活性炭吸附VOCs及其構(gòu)效關(guān)系研究.pdf

1、為了強化活性炭選擇性吸附能力以及提高其吸附性能，必須對吸附質(zhì)和吸附劑的物性差異以及相互作用機理有系統(tǒng)且全面的的認(rèn)識，需系統(tǒng)地量化分析吸附質(zhì)在活性炭上的吸附性能與微尺度結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。
　　本研究從針對活性炭對揮發(fā)性有機污染物(VOCs)的吸附現(xiàn)象，以活性炭和VOCs微尺度結(jié)構(gòu)與表面物理化學(xué)性質(zhì)影響有機氣體吸附性能這一認(rèn)識為出發(fā)點，利用恒溫吸附實驗裝置，對活性炭吸附VOCs進(jìn)行實驗測試，深入探討VOCs在活性炭多孔介質(zhì)內(nèi)復(fù)

2、雜的表面物理化學(xué)狀態(tài)和相互作用機制。借助紅外光譜分析、顯微觀測分析、比表面積及孔隙分析、元素分析、Boehm滴定分析等手段，對活性炭進(jìn)行表征。利用理論方法分析吸附性能等參數(shù)，結(jié)合活性炭表征結(jié)果，探討了活性炭吸附性能與吸附質(zhì)和吸附劑物性的宏觀微觀構(gòu)效關(guān)系，為新型活性炭制備以及吸附凈化回收VOCs工業(yè)過程與配套裝置優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支撐。
　　研究包括五個部分:
　　(1) VOCs物性對活性炭吸附性能影響的研究。研究表明:活性炭

3、對VOCs的飽和吸附量跟VOCs的分子動力學(xué)直徑、分子量、密度、沸點、飽和蒸汽壓、極性存在著密切關(guān)系，跟VOCs前四種物性因素呈現(xiàn)正線性關(guān)系;跟后兩種物性因素呈現(xiàn)負(fù)線性關(guān)系。
　　(2)活性炭孔結(jié)構(gòu)特性對吸附VOCs影響的研究。實驗研究發(fā)現(xiàn):活性炭內(nèi)部結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，傳質(zhì)速率越慢，良好的孔結(jié)構(gòu)梯度分布有助于加強活性炭內(nèi)部吸附質(zhì)的擴散。吸附質(zhì)分子直徑越小，在吸附劑中越容易擴散;利用不同孔徑區(qū)間下的孔容與吸附量之間的相關(guān)系數(shù)關(guān)系可以較好地

4、解釋吸附質(zhì)在活性炭內(nèi)部的擴散過程。
　　(3)復(fù)合氧化改性對活性炭物性及其吸附甲苯性能影響的研究。實驗研究發(fā)現(xiàn):強氧化劑預(yù)處理活性炭有助于熱復(fù)合氧化改性中活性炭微孔孔容的增大;活性炭表面含氧基團(tuán)由化學(xué)氧化改性和熱復(fù)合氧化改性共同作用產(chǎn)生，熱改性溫度較低時，其主要由化學(xué)氧化改性生成，溫度較高時，酸性基團(tuán)則主要來源于氧氣與活性炭表面的氧化反應(yīng);酸性基團(tuán)的存在能夠促進(jìn)活性炭吸附甲苯;控制合理的熱復(fù)合氧化改性條件，既可以增加活性炭表面酸性

5、基團(tuán)，又可擴充微孔孔容，從而綜合提升了活性炭對甲苯的吸附能力。
　　(4)有機酸改性對活性炭物性的影響，探討了吸附時間、濃度和溫度對活性炭吸附二甲苯的動態(tài)過程的影響，研究其在不同吸附條件下對二甲苯的氣相吸附動力學(xué)及吸附平衡。實驗發(fā)現(xiàn):有機酸改性活性炭是一種成功的提高活性炭對二甲苯吸附容量的方法。改性后活性炭的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)均有不同程度的減小，經(jīng)FTIR驗證，改性后活性炭表面生成羥基、酮基、羧基、S=O等官能團(tuán)。吸附溫度降低，二甲苯進(jìn)氣

6、濃度增大，則活性炭的吸附速率增大，平衡吸附量增大。Bangham動力學(xué)模型能很好地描述4種活性炭對二甲苯的吸附動力學(xué)過程，其擬合的相關(guān)系數(shù)R2均高于0.997。
　　(5) VOCs吸附性能參數(shù)優(yōu)化及宏觀微觀構(gòu)效關(guān)系研究。利用正交分析與多元回歸分析的方法，通過Design Expert7.0軟件對活性炭改性及其吸附VOCs過程進(jìn)行優(yōu)化，研究了活性炭在不同改性條件下物性的變化，探討了活性炭物性對于VOCs吸附性能的作用。通過構(gòu)建數(shù)學(xué)