活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭對三氯乙烯蒸氣的吸附和解吸

　　三氯乙烯是一種氯化的VOC，廣泛應用于汽車和從金屬部件油漆行業作為溶劑，以除去油脂和也作為原料來制備其它化學品，特別是在制冷劑的HFC-134a。在使用過程中，三氯乙烯會蒸發，其蒸氣會造成樣子污染。由于是持久性且不可生物降解的污染物，所以處理和回收非常重要，活性炭可用于此目的。本次我們使用活性炭進行了三氯乙烯蒸氣的吸附和解吸測試。

　　活性炭被認為是用于除去有機化合物的效果好的吸附劑之一，由于其高表面積，疏水性，易得性，廣泛的孔徑分布，和孔體積。不同形態的活性炭，例如活性炭纖維，活性炭單塊，活性炭床，碳納米管等。三氯乙烯和其他VOC以蒸氣形式的吸附。三氯乙烯的非極性性質使其易于吸附在疏水性和非極性活性炭上。

　　三氯乙烯在活性炭上的吸附

　　吸附實驗裝置在圖1顯示。使用BET表面積分析儀進行吸附實驗，以獲取三氯乙烯-空氣混合物在活性炭上的吸附等溫線。吸附實驗是通過容積法在內徑為10mm，高度為160mm的玻璃柱中進行的，其中包含固定量的活性炭(50-60mg)。玻璃柱通過閥門連接到壓力傳感器，以測量被吸附氣體的壓力。混合有作為載氣流的空氣的三氯乙烯在氣體混合物壓力升高的情況下通過玻璃柱中的活性炭樣品。使用加熱罩保持將在其上進行吸附的活性炭的內部溫度。傳感器記錄了系統的溫度。通過將干燥的壓縮純凈空氣與已知數量的三氯乙烯混合，可以制備三氯乙烯蒸氣和空氣混合物。使混合物在接收器儲罐中沉降(1小時)。使用校準的光電離檢測器測量三氯乙烯的濃度。當在相當長的一段時間(0.5小時)內觀察到穩定的讀數時，三氯乙烯進入表面積分析儀設置。氣體在初始加載壓力下加載，因此通過閥門注入玻璃塔。當達到樣品上所需的壓力時，將閥門停止，并在預設的時間間隔后測量殘留壓力。同樣，在指定的時間間隔內通過實驗測量樣品上的增加壓力，以計算樣品達到飽和壓力之前吸附的三氯乙烯的量。使用表面積分析儀軟件，使用真實氣體的方程，根據初始和最終摩爾數之間的差，使用表面積分析儀軟件計算樣品上吸附的摩爾數。吸附等溫線研究采用不同的參數進行，例如活性炭的粒徑(710、500和355μm)，三氯乙烯在空氣中的初始濃度(100、150、200和250ppm)以及溫度等。活性炭床(30、50和100°C)以優化吸附條件，從而提高效率。

　　圖1：活性炭吸附三氯乙烯過程實驗裝置的示意圖。

　　三氯乙烯蒸汽濃度對活性炭吸附的影響

　　為了確定三氯乙烯初始濃度在進料流中的影響，研究了100、150、200和250ppm的濃度。維持其他實驗條件，活性炭顆粒大小為355μm，床溫為30°C，活性炭重量為50mg。入口濃度為100、150、200和250ppm時的吸附容量分別為523.252、575.844、593.181和624.044mg/g。隨著入口三氯乙烯濃度的增加，在壓力增加的情況下，活性炭的吸附容量顯示出穩定的增加。在較高濃度下，隨著壓力的增加，吸附容量的增加可能是由于相鄰分子與微孔中的層內分子粘附所致。這導致形成粘附在吸附劑表面上的層內分子的相鄰三氯乙烯分子堆疊。三氯乙烯分子的平面形狀的動力學直徑為6.6。因此，它會積聚在活性炭的微孔/中孔上。在活性炭的微孔區域中具有大孔體積的情況下，假設縫隙形狀的孔幾何形狀，則期望對活性炭上的三氯乙烯具有高親和力。在低濃度(0-8000μg/L)的活性炭上進行了三氯乙烯的吸附，在室溫下吸附量為160mg/g。

　　圖2：改變進氣中三氯乙烯的初始濃度對活性炭吸附能力的影響。

　　三氯乙烯從活性炭中解吸

　　使用儀器以40mL/min的氮氣流速進行廢活性炭樣品的熱重差熱分析(​。同步熱分析儀可以測量−150至2400°C之間的質量變化和熱效應。該設備允許高樣品負載(最大35g)和測量范圍(35g)以及高分辨率(0.1μg)和低漂移。存在兩個易于更換的相同坩堝。將樣品裝入其中一個坩堝中，并在樣品進行溫度掃描時，由相關軟件記錄樣品質量與參考時間之間的溫差隨時間或溫度的變化。受控的氣體。微量天平與坩堝相連。有兩個吹掃端口可提供所需的受控氣氛(惰性，氧化，還原等)。分析過程中出現的氣體隨著該吹掃氣體的連續流動而被排出。排出的三氯乙烯穿過傳感器以測量間歇濃度，分析過程中出現的氣體隨著該吹掃氣體的連續流動而被排出。

　　不同濃度的三氯乙烯蒸氣加載的活性炭樣品的解吸在圖3顯示。吸附的三氯乙烯濃度較高(250ppm)的樣品顯示出更快的解吸。但是，隨著三氯乙烯吸附濃度的降低，解吸曲線變得不那么陡峭。同樣，對于較低濃度的吸附樣品，完全脫附所需的時間相對較長。三氯乙烯分子和活性炭表面之間的作用力弱，導致快速和容易的解吸，這表明了吸附的物理性質。三氯乙烯在較高溫度下的解吸可能會導致發生某些氧化，這可能會造成污染，從而影響其可重復使用性。活性炭的粒徑對三氯乙烯殘留量的影響。由于微孔體積的增加，粒徑355μm的質量損失(49.093%)比其他兩種粒徑(分別為32.295和31.103%)高。由于對于355μm活性炭的吸附容量較高，因此預計脫附會更高。在低于350°C的溫度下獲得了三個樣品的完全失重。解吸溫度主要取決于VOC的沸點及其揮發性。同樣，對于樣品中較高的三氯乙酸濃度，完全脫附所需的溫度和時間也會很高。

　　圖3：載有不同濃度三氯乙烯的活性炭樣品的解吸。

　　活性炭對三氯乙烯蒸氣的吸附和解吸特性。據觀察，物理化學以及操作條件影響活性炭的吸附能力。還研究了粒徑(以及表面積)對活性炭吸附容量的影響。觀察到，由于增加了微孔體積，減小的粒度顯示出更好的吸附。進口處空氣中三氯乙烯的初始濃度增加會增加吸附能力，這表明活性炭的可用孔體積對于低三氯乙烷的三氯乙烯去除效果令人滿意。溫度的升高表明活性炭的吸附能力降低，證實了吸附的放熱性質。觀察到活性炭在100°C的吸附容量最小。活性炭整個吸附過程是可逆的。確定了活性炭完全脫附和再生所需的時間(35分鐘)和溫度(350°C)。此外，吸附的三氯乙烯蒸氣從活性炭顆粒中解吸出來，發現使用活性炭顆粒可以完全回收三氯乙烯蒸氣。因此，活性炭顆粒床對于從其工作氣體中回收三氯乙烯蒸氣效果很好，可將蒸氣濃度保持在允許的范圍內，并保持清潔的環境，并通過完全解吸活性炭來防止溶劑損失三氯乙烯蒸氣。

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