最高，吸附量達(dá)到6.012 mg/g，吸附率提升24.32%。但是隨著紫外光處理時(shí)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(shí)間的增加而升高，在254 nm 3 h 時(shí)達(dá)到最高，為6.573 mg/g，提升率達(dá)到35.91%。

表1 不同波長(zhǎng)紫外改性處理后ACF-SO2吸附量

不同波長(zhǎng)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(jīng)過(guò)紫外光處理后，ACF-SO2吸附量相對(duì)于原片有明顯提升；但是當(dāng)紫外光照射時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，ACF會(huì)出現(xiàn)明顯老化現(xiàn)象，材料對(duì)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(zhǎng)紫外改性處理ACF-SO2吸附量

3 結(jié)語(yǔ)

本研究以聚丙烯腈基-活性炭纖維為前驅(qū)體，探究了不同強(qiáng)度和時(shí)間的紫外線光照處理改性對(duì)ACFSO2吸附性能的影響。結(jié)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(dá)到35.91%。紫外光改性活性炭纖維的方法操作簡(jiǎn)單，可以有效地減少有害廢水的排放，更加環(huán)保。