活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　活性炭微波處理后吸附苯蒸汽

　　揮發(fā)性有機化合物(VOC)是多種碳基化學(xué)物質(zhì)，很容易蒸發(fā)到大氣中。它們的來源多種多樣，包括工業(yè)過程、燃燒、油漆、清潔產(chǎn)品和溶劑。VOC對環(huán)境和人類健康都有重大影響。它們會導(dǎo)致地面臭氧和空氣污染的形成，進而導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)問題、頭痛和長期健康問題。控制VOC排放對于環(huán)境保護和空氣質(zhì)量管理至關(guān)重要。苯蒸氣是VOC的一種，是無色芳香烴苯的氣態(tài)形式。它是從各種工業(yè)過程、車輛排放甚至香煙煙霧中釋放出來的。即使苯蒸氣含量很低，也會造成嚴重的健康風(fēng)險。吸附是一種領(lǐng)先的VOC減排技術(shù)，可有效吸附VOC并將其保留在固體表面上，防止其釋放。它對各種吸附劑的適應(yīng)性和易于實施確保了廣泛的應(yīng)用。由于可用于吸附的表面積很大，活性炭過濾等方法擅長去除一系列揮發(fā)性有機化合物。

　　微波處理制造活性炭

　　活性炭的制造遵循圖1中概述的實驗設(shè)置。該過程包括兩個步驟：微波處理和馬弗爐加熱。首先，將原材料研磨至-500±350μm的粒徑，用蒸餾水清洗，并在80℃下干燥。在活性炭化學(xué)活化方法中，將3克磨碎的原材料與溶解在2毫升蒸餾水中的3克ZnCl2活化劑混合。將活化劑浸漬到原材料中是在微波環(huán)境中進行的。在馬弗爐中的化學(xué)活化過程中，將浸漬樣品在氮氣(N2)氣氛中在500℃的活化溫度下加熱45分鐘，從而制備活性炭。獲得的活性炭用0.5M/HCl洗滌，然后用熱蒸餾水沖洗，直至pH值達到6-7。在活性炭制造過程中，評估了浸漬率、微波中不同氣體、微波功率和微波持續(xù)時間的影響。然后將在最佳條件下獲得的活性炭用于苯蒸氣的動態(tài)吸附。

　　圖1：微波處理活性炭制造實驗裝置示意圖。

　　活性炭的表征

　　微波處理后活性炭的結(jié)構(gòu)和形貌特征(浸漬率=100%，微波環(huán)境中氣體為CO2，​​微波功率=500W，微波持續(xù)時間=10分鐘，活化溫度=500℃，活化時間=45分鐘)通過SEM、FTIR和BET分析進行評估。圖2顯示了原材料、無微波輔助生產(chǎn)的活性炭和微波處理活性炭的SEM圖像。如圖2a所示，原材料的表面通常具有低孔隙率和低粗糙度的特征。相比之下，活性炭的表面是多孔且更光滑的，表明與原材料相比，活性炭的表面更多孔且更光滑(圖2c)。這一觀察結(jié)果表明微波能量增強了活性炭的微孔結(jié)構(gòu)。與活性炭相比，處理后的活性炭的微孔結(jié)構(gòu)更加明顯，表明活性炭具有豐富的微孔(圖2b，c)。

　　圖2：原材料(a)、活性炭(b)和處理后的活性炭(c)的SEM照片。

　　苯吸附的模型驗證、操作因素的影響和優(yōu)化研究

　　在此階段，我們利用RSM中的Box-Behnken實驗設(shè)計方法來實驗設(shè)計和優(yōu)化影響苯吸附過程的操作因素，例如接觸持續(xù)時間、入口濃度和溫度。使用提出的二級二次回歸模型對苯吸附進行方差分析。該分析通過評估各種參數(shù)的充分性來評估實驗數(shù)據(jù)和預(yù)測模型之間的一致性。計算出的臨界F值為983.69，表明該模型相對于實驗結(jié)果具有實質(zhì)性的代表性和有效性。此外，偶然獲得如此顯著F值的概率僅為0.01%，增強了模型的可靠性。P值用于指示模型項的顯著性。低于0.0500的值表示模型項的重要性，而高于0.1000的值表示不顯著。方差分析結(jié)果顯示，接觸時間的F值最高(6255.62)，P值較低(<0.0001)，證實了其作為苯吸附最重要影響因素的顯著地位。理想情況下，在開發(fā)的模型中，預(yù)測的R2和調(diào)整的R2值之間的差異應(yīng)小于0.2。得到的苯吸附預(yù)測R2值為0.988和調(diào)整后的R2值為0.998，通過實驗數(shù)據(jù)驗證了模型的適用性。此外，為了評估模型的可靠性，對苯吸附能力(q)的實際值和預(yù)測值進行了比較(圖3d)。結(jié)果顯示這些值之間非常一致，證實了所提出的苯吸附模型的準確性。

