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

　　吸附脫硫是在溫和條件下去除有害硫的可靠技術(shù)。活性炭材料具有許多優(yōu)點，并且經(jīng)常用于吸附脫硫研究，但是直到現(xiàn)在，活性炭的制作方法越來越復(fù)雜并且對于脫硫的能力有限。本期我們使用廢棄材料經(jīng)過碳酸氫鈉輔助發(fā)酵法生產(chǎn)具有高比表面積和豐富的含氧官能團的活性炭原料。與使用常用方法制得的活性炭脫硫相反，所制得的活性炭顯示出優(yōu)異的吸附性能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)戊硫醇的超深度脫硫。因此，我們提供了一種合成具有高吸附性能的吸附劑的簡單方法，并且我們期望這些吸附劑可用于工業(yè)吸附脫硫。

　　脫硫活性炭合成的方法

　　有些廢棄材料是不可生物降解的材料，因此會帶來環(huán)境問題。但是，這些問題可以通過回收和再利用來解決。以前也有人使用這種廢棄材料制備活性炭，方法包括在約500°C的溫度下對原材料進(jìn)行碳化，然后將所得樣品進(jìn)行物理活化過程，然后進(jìn)行HNO和NaOH化學(xué)活化等。另外，金屬和金屬氧化物已經(jīng)被添加到活性炭材料中以進(jìn)一步增強吸附性能。因此，為了避免引入金屬并簡化合成步驟，對合成方法的進(jìn)一步研究變得極為重要。首先，將5.05 g的廢棄材料顆粒和10.2 g的KOH研磨并混合，然后轉(zhuǎn)移到50 mL的蒸餾水中并在60°C下攪拌，該過程的目的是去除廢棄材料的表面雜質(zhì)。將獲得的樣品過濾，洗滌并干燥。然后，將得到的黑色固體與​​碳酸氫鈉分別以1：1、1：1.5和1：2的質(zhì)量比混合。最后，將所得混合物在氮氣氛下在800℃下煅燒2小時。所制備的材料標(biāo)記為活性炭1、1.5、2(圖1a)。

　　圖1 ：(a)是活性炭合成的示意圖。(b和c)活性炭和炭1.5的SEM圖像。

　　吸附脫硫?qū)嶒灉y試

　　通過將適量的戊硫醇溶解在正辛烷中來制備具有不同初始硫濃度(15、28、38和48 ppm)的模型燃料。使用類似的方法來制備含有27 ppm S的丁硫醇模型燃料。吸附過程包括將0.1 g活性炭和20 mL模型燃料添加到50 mL錐形燒瓶中，并在一定溫度下攪拌該混合物。使用氣相色譜-火焰光度檢測器確定殘留的硫濃度。

　　接下來，確定各種活性炭的吸附性能，包括使用碳酸氫鈉輔助發(fā)酵法制備的活性炭。結(jié)果在圖2中給出。炭1.5從戊硫醇中去除了較多的硫，實現(xiàn)了相對較高的吸附能力。相反，在相同的實驗條件下，沒經(jīng)過碳酸氫鈉制成的活性炭吸附能力相對較差，僅去除了23.8%的硫。被測活性炭從戊硫醇中去除的硫的百分比遵循趨勢炭1.5(99.7%)>炭1(98.6%)>炭2(79.9%)>活性炭(23.8%)。多孔吸附劑的優(yōu)異性能可歸因于路易斯酸堿，其源自活性炭中的含氧官能團，強范德華相互作用，分層多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積。

　　圖2：通過各種活性炭從戊硫醇中去除的硫的百分比。

　　基于以上結(jié)構(gòu)表征和實驗結(jié)果，得出了吸附機理。戊硫醇分子中的強路易斯酸S原子與活性炭中來自氧原子的一對電子相互作用。大孔和中孔的存在有助于活性炭的比表面積增加，暴露出更多的內(nèi)部原子，并促進(jìn)了質(zhì)量傳遞，從而使吸附劑易于與硫化物接觸。關(guān)于炭1.5的工業(yè)應(yīng)用前景，考慮了硫的初始濃度對吸附性能的影響。如圖3所示，對于初始含硫量分別為15、28、38和48 ppm的模型燃料，炭1.5的平衡吸附容量為每克吸附劑3.0、5.6、7.6和9.6 mgS。值得注意的是，在此濃度范圍內(nèi)，吸附劑的硫去除率高于97%。這組結(jié)果表明該材料對于去除低濃度的硫化物具有明顯的工業(yè)應(yīng)用價值。

　　圖3：初始硫濃度對活性炭1.5吸附戊硫醇的影響。

　　用廢棄材料經(jīng)過碳酸氫鈉輔助發(fā)酵法可用于制備活性炭，所得活性炭顯示出出色的吸附脫硫能力，可以從從戊硫醇中去除了99.7%的硫，并使用溫和的活性炭達(dá)到了幾乎完全的脫硫條件。出色的性能歸因于大孔和中孔，促進(jìn)了質(zhì)量轉(zhuǎn)移，戊硫醇分子中的強路易斯酸S原子與活性炭中氧原子對的電子相互作用。因此，該研究可為制備用于清潔燃料工業(yè)生產(chǎn)的高效吸附劑提供動力。

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