活性炭纤维湿式氧化改性对气态甲苯吸附性能的影响研究

作     者：张登峰 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曾向东

授予年度：2007年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：活性炭纤维 过氧化氢 气态甲苯 孔结构 表面化学性质 吸附 

摘      要：挥发性有机物(VOCs)主要包括低分子烃类以及氧烃类、含卤烃类、氮烃及硫烃类等,由于其严重危害人类健康和环境质量,所以,对VOCs性质的表征和控制方法的研究一直是环境科学与工程领域的热点问题之一。 VOCs控制技术可以简单分为两大类:一类称为破坏性方法,包括氧化法和生物法,氧化法又可分为直接燃烧法和催化氧化法;另一类称为回收性方法,常用的有吸收法、吸附法、浓缩法和膜分离法。其中,吸附法操作工艺简单、无二次污染、吸附剂可再生重复利用等优点而被广泛用于VOCs的控制。 吸附法中,吸附剂的选择最为关键。与传统活性炭(AC)吸附剂相比,活性炭纤维(ACFs)是一种新型高效的多功能吸附材料,具有更大的比表面积、均匀一致的纤维尺寸、石墨化结构、高强度和弹性,因而作为一种新型吸附材料,在VOCs控制中得到越来越多的应用。 但是,普通ACFs表面因其非极性和疏水性而对极性VOCs(以甲苯为例)的吸附性能并不理想。研究表明,通过对ACFs的微表面结构和孔隙结构进行修饰改性,则可改善ACFs对目标吸附质的吸附性能。 本学位论文利用过氧化氢(HO)对ACFs进行湿氧化改性,在此基础上,着重研究了改性前后ACFs孔结构性质和表面化学性质的变化及其对气态甲苯的吸附性能的影响。 (1)利用Boehm滴定法确定了不同HO浸渍浓度、浸渍pH、浸渍时间改性条件下的ACFs表面3种含氧官能团—羧基、内酯基和酚羟基的含量。 结果显示:相比原样,改性后ACFs表面3种含氧基团总量增加约1.93mm/g;HO浸渍浓度和浸渍pH对3种基团的变化影响较大;浸渍时间对改性ACFs表面3种含氧基团影响不明显;不同HO浸渍浓度和浸渍pH条件下,3种含氧基团呈现出不同的变化趋势。 (2)利用差重法,确定了不同HO浸渍浓度、浸渍pH、浸渍时间改性条件下的ACFs的质量损失率。 结果显示:浸渍浓度和浸渍时间对改性ACFs质量损失率影响较小,其中,对于不同浸渍浓度,ACFs质量损失率约为10.35%,对于不同浸渍时间,ACFs质量损失率约为8.86%;不同pH浸渍对改性ACFs质量损失率影响较大,当pH=7时,质量损失率最大为8.77%。 (3)在甲苯相对分压为0.0934,进气浓度为11.361mg/L时,利用重量法测定了3种不同因素改性样品在25℃下对甲苯的吸附穿透曲线。 结果显示:相比原样而言,所有改性样品对甲苯的平衡吸附量均有所改善,其中平衡吸附量最大可以提高42.86%;3种因素中,浓度对甲苯平衡吸附量的影响最大;随着浸渍浓度的增高,改性样品对甲苯的平衡吸附量递减;pH≤7时,样品对甲苯的平衡吸附量随着pH的升高而增大,pH7时,样品对甲苯的平衡吸附量随着pH的升高而变化较小;浸渍时间对改性样品的甲苯平衡吸附量影响不明显。 (4)对三组单因素实验中浓度分别为1.47mol/L、4.41 mol/L和8.82mol/L3种改性样品连同原样进行了低温氮吸附、程序升温脱附(TPD)和25℃下甲苯等温吸附实验。 结果表明:相比原样,3种改性样品的孔结构性质均有所改善;3种改性样品之间孔结构性质差异不明显,但是CO型含氧基团和CO型含氧基团呈现出不同的变化规律。根据给电子.受电子机理,CO型含氧基团有利于对甲苯的吸附;根据π-π色散力作用,CO型含氧基团不利于对甲苯的吸附;总体而言,改性样品对甲苯的平衡吸附量随着表面含氧基团总量(CO型和CO型含氧基团含量之和)的增大而递减。 (5)正交实验结果表明:以甲苯平衡吸附量作为评价指标,ACFs的最佳改性条件为:浓度为1.47mol/L,pH为6,时间为2h。以甲苯吸附速度作为评价指标,ACFs的最佳改性条件为:浓度为.94mo/L,pH为6,时间约2h。 (6)对于低浓度甲苯气体,ACFs是一种性能优良的吸附剂;随着进气浓度的升高,ACFs吸附甲苯的穿透时间减少;数学模型对穿透行为的仿真结果与实验数据具有很好的相合性,该模型假定吸附率和解吸率是有限的,同时在气相与吸附剂表面以及吸附剂孔隙内引入两种传质阻力;50℃下,ACFs吸附甲苯的穿透时间和总吸附时间分别达到7.5min和80min;35～50℃范围内,改性ACFs吸附甲苯的吸附热为4.2218kJ/mol。