活性炭吸附法凈化丙酮和二氧化硫的研究.pdf

1、隨著生存環(huán)境的日益惡劣和人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，空氣污染控制技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)，活性炭(Activated Carbon)吸附凈化氣態(tài)污染物被越來(lái)越多的學(xué)者和環(huán)保人士所研究。盡管諸多研究顯示對(duì)揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)和二氧化硫的控制工藝技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但是在活性炭吸附微尺度分析理論對(duì)吸附作用影響機(jī)理研究上仍處于探索階段。本文以活性炭為吸附劑，以丙酮為代表的VOCs和以二氧化硫(SO2)為代表的無(wú)機(jī)氣態(tài)污染物為吸附質(zhì)，在活性炭多孔材

2、料微尺度分析的理論上，定量系統(tǒng)地分析有機(jī)和無(wú)機(jī)氣態(tài)污染物與微尺度材料表面物理化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，從宏觀和微觀不同角度深入探討丙酮和二氧化硫氣體在活性炭多孔介質(zhì)內(nèi)復(fù)雜的表面物理化學(xué)狀態(tài)和相互作用機(jī)制，從而科學(xué)地揭示吸附的微尺度構(gòu)效關(guān)系。本課題的研究?jī)?nèi)容和結(jié)論主要包括:
　　(1)利用元素分析、掃描電鏡、BET、傅立葉紅外光譜(FTIR)等一系列分析測(cè)試方法對(duì)活性炭表面物理化學(xué)等結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試分析，量化關(guān)聯(lián)有機(jī)和無(wú)機(jī)氣態(tài)污染物在

3、活性炭中的吸附基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)、吸附性能數(shù)據(jù)，熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立活性炭物理化學(xué)性質(zhì)與吸附行為之間的關(guān)系，系統(tǒng)地分析活性炭的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)和無(wú)機(jī)氣態(tài)污染物的吸附性能的影響。同時(shí)研究活性炭對(duì)氣態(tài)污染物的吸附過(guò)程中的傳熱傳熱耦合規(guī)律。結(jié)果表明:用Langmuir吸附等溫線(xiàn)模型可較好地描述丙酮在樣品活性炭上的吸附。丙酮吸附量隨著微孔孔容的增大而增大。丙酮在活性炭上的表面覆蓋率隨丙酮濃度的增大而明顯增大?；钚蕴靠捉Y(jié)構(gòu)影響吸附能，吸附能大的活性炭表面

4、覆蓋率小。在活性炭吸附丙酮的過(guò)程中，傳熱系數(shù)的變化對(duì)傳質(zhì)影響不大，傳質(zhì)系數(shù)對(duì)傳熱有一定影響，與濃度差異引起的傳熱效應(yīng)相比，溫度差異引起的傳質(zhì)過(guò)程更加明顯。
　　在SO2吸附研究中，活性炭的總比表面積和微孔比表面積與SO2吸附量的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)隨進(jìn)氣濃度的增加而增大;在較高進(jìn)氣濃度和較低吸附溫度時(shí)，活性炭的總孔容和微孔孔容均與SO2吸附量呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性關(guān)系。在相同的吸附溫度和進(jìn)氣濃度下，活性炭的物性與SO2吸附量影響排序?yàn)?次微孔孔容

5、＞微孔孔容＞微孔比表面積＞總比表面積＞總孔容。當(dāng)吸附溫度一定時(shí)，四種商業(yè)活性炭的微孔極限吸附容積排序?yàn)樯轿骰钚蕴?AC-SX)最大，廣州活性炭(AC-GZ)最小，而吸附能的排序?yàn)锳C-GZ＞AC-NX＞AC-HN＞AC-SX。 AC-SX極限微孔孔容最大，吸附能最小，最易與SO2進(jìn)行吸附反應(yīng)。
　　(2)采用微波熱處理，無(wú)機(jī)和有機(jī)化學(xué)試劑等三種方法對(duì)商業(yè)活性炭進(jìn)行改性，借助Boehm滴定法、透射電鏡、BET、FTIR等分析方法對(duì)改

6、性活性炭的表面物理化學(xué)等結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行表征，考察改性活性炭吸附丙酮規(guī)律。結(jié)果表明:Langmuir方程更加適合描述丙酮在改性活性炭上的吸附;經(jīng)微波輻照加熱和堿性溶液浸漬改性后，活性炭的總比表面積、孔容均減小，但微孔比表面積顯著增大;在微波輻照加熱改性中，隨著溫度升高，酸性基團(tuán)大量分解，堿性基團(tuán)逐漸形成;在堿性溶液浸漬改性后，酸性基團(tuán)被完全去除。隨著活性表面堿性基團(tuán)的增加，丙酮吸附量呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì);利用酯類(lèi)試劑浸泡-真空干燥法改性活性炭

