活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭對油煙的吸附性能，很多餐飲業油煙中包含許多致癌物質如醛和多環芳香烴。一般用生物洗滌和催化劑來進行烹調油煙凈化，但復雜的操作條件和昂貴的成本是其主要的缺點。因此，迫切需要一種簡單好用的降解和處理油煙的方法。活性炭由于其獨特的性能被廣泛應用，良好的孔結構和高的比表面積在在處理廢氣行業中大量使用。

　　油煙處理用活性炭是使用磷酸作為活化劑，并用微波加熱從生物質中制得活性炭。或者通過熱解碳化，然后在氮氣氛下活化生物質并用KOH活化來制備吸附劑。這種活性炭吸附劑可以很好地從水溶液中吸附六價鉻。

　　油煙吸附活性炭的制備和改性

　　在典型的實驗程序中，首先用水清洗農業廢料生物質，然后在12°C的烤箱中干燥12小時。然后，將干燥的生物質以1∶3的重量比加入到60%的磷酸溶液中。將混合物置于箱型電阻爐中以在10℃每分鐘的加熱速率下在500℃下碳化和活化2小時。當其冷卻至室溫時，收集產物并用去離子水洗滌直至溶液的pH接近中性。最后，將產品干燥并存儲在名為活性炭0的樣品袋中。

　　改性試劑是由FeSO4·7H2O和H2O2的制備溶液，并將溶液的pH值調節至3。將活性炭-0浸入改性試劑中，并在室溫下放置過夜。將所得產物用去離子水洗滌至中性，并在烘箱中于50℃干燥，并將相應的樣品稱為活性炭-1。

　　烹飪油煙中污染物的濃度測量

　　如圖1所示，在裝滿5g顆粒活性炭的采樣管的入口和出口處收集3分鐘的模擬烹飪油煙樣品。采樣重復3次。取出樣品管中的顆粒活性炭，轉移到燒瓶中，并使用超聲儀用15mL四氯化碳洗滌5分鐘。收集清潔液并將其轉移到另一個燒瓶中(標記為A)。用10mL四氯化碳再次洗滌顆粒活性炭，并收集清潔液并將其轉移到燒瓶A中。

　　圖1：用生物質，活性炭0和1處理烹飪油煙的實驗設備示意圖。

　　實驗后結果與分析

　　圖2顯示了生物質、活性炭0和1對烹飪油煙的吸附穿透曲線。生物質、活性炭0和1的滲透時間分別為0.9、2.1和4.1小時，這表明活性炭1的作用時間在被測材料中較長。烹飪油煙的生物質、活性炭0和1的吸附量。烹飪油煙的生物質、活性炭0和1的吸附量分別為6.43、22.58和44.04mg/g，這表明活性炭1的吸附量比較大。因此，活性炭1表現出比活性炭0更好的吸附性能。

　　圖2：烹調煙氣的不同吸附劑的吸附穿透曲線。

　　進行了GC-MS分析，以鑒定生物質、活性炭0和1對烹飪油煙的吸附成分。發現烹調油煙的主要成分是醛和取代烯烴。我們分別對八家餐館排氣醛和酮進行了系統的研究，并發現，醛和酮(C1-C9)的濃度范圍和百分比C1-C3的比例高于40%。吸附分析表示活性炭1對所有油煙成分均表現出較好的吸附能力，這是由于改性試劑的影響導致了主要的化學吸附性能。但是，活性炭對醛的吸附能力比對取代烯烴具有更好的吸附能力。這是因為醛化合物是一類具有很強化學反應性的揮發性有機化合物，很容易被活性炭吸附。

　　為了進一步研究活性炭的吸附行為，通過比表面積和孔分析儀，SEM和FTIR對活性炭的形態和結構進行了表征。活性炭比表面積和多孔結構，與活性炭0相比，活性炭1的比表面積和孔體積減少，孔徑略有增加，這是因為用改性試劑處理后，CO2的部分多孔微結構因H2O2的氧化而坍塌了。圖3顯示活性炭的SEM圖像。大量物質被吸附在表面或填充在活性炭1的孔中(圖3(c1-c2))，這證明了活性炭1的比表面積和孔體積的減少。

　　圖3：三種材料的SEM圖像。生物質(a);活性炭-0(b);活性炭-1(c1)-(c2)。

　　與活性炭-0相比活性炭-1具有更好的吸附能力，因為它富含羰基和羧基，可以與蒸煮煙氣中的羧酸和醇反應以提高活性炭-1的吸附能力。而且，在活性炭-1的制備過程中，HO，Fe3+，Fe2+和H2O2等某些物質可能殘留在活性炭的孔的表面或內壁上。這些物質可以氧化和分解吸附在活性炭表面的大多數油煙污染物，從而提高活性炭的吸附能力。

　　為了處理油煙我們成功研發了一款活性炭，該活性炭被磷酸活化，然后調配的試劑進行改性，并研究了對烹飪油煙的吸附性能。結果表明，改性后的活性炭吸附效果好。活性炭的優異吸附性能是由于改性后在表面上產生了大量的羰基和羧基。基于相似的相容性原理，分析了活性炭對不同類型油煙污染物的吸附效果。發現對強極性官能團的吸附作用遠大于對弱極性基團的吸附作用。與鐵硅酸鹽MEL沸石相比，活性炭在烹飪油煙的吸附方面也表現出更好的性能。

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