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

　　活性炭載異丙醇的超聲再生

　　電子工業(yè)在近代發(fā)展中是比較重要的，但是會(huì)產(chǎn)生含有各種有機(jī)溶劑的廢水。這包括異丙醇，它是通過(guò)活性炭吸附法從排放到環(huán)境中之前回收。活性炭由于其微孔特性，高表面積和表面化學(xué)性質(zhì)，通常被用作低濃度有機(jī)污染物如異丙醇的吸附劑。隨著活性炭吸附越來(lái)越多的被吸附物，就會(huì)達(dá)到飽和點(diǎn)。這個(gè)時(shí)候就需要解吸吸附來(lái)進(jìn)行活性炭的再生，不然只能將飽和的活性炭掩埋或焚燒處理。這項(xiàng)研究的目的是測(cè)試活性炭負(fù)載異丙醇超聲再生的可行性和有效性，進(jìn)行了4個(gè)循環(huán)的吸附-解吸測(cè)試，以測(cè)試多個(gè)循環(huán)的再生效率。

　　活性炭對(duì)異丙醇的吸附

　　異丙醇在水溶液中的吸附是在裝有雙圓柱形夾套，等溫控制器和熱電偶的500mL玻璃燒杯中進(jìn)行的，以將溶液溫度保持在25±1°C。將反應(yīng)器放置在磁力攪拌板上以提供300rpm的混合。使用HCl和NaOH溶液將溶液pH調(diào)節(jié)至3.0、5.0、7.0和9.0的最終pH。其他參數(shù)是初始異丙醇濃度為1000mg/L，溶液500mL，活性炭5g和操作時(shí)間180分鐘。通過(guò)在確定的時(shí)間間隔內(nèi)取1.0mL等分試樣來(lái)監(jiān)控所有實(shí)驗(yàn)溶液中異丙醇的濃度，然后對(duì)其進(jìn)行分析。

　　異丙醇飽和活性炭的超聲波再生

　　在水溶液中使用批處理系統(tǒng)對(duì)異丙醇飽和的活性炭進(jìn)行超聲波再生如圖1所示。反應(yīng)器本身類似于吸附實(shí)驗(yàn)中使用的反應(yīng)器。將超聲探頭浸入裝有500mL蒸餾水和10.0g異丙醇飽和活性炭的反應(yīng)器中。在異丙醇飽和活性炭的超聲再生過(guò)程中，定期取樣1.0mL樣品進(jìn)行異丙醇濃度分析。完成超聲波再生實(shí)驗(yàn)后，通過(guò)過(guò)濾從溶液中分離出活性炭，并在空氣中干燥以進(jìn)一步應(yīng)用。研究了超聲強(qiáng)度，水溫，乙醇添加和再生周期對(duì)超聲再生的影響。分析活性炭的粒徑以測(cè)量超聲再生期間活性炭的斷裂。進(jìn)行多次吸附和再生循環(huán)以檢查活性炭的再生效率。在多周期測(cè)試中，與在初始運(yùn)行中吸附的異丙醇相比，使用了在連續(xù)吸附中吸附的異丙醇的量。分析活性炭的粒徑以測(cè)量超聲再生期間活性炭的斷裂。進(jìn)行多次吸附和再生循環(huán)以檢查活性炭的再生效率。在優(yōu)化過(guò)程中，再生是通過(guò)解吸的異丙醇分?jǐn)?shù)來(lái)量化的。

　　圖1：飽和活性炭超聲再生的實(shí)驗(yàn)裝置。

　　活性炭的性質(zhì)

　　通過(guò)酸洗的活性炭和活性炭在顯示圖2中，SEM成像還透露，酸洗除去的雜質(zhì)，從而產(chǎn)生的孔結(jié)構(gòu)具有一個(gè)看似光滑的表面。與原始活性炭相比，酸洗活性炭的比表面積和總孔體積略大。這可能是在酸洗過(guò)程中去除了其他化學(xué)物質(zhì)(例如氧氣)的影響。然而，酸洗似乎對(duì)活性炭的孔徑幾乎沒(méi)有影響。原始活性炭和新鮮活性炭的平均孔徑表明，絕大多數(shù)孔都屬于微孔范圍。

　　圖2：活性炭，酸洗活性炭和再生的活性炭在1000x放大倍數(shù)下的SEM圖像。

　　發(fā)現(xiàn)在測(cè)試中，確定合適操作條件是24.5W/cm2的超聲強(qiáng)度，45°C的溶液溫度和10%(v/v)的乙醇濃度，再生效率為82.9%。在四個(gè)吸附和解吸循環(huán)中再生效率從第一次循環(huán)后的83%逐漸降低到第二次，第三次和第四次循環(huán)后的81%，71%和64%。相比之下，通過(guò)分解技術(shù)，一次再生后可實(shí)現(xiàn)更高的再生率，從96%提高到3個(gè)再生周期后達(dá)到約94%。雖然這是活性炭的高度再生，但異丙醇遭到破壞，無(wú)法再利用。這種減少可以歸因于不同的原因，例如由于在再生過(guò)程中未完全除去吸附物而逐漸阻塞了多孔結(jié)構(gòu)。在本研究中重復(fù)使用后，觀察到減小了粒徑，增加了再生活性炭的重量損失，這也可能導(dǎo)致吸附效率下降。使用掃描電子顯微鏡(SEM)來(lái)識(shí)別超聲對(duì)活性炭表面形態(tài)的影響。

　　活性炭載異丙醇的超聲再生，異丙醇吸附測(cè)試的最佳pH為7.0。這非常接近活性炭的零電荷點(diǎn)(6.7)，這表明異丙醇分子上的羥基與活性炭表面上的氧基之間的氫鍵是吸附機(jī)理的關(guān)鍵部分。較高的超聲強(qiáng)度導(dǎo)致更多的異丙醇脫附，但也導(dǎo)致活性炭的更大磨損，合適強(qiáng)度為24.5W/cm2。當(dāng)溫度升高到45°C時(shí)，再生效率會(huì)提高，但為了保護(hù)超聲探頭，再生效率并未超過(guò)。乙醇提高了異丙醇飽和活性炭的再生效率，但是較高的乙醇濃度降低了異丙醇的解吸。在這些循環(huán)之間觀察到再生活性炭的表面形態(tài)相似，但是表面積和總孔體積降低。在合適的條件下活性炭的再生效率為83%，經(jīng)過(guò)兩個(gè)，三個(gè)和四個(gè)再生循環(huán)后，該再生效率分別降至81%，71%和64%。證明了活性炭載異丙醇的超聲波再生是可行的，再生效率與目前的技術(shù)差不多，但是成本上有一定的優(yōu)勢(shì)。

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