活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭去除甲醇介質中的苯

　　揮發性有機化合物(VOC)排放量的增加離不開迅速發展的工業，苯毒性比較強、易揮發、溶解性很強的VOC之一，很容易被引入水體。在石化行業的許多排放物都會用苯污染生態系統。此外，地下儲油罐泄漏和油井、煉油廠和運輸泄漏等自然事故增加了這種物質在環境中的存在。吸附技術是去除空氣中VOC 污染的最有前途的方法之一，因為它們簡單、便宜且節能，吸附劑一般用的特制的活性炭。基本處理方法經過了三個步驟相結合的方法從甲醇介質中去除苯。該技術包括使用活性炭 進行吸附、使用甲醇解吸以獲得高濃度溶液以及使用特殊電極對其進行電化學處理。

　　電化學氧化

　　制備含有300mg/L-1苯的甲醇溶液和含有50mmol/L-1電解質(H2SO4)的水介質，以確定污染物的去除效率。初始pH值約為1.5，在電化學過程測試期間未觀察到顯著變化。使用包含電極作為陽極和鈦板作為陰極的單隔室壓濾流動池(在圖1中詳細表示)進行電解，其具有13.5cm2的明顯幾何面積。兩個電極由墊片隔開，距離為4毫米。使用含有1L溶液的夾套玻璃容器，蠕動泵以1L/min-1的速度將溶液泵入熱交換器，然后循環通過電池。使用恒溫浴將溫度控制在25℃。在恒電流模式下以50mA/cm-2的電流密度進行電解。使用前，將陽極在H 2 SO4/0.05mol/L-1溶液中以40mA/cm-2極化20分鐘， 以從其表面去除任何雜質。電化學實驗一式三份進行。

　　圖1：實驗測試裝置。

　　吸附能力測試

　　苯在甲醇或純水作為溶劑的樣品評估活性炭的吸附能力。苯溶液與不同量的活性炭(從0.01到0.50g)混合以獲得不同的吸附曲線。實驗在250mL的密封硼硅酸鹽玻璃瓶中進行，并置于25℃的恒溫浴中。將溶液在180rpm 的磁力攪拌下保持48小時以確保達到熱力學平衡。解吸測試以類似的程序進行：過濾水溶液，將吸附的含有苯的活性炭與30mL甲醇混合。零電荷點(pHpzc)的pH值由pH漂移法確定。

　　活性炭的實際吸附效果

　　活性炭對苯在水溶液中的吸附測試結果。從圖2a 中可以看出，在最少數量的活性炭的情況下大約5小時的實驗后達到熱力學平衡，而對于含有大量吸附劑的瓶子，在2.5小時后達到熱力學平衡。正如預期的那樣，增加活性炭的量會降低平衡時的濃度。值得注意的是，在氣相中也達到了熱力學平衡(圖2b)，遵循相同的溶液曲線。有趣的是，氣相和液相中的濃度是成比例的。當使用0.500g活性炭時，苯的最大吸附量接近25mg，如在圖2c，0.010g活性炭的最小用量為15mg。

　　圖2：苯濃度隨水溶液(a)氣相苯濃度 (揮發) (b) 和吸附在活性炭中的苯質量 (c) 在不同活性炭的水溶液中的吸附測試期間衰減。

　　在甲醇溶液中進行的實驗的情況下，在添加的任何不同量的活性炭中吸附的苯量為零。事實上，在分析化學實驗室中，甲醇通常用于從活性炭中解吸有機物，并且對結果的分析證明，這種溶劑可以非常有效地從活性炭中解吸苯。值得注意的是，在甲醇溶液的情況下，氣相中苯的量比在水介質中進行的實驗要少得多。在甲醇溶液中，氣相中的濃度與水溶液中的濃度一樣低。除此之外，水溶液中兩種濃度之間的比例是顯而易見的。考慮到這些結果，在甲醇介質中對苯進行電化學處理是非常有前景的，因為較少量的苯可以進入大氣。

　　苯在水中和甲醇中的等溫線(吸附在活性炭上的苯量 (qe ) 與溶液中苯的平衡濃度(Ce)的關系)如圖3a所示。在水中的保留能力大于在甲醇中的保留能力。這意味著甲醇是一種非常好的溶劑，可以將吸附在活性炭上的苯從污染的水中解吸出來，從而生成高濃度的溶液。這在使用甲醇的解吸測試中得到證實，如圖3所示。用甲醇非常迅速地從活性炭中解吸全部量的苯，經過6小時的實驗，解吸步驟達到熱力學平衡。這意味著污染物可以在甲醇中預先濃縮，這種溶液可以在以后用于降解污染物。這項技術已被證明是非常有用的。

　　圖3：苯在水和甲醇中的吸附等溫線(a)和苯(b)在0.030L甲醇中不同量的活性炭中的吸附等溫線。左軸甲醇上的苯濃度和右軸活性炭中剩余的苯質量。

　　活性炭去除甲醇介質中的苯，用實際證明了這三種組合工藝處理受苯污染的廢水的可行性。主要結論如下，甲醇溶液中的活性炭上沒有苯吸附。這證明甲醇是一種非常好的解吸污染物的溶劑。通過加熱步驟將污染物脫附后，活性炭可以回收再利用，并且該過程在經過三個吸附/脫附步驟后其吸附能力沒有變化。用甲醇解吸后，得到高濃度污染物的溶液。該溶液可以通過電化學過程進行有效處理，通過礦化和轉化為其他副產品去除大部分污染物。考慮到動力學，電化學處理從甲醇溶液中去除苯的性能與在水中的處理沒有太大差異，但能耗更大。此外，如果在電解中使用非水溶劑，則生產高附加值產品可能是礦化的有希望的替代方案。

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