　　圖3：3D響應(yīng)曲面圖說明了雙自變量的綜合影響(a)接觸持續(xù)時間與入口濃度(x1—x2)、(b)接觸持續(xù)時間與溫度(x1—x3)和(c)入口濃度與溫度(x2—x3)和(d)比較苯吸附的實際吸附容量(q)和預(yù)測吸附容量(q)的圖。

　　圖3說明了操作變量，即接觸時間(x1)、入口濃度(x2)和溫度(x3)對苯吸附能力(q)的影響。觀察圖3a，很明顯，在恒溫下，接觸時間或入口濃度的增加獨立地導(dǎo)致吸附容量的增加。進行的方差分析特別強調(diào)接觸持續(xù)時間是該過程中更重要的決定因素。此外，還發(fā)現(xiàn)入口濃度將吸附能力提高到約18ppm，超過此值沒有發(fā)生顯著變化，這表明吸附劑表面的活性位點被苯蒸氣飽和。在圖3b中，趨勢顯示苯吸附能力隨著接觸時間的延長而增加，但隨著溫度的升高而下降。鑒于氣體吸附的放熱性質(zhì)，預(yù)計溫度與吸附之間呈負相關(guān)。方差分析結(jié)果證實了溫度對過程的顯著影響，類似于接觸持續(xù)時間。圖3c顯示吸附能力隨著溫度的升高而降低，而入口濃度沒有觀察到顯著變化。這些結(jié)果強調(diào)了溫度對入口濃度的影響更大，這與方差分析結(jié)果一致。

　　活性炭的再生和再利用

　　吸附劑的可重復(fù)使用性和吸附穩(wěn)定性在評估所開發(fā)方法的實際適用性方面起著至關(guān)重要的作用。事實上，吸附劑的可重復(fù)使用性能是實際應(yīng)用的首要標準，并影響吸附過程的總體成本。活性炭苯蒸汽吸附的再利用效率是在五個連續(xù)的回收循環(huán)后確定的。如圖4所示，經(jīng)過五次連續(xù)回收過程后，活性炭苯蒸氣的再利用效率為86.54%。強大的可重復(fù)使用性和吸附穩(wěn)定性表明活性炭吸附劑和苯吸附物之間存在范德華力或π-π相互作用。相反，不完全的再生過程可歸因于吸附表面上永久鍵的形成，導(dǎo)致吸附基團的不可逆轉(zhuǎn)化。換句話說，一些在再生過程中未解吸的化學(xué)結(jié)合吸附物可能會堵塞孔隙，導(dǎo)致殘留物形成。

　　圖4：活性炭苯蒸汽吸附的可重復(fù)使用性和吸附穩(wěn)定性。

　　在活性炭微波處理后吸附苯蒸汽的研究中，使用ZnCl2活化劑成功地制備了活性炭，并證明了其消除苯蒸氣(VOC)的有效性。制造過程涉及對各種因素的綜合研究，包括浸漬比、微波環(huán)境中的氣體、微波功率、微波持續(xù)時間、活化溫度和活化時間。最佳條件產(chǎn)生了1250mg/g的顯著碘值。通過SEM、FTIR和BET分析對優(yōu)化后的活性炭的結(jié)構(gòu)和形態(tài)特性進行了全面評估。1200m2/g的顯著BET表面積凸顯了所開發(fā)的活性炭作為吸附劑的有效性。苯在優(yōu)化的活性炭上的動態(tài)吸附過程，在接觸時間為79分鐘、入口濃度為17.50ppm時，最大吸附容量為568mg/g，溫度為26℃。結(jié)合準二級動力學(xué)模型和Langmuir、Freundlich和Dubinin-Radushkevich等溫線模型的結(jié)果，活性炭對苯蒸氣的吸附過程中同時存在化學(xué)吸附和物理吸附。經(jīng)過連續(xù)五次回收過程后，活性炭對苯蒸汽的回收效率達到86.54%。這些結(jié)果強調(diào)了活性炭作為各種工業(yè)應(yīng)用中VOC處理候選者的巨大潛力，突出了其在吸附過程中的效率和多功能性。活性炭的成功制造和優(yōu)化使其對環(huán)境修復(fù)和工業(yè)污染控制領(lǐng)域做出了寶貴的貢獻。

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