改性微孔-介孔多级孔碳材料的制备及其甲苯吸附性能

闫 茜， 刘 芳， 高 雅， 樊丰涛，段成龙， 赵朝成， 孙 娟， 刘春爽

(1.中国石油大学 化学工程学院, 山东 青岛 266555; 2.中国石化青岛安全工程研究院 环境保护研究室， 山东 青岛 266071)



改性微孔-介孔多级孔碳材料的制备及其甲苯吸附性能

闫 茜1,2， 刘 芳1， 高 雅1， 樊丰涛1，段成龙1， 赵朝成1， 孙 娟1， 刘春爽1

(1.中国石油大学 化学工程学院, 山东 青岛 266555; 2.中国石化青岛安全工程研究院 环境保护研究室， 山东 青岛 266071)

为寻求高效有机废气吸附剂，选取石油化工行业特征污染物甲苯为研究对象，以MCM-41分子筛作为模板，制备大比表面积微孔-介孔多级孔碳材料。采用硝酸改性，分别考察了硝酸浓度、改性时间、改性温度对改性材料甲苯吸附性能的影响，并采用正交实验确定最佳改性条件。结果表明，合成微孔-介孔多级孔碳材料比表面积高达1104.08 m2/g，平均孔容为0.52 cm3/g，对模拟甲苯有机废气饱和吸附量可达0.107 g/g；硝酸改性后，微孔-介孔多级孔碳材料甲苯吸附性能显著提高。最优的制备条件为硝酸质量分数20%、改性时间10 h、改性温度60℃。在此条件下制备的硝酸改性微孔-介孔多级孔碳材料的甲苯饱和吸附量可达0.687 g/g。

微孔-介孔多级孔碳材料； 硝酸； 改性； 甲苯； 吸附； 石油化工行业

挥发性有机气体(VOCs)是一类重要大气污染物，严重威胁大气环境及人类健康[1-2]，石化行业排放的废气、尾气是大气污染中VOCs的主要来源之一。石化行业排放的有机废气污染物主要包括苯系物、醛酮类、卤代烃、醇类等，来源于储罐无组织排放、生产工艺装置排放、装置气体泄漏、溶剂挥发等[3]。由于这些有机废气的强毒性、强扩散性、致癌性、易燃性、低水溶性等特性，成为较难处理的废气之一[4]。甲苯，作为石化行业有机废气特征污染物，严重影响人类健康[5]，控制甲苯有机废气污染应引起高度重视。

目前，处理甲苯有机废气的方法主要有吸附法、吸收法、催化氧化法、热处理法、生物降解法、冷凝法等。其中，吸附法处理低浓度有机废气具有较高去除效率[6-7]，已被广泛使用[7-9]。吸附法的关键在于吸附剂的选择。

吸附剂应具有较大比表面积、适宜孔结构、抗磨损性及高水热稳定性。根据孔径分布不同，吸附剂材料可划分为微孔材料(<2 nm)、介孔材料(2～50 nm)和大孔材料(>50 nm)。活性炭属于微孔材料，是目前较常使用的吸附剂材料之一[10-11]，但由于仅适用于分子直径较小的物质，在吸附领域应用受到影响。介孔分子筛MCM-41，具有较大比表面积，孔道排列六方有序，且孔径分布于1.5～10.0 nm 范围内，可应用于大分子有机废气吸附，但由于其孔壁的无定形性及材料水热稳定性差，实际应用受到影响。合成一种具有比表面积较大、性质稳定且吸附性能良好的材料至关重要。

介孔分子筛MCM-41具有相互不连通的孔道结构，碳源填充后的复合材料在模板脱除后，孔道坍塌，形成含大量微孔、高比表面积的无序碳材料[12]，而该种碳材料的应用尚未受到重视。笔者以MCM-41为硬模板，蔗糖为碳源，合成一种微孔-介孔多级孔碳材料，使其既具有微孔材料高水热稳定性优势，又具有介孔材料孔道优势；此外，采用硝酸法改性合成碳材料，增加碳材料微孔孔容[13]，同时引入表面含氧基团[14-15]。考察了合成的微孔-介孔多级孔碳材料对石化行业甲苯有机废气的吸附性能。