7、，可以定向改變活性炭結(jié)構(gòu)，促使中孔比表面積減小，微孔比表面積增大，提高了活性炭捕獲吸附質(zhì)分子的能力。酯改性活性炭吸附丙酮?dú)怏w初期，會(huì)出現(xiàn)酯類(lèi)改性試劑被丙酮?dú)怏w少量置換脫附的現(xiàn)象，采用乙酸乙酯改性的活性炭(AC-ethy)在處理高濕度、低濃度丙酮?dú)怏w過(guò)程中對(duì)丙酮具有良好的吸附性能，與寧夏商業(yè)活性炭(AC-NX)相比較，在維持對(duì)丙酮具有一定吸附量的同時(shí)，吸附能力基本不受水蒸汽含量的影響。
　　(3)采用兩床五步式變壓吸附工藝，研究了固

8、定床的兩床變壓吸附處理SO2與空氣的混合氣體的動(dòng)態(tài)過(guò)程，理論分析了商業(yè)活性炭變壓吸附SO2過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)規(guī)律和脫附狀態(tài)下脫附氣的濃縮率的變化規(guī)律。結(jié)果表明:吸附床內(nèi)的壓力呈周期性變化。不同吸附高度的溫度曲線(xiàn)隨變壓吸附循環(huán)的周期數(shù)改變而變化。在實(shí)驗(yàn)條件下，傳質(zhì)區(qū)主要集中在H=0.08m-0.15m處。隨著吸附柱高度的增加，氣相組分物質(zhì)濃度逐漸降低，并且在400個(gè)周期以后開(kāi)始達(dá)到穩(wěn)定。在床層高度0.6m以上沒(méi)有SO2氣體的存在。SO2在吹

9、掃脫附階段和真空脫附階段的不同脫附時(shí)刻的脫附氣濃縮率均隨變壓吸附過(guò)程先快速升高，然后趨于穩(wěn)定。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，SO2的脫附氣濃縮率隨脫附時(shí)刻的增加而降低。所以在實(shí)驗(yàn)條件下，變壓吸附各階段的最佳時(shí)長(zhǎng)分別設(shè)為，均壓段3s，吸附段為170s，吹掃脫附設(shè)為15s，真空脫附為180s;脫附氣的SO2平均濃縮率為2。
　　(4)利用煙草工業(yè)廢棄物（煙梗）采用化學(xué)法制備高比表面積活性炭，并對(duì)活性炭進(jìn)行物性表征，探討了不同活化實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)制備活性炭

10、性能的影響，通過(guò)利用孔結(jié)構(gòu)參數(shù)分析所制備的活性炭的大孔、中孔及微孔的分布特征，同時(shí)采用所制備活性炭對(duì)丙酮進(jìn)行吸附效果的實(shí)驗(yàn)研究，考察其對(duì)丙酮為代表的有機(jī)氣態(tài)污染物的吸附效果。結(jié)果表明:在活性炭制備實(shí)驗(yàn)中，活化劑種類(lèi)和用量對(duì)所制備的活性炭的孔結(jié)構(gòu)和吸附性能產(chǎn)生重要影響。采用ZnCl2為活化劑所制備出的活性炭具有較高的比表面積;采用三種活化劑所制備的活性炭的氮吸附等溫線(xiàn)基本符合Ⅰ型吸附等溫線(xiàn)，采用D-A方程和H-K方程分別研究活性炭微孔分布

11、可知，以ZnCl2為活化劑制備的活性炭H-K法微孔分布較寬，呈多峰分布的狀態(tài)，這也說(shuō)明了其形成的微孔極為豐富其且形成比表面積最大。采用BJH方程研究活性炭中孔和大孔分布可知，以KOH為活化劑制備的活性炭所形成的中孔及大孔最為豐富，而在相同活化劑的情況下，高活化劑用量有利于中孔和大孔的形成。通過(guò)活性炭固體表面分形維數(shù)的計(jì)算得到以K2CO3為活化劑制備的活性炭表面是三類(lèi)活化劑中最粗糙，說(shuō)明該類(lèi)活性炭極小微孔＜0.6 nm含量最多。在所研究的