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活性炭陶瓷复合材料的苯吸附特性
作者:管理员    发布于:2017-10-24 14:02:24    文字:【】【】【

  材料热处理学报bookmark0活性炭陶瓷复合材料的苯吸附特性林云昊,许勇进,黄满琴,涂云鑫,吴任平,于岩(福州大学材料科学与工程学院新校区,福建闽侯350108)定佳制备工艺条件。探讨该活性炭陶瓷复合材料对苯的吸附特性影响,对比分析了活性炭不同添加量、不同烧结温度及不同环境温度对材料苯吸附性能的影响。结果表明适宜的硅藻土与活性炭比值为7:3,烧成温度为800°C,此时该材料的气孔率达到52.48,体积密度为1.067g/cm3,抗压强度为10.466 MPa,碘吸附值为291.24mg/g,含炭量为25.62,苯吸附率为9.56,比表面积为290.72m2/g.活性炭陶瓷复合材料的苯醛吸附率随着活性炭含量的增加明显加大,但受外界环境温度影响较小。

  含苯有机废气主要来自石油加工、有机合成、喷漆、制鞋及各种化工生产过程中产生的有害苯系物(苯、甲苯、二甲苯)蒸汽,我国“三苯”危害比较严重,特别是在喷漆行业和制鞋行业,多次发生污染事故。目前国内外对含苯有机废气的治理技术主要有:燃烧法、吸附法、吸收法、微生物净化法和联合处理方法等。

  活性炭是含碳物质经过炭化、活化等工序处理后所制得的有强吸附作用的一种炭。活性炭具有丰富的内部孔隙结构和较高的比表面积,是一种优良的吸附材料,广泛应用于各种工业有毒废气的治理。

  中华环保基金会绿动未来项目:2007年福建省高校新世纪优秀人才支持计划项目(XSRC200747)通讯作者:于岩(1972―),女,博士,副教授,E-mail:随着社会发展和环保意识的增强,水处理、有机废气吸收等场合活性炭的需求量急剧上升,对质量与性能的要求也不断提高,由于目前的活性炭制品大多为粉状或粒状,普遍存在强度低、易碎、无法成型、寿命短,回收与再生困难,品种质量不齐等诸多问题。

  本课题组多年致力于活性炭啕瓷复合材料的研究,将不同炭源的活性炭采用一定的方法固定在硅藻土基多孔啕瓷上,制备的复合材料不仅具备多孔啕瓷的性能特点,成本低,而且复合材料再生简单易行,克服了活性炭回收困难、成本高的缺点。本文以木质活性炭为炭源制备活性炭啕瓷复合材料,并研究该复合材料在不同条件下的苯吸附性能,从而为这种复合材料在空气净化处理方面的应用提供基础数据和理论依据。

  表1不同的活性炭含量条件下所得的复合材料性能(800尤)从表1可以看出:随着活性炭加入量的增加,活性炭啕瓷复合材料的显气孔率明显升高且体积密度和抗压强度随之降低,显气孔率从10时的49.51升高到69.03,而体积密度从1.21下降到0.81g/cm3,抗压强度则从10时的22. 188下降到4.351MPa.由于活性炭的比表面积远大于多孔啕瓷的比表面积,因此碘吸附值随着活性炭含量的增加而大幅增加,从10时的94.17增加到459.10mg/g.从表1可以看出随着木质活性炭加入量的增加,复合材料的气孔率升高,体积密度降低,在加入量到30时体积密度急剧下降而气孔率和吸水率大幅升高。此后继续提高木质活性炭的加入量时这种变化幅度有所减小。同样的规律也表现在抗压强度、碘吸附值和苯吸附率上,随着活性炭含量升高,气孔率、碘值和甲醛吸附率均增大,而抗压强度、体积密度减小。综合考虑,在活性炭含量达30时,各项性能均比较适宜,所以选择活性炭含量为30的配方做后续。