1 实验部分

1.1 试剂及材料

蔗糖、对甲苯磺酸、糠醇、苯酚、甲醛、甲苯、硝酸，AR级，国药集团化学试剂有限公司产品；浓硫酸、乙醇、氢氧化钠，AR级，陇西化工股份有限公司产品；高纯N2，天源气体有限公司产品。分子筛MCM-41，南开大学催化剂厂产品；微孔-介孔多级孔碳材料MC-1、硝酸改性微孔-介孔多级孔碳材料MC-N、活性炭AC、吸附甲苯饱和微孔-介孔多级孔碳材料MC-A，实验室自制。

1.2 实验装置

甲苯气体吸附实验装置如图1所示。甲苯通过空气鼓泡法产生，并通过流量计控制甲苯浓度。连接管路均采用硅胶管，干燥缓冲瓶内填入硅胶等吸水材料。装置尾端排气口连接尾气处理装置。吸附柱置于水浴中，以便控制温度。

1.3 微孔-介孔多级孔碳材料制备

微孔-介孔多级孔碳材料制备流程如图2所示。

将1.25 g蔗糖和0.14 g浓硫酸加入到5 g蒸馏水中配制成溶液。将活化后1 g 分子筛MCM-41置于其中，并于(20±2)℃下磁力搅拌24 h。在100℃下烘干6 h，升至160℃继续加热6 h，使蔗糖初步炭化。再用0.8 g蔗糖、0.09 g浓硫酸和5 g蒸馏水配制成溶液，采用上述方法进行碳源二次填充、烘干及初步炭化。在高纯N2保护下，900℃炭化2 h。炭化后样品，在80℃下，用体积比1的2.5%(质量分数)NaOH乙醇溶液和NaOH水溶液浸泡，除去模板剂MCM-41后，得到微孔-介孔多级孔碳材料，用MC-1表示。

1.4 多级孔碳材料的硝酸改性

称取0.5 g活化后MC-1，分别置于50 mL质量分数为10%、20%、30%、40%、50%的硝酸溶液中，45℃下加热12 h。制备的硝酸改性碳材料用MC-N表示。考察改性温度和时间对制备的MC-N性质的影响时，温度分别为30、45、60、75、90℃，改性时间分别为4、8、12、16、20、24 h。

图1 甲苯气体吸附装置示意图

图2 微孔-介孔多级孔碳材料制备流程

1.5 微孔-介孔复合碳材料的表征

1.5.1 形态表征

采用日立S4800型场发射扫描电子显微镜观察MC-1外观形貌(SEM)。将材料粉体撒于导电胶带上，并吹扫去除粘结不牢粉体。在工作电压5.0 kV、工作距离8.9 mm、放大倍数×80.0 K下观察样品形貌。采用日本电子JEM-2100UHR型透射电子显微镜获得TEM照片，观察MC-1内部孔结构，加速电压200 kV。测试前，将样品研磨，置于少量无水乙醇中超声波分散，制成悬浊液，布于铜网上自然干燥。

1.5.2 N2吸附-脱附等温线与孔径分布

采用美国麦克仪器公司ASAP2020-M比表面分析仪于-196℃下测定N2吸附-脱附等温线及比表面积。测试前，样品于250℃下真空脱气至少12 h。按照Barrett-Emmett-Teller (BET)法计算其比表面积，以脱附支曲线Barrett-Joyner-Halenda (BJH)模型计算孔容和孔径分布。

1.5.3 表面基团表征

采用美国Thermo Nicolet公司NEXUS原位漫反射红外光谱仪表征样品表面基团。采用溴化钾晶体粉末测得背景值后采样，根据峰位和峰型确定基团，根据峰面积确定基团含量。

