活性炭吸附去除揮發(fā)性甲苯

　　從空氣中去除揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)在工業(yè)中非常重要。化學(xué)和石油工業(yè)中使用的過(guò)程所排放的典型VOC包含芳烴、醚、醛、鹵化化合物等。甲苯是各種工業(yè)過(guò)程排放的最重要的VOC之一。它已廣泛用作制造油漆、油墨、橡膠、粘合劑和各種其他化學(xué)物質(zhì)的代表性溶劑。甲苯通過(guò)蒸發(fā)、泄漏和廢氣排放到大氣中。活性炭吸附是一種比較好的VOC去除方法，因?yàn)樗�具有低能耗、成本效益和高VOC去除能力，即使在低VOC濃度下也是如此。在本研究中，從植物殼中制備活性炭以生產(chǎn)用于去除氣態(tài)甲苯的吸附劑。為了引入甲苯吸附所需的孔，應(yīng)用了碳酸鉀的化學(xué)活化。這項(xiàng)工作的主要目的是評(píng)估化學(xué)活化對(duì)活性炭的氣態(tài)甲苯去除能力的影響。比較了使用和不使用K2CO3活化制備的吸附劑的甲苯去除能力。

　　活性炭材料的活化與原材料

　　使用和不用K2CO3浸漬制備的原材料末均通過(guò)加熱轉(zhuǎn)化為黑色碳質(zhì)固體。然而，產(chǎn)品收率有所不同。對(duì)于未活化和K2CO3浸漬的外殼粉末，計(jì)算的產(chǎn)率分別為26%和23% 。活性炭的低收率是常見(jiàn)的，例如，通過(guò)氣體活化獲得的活性炭的產(chǎn)率約為10%。這些低收率的原因是由于碳與各種反應(yīng)物(例如H2O、O2、CO2、K2O、K2CO3等)的氣化。當(dāng)原材料在K2CO3存在下碳化時(shí)，發(fā)生K2CO3通過(guò)碳的還原，K2CO3與碳反應(yīng)生成金屬鉀、CO和CO2。因此，損失了一些碳質(zhì)產(chǎn)品。當(dāng)K2CO3浸漬產(chǎn)品和用于碳化的石英管的內(nèi)壁與水接觸時(shí)觀察到燃燒。這種行為表明通過(guò)碳還原K2CO3形成金屬鉀。

　　圖1：未活化的活性炭原材料(A)和K2CO3活化的活性炭(B)的照片。

　　圖1顯示了1g未活化和K2CO3活化吸附劑樣品的照片。它們的體積密度明顯不同。這種差異表明K2CO3活化有效地將孔引入吸附劑中。這種通過(guò)K2CO3活化導(dǎo)致的堆積密度顯著降低是由K2CO3本身的熱分解或通過(guò)碳的還原引起的。這兩個(gè)反應(yīng)都會(huì)生成CO和CO2，并且它們有效地產(chǎn)生了孔隙，如本文后面所示。這種孔的形成導(dǎo)致表觀堆積密度的降低。吸附劑的表觀堆積密度根據(jù)重量(1g)與體積比粗略估計(jì)，該比是根據(jù)試管中顆粒層的高度和直徑計(jì)算的。

　　圖2：未活化吸附劑(A)和活性炭(B)的SEM圖像。

　　未活化和K2CO3活化活性炭的SEM圖像在圖2顯示。這兩種吸附劑的表面形態(tài)完全不同。未活化吸附劑的單個(gè)顆粒具有相對(duì)光滑的表面(圖2A)，而活性炭的顆粒具有高度多孔性(圖2B)。該結(jié)果表明活化劑活化后活性炭表面上產(chǎn)生了很多孔。從圖2B中可以看出，產(chǎn)生的孔主要分為中孔和/或大孔。

　　從空氣中去除氣態(tài)甲苯

　　未活化和活性炭的甲苯濃度與時(shí)間的關(guān)系在圖3a顯示。初始濃度約為230ppm。當(dāng)吸附劑與含有甲苯的空氣接觸時(shí)，甲苯濃度降低。觀察到的濃度變化的比較揭示了未活化和活性炭之間的明顯差異。對(duì)于未活化的吸附劑，濃度隨時(shí)間降低，但在大約180-170ppm不變。該結(jié)果表明，在暴露約60分鐘后吸附的甲苯量變得恒定。相比之下，對(duì)于K2CO3-活化的吸附劑，甲苯濃度的降低更為顯著，并且在整個(gè)觀察過(guò)程中(0-120分鐘)濃度繼續(xù)降低。該結(jié)果表明在觀察過(guò)程中甲苯吸附?jīng)]有達(dá)到平衡;在平衡狀態(tài)下，吸附在活性炭上的甲苯量可能比未活化吸附劑上的吸附量大得多。因此，活性炭的甲苯吸附能力通過(guò)用K2CO3活化而提高。甲苯吸附能力的這種增加與上述的SSA增加和通過(guò)K2CO3活化引入中孔相一致。

　　為了研究在此處使用的條件下K2CO3活化的活性炭是否可以完全去除甲苯，觀察甲苯濃度24小時(shí)。圖3b顯示了24小時(shí)觀察期間甲苯濃度與時(shí)間的關(guān)系。活性炭顯然能夠從空氣中吸附大量氣態(tài)甲苯。吸附24小時(shí)后的最終甲苯濃度非常低，僅檢測(cè)到痕量的甲苯。相比之下，當(dāng)使用未活化的吸附劑時(shí)，即使在吸附24小時(shí)后，仍有相當(dāng)數(shù)量的甲苯(160ppm)。

　　圖3：在(A)120分鐘和(B)24小時(shí)觀察未活化吸附劑(紅色)和活性炭(紫色)期間，甲苯濃度隨時(shí)間的變化。

　　使用的初始甲苯濃度(200–240ppm)遠(yuǎn)高于美國(guó)政府工業(yè)衛(wèi)生學(xué)家會(huì)議(20ppm)設(shè)定的職業(yè)閾值限值。在此處使用的實(shí)驗(yàn)條件下，活性炭能夠?qū)⒓妆綕舛冉档椭灵撓拗狄韵隆＿@些結(jié)果表明K2CO3活化可有效制備用于徹底去除揮發(fā)性甲苯的吸附劑。在本研究中，使用0.2g吸附劑來(lái)跟蹤甲苯濃度的時(shí)間過(guò)程。最大甲苯吸附容量沒(méi)有根據(jù)目前的觀察立即確定，因?yàn)樵谀壳皸l件下達(dá)到的甲苯濃度幾乎為零。

　　活性炭吸附去除揮發(fā)性甲苯，比較了活化后和未活化活性炭的甲苯吸附能力。活化后的活性炭比未活化的吸附劑吸附更多的甲苯。甲苯去除能力增強(qiáng)的原因是未活化吸附劑和K2CO3活化吸附劑之間的比表面積和中孔結(jié)構(gòu)的差異。這些結(jié)果表明，通過(guò)K2CO3化學(xué)活化可提高活性炭的甲苯吸附能力。在本案例中，活性炭能夠在24小時(shí)后將相對(duì)較高的初始甲苯濃度(220ppm)降低到幾乎為零。在目前的情況下，甲苯的主要吸附機(jī)制是甲苯分子在活性炭表面的簡(jiǎn)單物理吸附。在這種情況下，甲苯和活性炭表面之間沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此，除甲苯之外的吸附物，如苯、二甲苯和水蒸氣，也可以競(jìng)爭(zhēng)性地吸附在本工作制備的活性炭上。

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