  材料热处理学报K下试样的N2吸附-脱附等温线从图i可以看出,其属于典型的w型(根据IUPAC分类)吸附等温线,具有H4型迟滞环,表明活性炭啕瓷中有中孔存在。相对压力较低时(<0.3),吸附量迅速上升,表明微孔的存在并发生了微孔填充吸附,发生的吸附主要是单分子层吸附,单分子层吸附具有可逆性,正由于这个原因,这个阶段的吸附脱附曲线基本重合,不存在滞后环;随后吸附量随着相对压力的增加而缓慢增加,导致吸附平台不是呈水平状而是有一定的斜率,这主要是由于中孔的存在并在其表面发生多层吸附所致;当P/P.接近1时,由于在中孔内发生毛细凝聚作用导致吸附量又迅速上升。

  从可以看出,活性炭啕瓷的吸附量不大,大不超过160cm3/g.由BET法计算在佳配方和佳烧成温度条件下制备的木质活性炭啕瓷的比表面积为290.72m2/g,总孔容为0.2417cm3/g.为了进一步表征该活性炭多孔啕瓷复合材料的孔隙结构,从而进一步表征其吸附特性,用H-C法计算其在相对压力较小时的微孔分布情况,得到的微孔累积孔容与孔径的关系如所示,从可以看出,在初始阶段的变化幅度比较大,说明试样的微孔分布比较集中,微孔内的吸附势较为接近,所以在吸附-脱附等温线上表现为吸附量的增加幅度非常明显。

  由H-C法得到的累积孔容Fig.在佳配方和佳烧成温度下制得的试样的微孔孔径分布如所示。从中可以看出制备的木质活性炭啕瓷的微孔孔径分布较为集中,主要以孔径为0.84nm左右微孔为主,具有分子筛的特性,因此对吸附起作用的主要是活性炭的含量高低,为了提高材料的苯吸附率,应尽可能增大活性炭的含量,这与2.1中所得的数据结论一致。

  2.4活性炭啕瓷复合材料的苯吸附特性将不同活性炭含量的样品在800 C下烧成,制备活性炭啕瓷复合材料,由于环境温度的高低对甲醛的吸附量有较大影响,分别探讨各样品在20、30、40、50和60C下甲醛的吸附量,结果如所示。

  由可以看出,在同一吸附温度下,苯吸附率随着活性炭含量的增加而明显增大。而在活性炭含量一定时,随着环境温度的升高,苯吸附率也会随之由H-〈法得到微孔分布曲线吸附温度对苯吸附率的影响略有增大。但增大的幅度并不明显。因此吸附温度对苯吸附率的影响不大,从而验证了2.3的分析结果。

  2.5活性炭啕瓷复合材料的微观结构C烧成的活性炭样品,经表面处理,喷金等做扫描电镜分析,结果如所示。

  从(a)和5(b)中都可以清晰的看出硅藻土的柱笼状结构,虽然部分笼状结构塌陷,但仍保持多孔骨架,活性炭可以填充在孔的内外壁,有效增加活性炭陶瓷复合材料的扫描电镜图Fig.5SEMimagesofactivatedcarbon了活性炭的负载量,该活性炭啕瓷复合材料以硅藻土多孔啕瓷为骨架,活性炭填充于孔隙中,既保证了材料的多孔特性,具有较高的比表面积和较好的吸附特性又保证了活性炭和啕瓷基体之间紧密结合,增加了材料的强度,为其反复回收再生使用提供了可能。

  3结论活性炭含量和烧成温度的高低直接影响活性炭啕瓷复合材料的各项性能指标,综合分析确定活性炭与硅藻土适宜配料比为3:7,800C为适宜的烧成温度,此时该材料的气孔率达到52.48,体积密度为1.067g/cm3,抗压强度为10.466MPa,碘吸附值为291.24mg/g,含炭量为25.62,比表面积为290.72m2/g,苯吸附率为9.56.该木质活性炭啕瓷的微孔孔径分布较为集中,主要以孔径为0.84nm左右微孔为主,对苯吸附起主要作用,活性炭啕瓷复合材料的苯吸附率随着活性炭含量的增加明显加大,但受外界环境温度影响较小。

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