活性炭孔结构与正丁烷吸附性能的关系及吸附动力学研究(摘要)

刘晓敏(1.中国林业科学研究院，北京100091;2.中国林业科学研究院林产化学工业研究所，江苏南京210042)

随着我国国民经济的快速发展和由此带来的环境问题日益受到人们的关注，近年来活性炭在工业三废治理过程中，尤其是在废气治理过程中起着越来越重要的作用。气相吸附活性炭已广泛用于溶剂回收，有机废气处理，气体分离、净化，能源储存等领域。对活性炭气相吸附能力的评价，尤其是对挥发性有机气体的吸附能力的评价，目前国内外均采用丁烷工作容量(BWC)来表征活性炭气相吸附性能。而国内外关于活性炭与正丁烷吸附性能的研究报道却不多。因此，研究活性炭与正丁烷吸附性能的关系及其吸附动力学对促进我国的活性炭科研与应用领域的发展有着较大的意义。本研究的主要内容和研究结果如下:

1)首先研究了活性炭的孔结构对丁烷吸附性能的影响，结果表明:活性炭的孔结构对丁烷吸附性能的影响显著，并且存在着一定的正相关性。活性炭的比表面积越大、孔容积越大，活性炭的丁烷活性越大、丁烷工作容量越大。活性炭的丁烷吸附性能还受孔径分布的影响。对正丁烷吸附起主要作用的微孔主要集中在1.2～2 nm内;对正丁烷吸附起主要作用的中孔主要集中在2～4 nm之间，该范围的孔容积越大，其丁烷工作容量会越高。而0.5～1.0 nm以内的孔影响丁烷持附性，在丁烷活性相同时尽可能的降低该范围的孔容积，从而提高丁烷工作容量。

2)研究了改性活性炭对正丁烷吸附性能的影响，选用3种溶液作为改性剂，即分别为:KOH溶液、NaHCO3溶液和HNO3溶液，分别考察了浸渍浓度、浸渍比、浸渍时间、浸渍温度对活性炭的正丁烷吸附性能的影响，并且分别设计了正交试验，获得了最佳的浸渍制备工艺，同时借助于多种分析手段探讨了浸渍改性机理。实验表明:KOH浸渍时，各因素对活性炭正丁烷吸附性能的影响顺序为浸渍浓度＞浸渍比＞浸渍温度＞浸渍时间，最佳的制备工艺为:浸渍浓度2%、浸渍比1∶1、浸渍温度60℃、浸渍时间6 h，丁烷工作容量提高了10.7 g/L;NaHCO3浸渍时，各因素的影响顺序为浸渍浓度＞浸渍温度＞浸渍比＞浸渍时间;最佳的生产工艺为:浸渍浓度3%、浸渍比1∶1.5、浸渍时间4 h、浸渍温度80℃，丁烷工作容量提高了12.9 g/L;而HNO3浸渍时各因素对正丁烷吸附性能的影响强弱程度为:浸渍浓度＞浸渍比＞浸渍温度＞浸渍时间;但是HNO3浸渍过后的活性炭的正丁烷吸附性能均出现了不同程度的降低。

采用氮气吸附法、SEM、FT-IR、Boehm滴定法、孔径分布等手段对浸渍过后的活性炭进行表征。氮气吸附法表明浸渍后活性炭的比表面积、孔容积都有一定程度的增减;SEM分析表明浸渍作用会使活性炭的表面出现凹凸不平、裂痕、团聚现象;FT-IR和Boehm滴定法分析显示活性炭表面官能团的种类没有发生变化，而数量的变化导致吸附性能的改变;孔径分布结果显示浸渍作用会引起孔隙扩大、孔道坍塌、孔径堵塞等现象，使得孔容积发生变化，进而影响了活性炭的吸附性能。

3)最后研究了活性炭对正丁烷的吸附动力学，研究结果表明:活性炭吸附正丁烷是一个吸附与解吸并存的快速物理吸附过程;正丁烷流量显著影响活性炭的吸附速率和吸附时间，但不影响活性炭的饱和吸附量;活性炭对正丁烷的饱和吸附量随着温度的升高而降低，表明正丁烷在活性炭上的吸附为放热反应;活性炭对正丁烷的吸附动力学行为遵循班厄姆动力学方程，AC-1和AC-2的相关系数R2均大于0.99，通过班厄姆方程计算得到的qe与实验得到的qe非常接近，通过拟合可以得到理想的吸附速率方程。

活性炭孔结构;正丁烷吸附性能;吸附动力学