1.5.4 元素组成分析

采用日立S4800型场发射扫描电子显微镜能谱分析仪对样品进行元素定性定量分析(EDS)。

1.6 甲苯吸附性能的表征

采用图1所示装置进行吸附实验。装置需运行至少2 h，待稳定后采样。吸附剂床层高度约1 cm(0.3 g)，甲苯进口质量浓度1750 mg/m3，吸附柱水浴温度35℃。初始30 min内，每间隔10 min，然后每间隔15 min分别于空白采样口及采样口采集气样。采样时，将溶剂解析型活性炭采样管连接于玻璃注射器及取样口之间，采集100 mL气体。当装置出气口浓度(co)、进气口浓度(ci)达到相同，且保持30 min以上时，碳材料甲苯吸附达到饱和[16]。

分别称取填充吸附剂吸附柱质量(m0)及吸附饱和吸附柱质量(m)，所得增量(m-m0)即为甲苯饱和吸附量。

1.7 甲苯浓度测定

采用北分瑞利SP-3420A气相色谱仪和CS2溶剂解析法测定甲苯浓度。气相色谱测定中，高纯N2为载气，纯度99.99% H2为燃烧气，净化管净化后空气为助燃气，氢火焰离子化检测器；吸附柱温度120℃，进样口温度150℃，检测器温度200℃。溶剂解析法中，活性炭置于1 mL CS2溶液中解析1 h后，取2 μL注入色谱仪进样口。

2 结果与讨论

2.1 微孔-介孔多级孔碳材料的表征结果

对MC-1进行N2吸附-脱附实验，结果如图3所示。

图3 MC-1的N2-吸附-脱附等温线

MC-1的N2吸附-脱附等温线属IUPAC分类中的Ⅳ型，H4滞后环[17]。H4型滞后环由狭缝孔产生，区别于粒子堆集，为类似由层状结构产生的孔。图4为MC-1孔径表征结果。由图4可知，MC-1孔径主要分布于微孔和介孔。微孔部分产生3个高峰，分别分布于0.5～0.6、0.7～0.8和1.1～1.4 nm范围；介孔部分孔径主要分布于2～6 nm。计算得到，MC-1比表面积1104.08 m2/g，平均孔容0.52 cm3/g，平均孔径4.08 nm。其中微孔孔容0.47 cm3/g，介孔孔容0.057 cm3/g。

图4 MC-1的孔径分布

图5为MC-1的SEM和TEM照片。从图5(a)可见，MC-1呈层状结构，与N2等温吸附-脱附曲线分析结果一致。从图5(b)可见，MC-1的介孔分布无序，并且大小并不均一，为无序碳材料。相比于有序碳材料，无序碳材料由于空隙存在重叠，使其对于小分子的吸附能力强于有序介孔碳[18]。甲苯为小分子物质，所以MC-1对于甲苯有机废气的吸附要优于有序介孔碳材料。

25℃下AC、MCM-41和MC-1对甲苯的吸附性能列于表1。由表1可知，相比于活性炭AC及其模板MCM-41，MC-1具有较高的饱和甲苯吸附量(qe)。这可能是由于微孔-介孔复合多级孔结构更有利于甲苯小分子的吸附。

2.2 改性微孔-介孔多级孔碳材料的表征结果

2.2.1 形貌和表面基团

采用质量分数20%硝酸溶液在45℃下改性8 h所得的MC-N 样品的SEM、TEM照片示于图6。由图6(a)可见，MC-N仍呈层状结构，但大孔比例比MC-1明显增加。表明改性后，碳材料外观并未有明显变化，但由于硝酸将部分介孔结构之间的壁腐蚀穿孔，甚至完全腐蚀[19]，使其转变为大孔的结构。由图6(b)可见，介孔部分孔径并未有明显变化，仍为较无序的孔结构。

图5 MC-1的SEM和TEM照片

表1 25℃下AC、MCM-41和MC-1对甲苯的吸附性能

图6 MC-N的SEM和TEM照片

采用红外光谱分析MC-1、MC-N和吸附饱和后微孔-介孔多级孔碳材料(MC-A)的表面基团，结果示于图7。

图7 MC-1、MC-N和MC-A的FT-IR谱

采用EDS能谱对MC-1、MC-N进行元素组成分析，结果列于表2。可以看出，MC-1、MC-N的Si含量较低，表明改性前后的碳材料样品均已脱除模板MCM-41；MC-N比MC-1的O含量明显提高，表明改性后样品的含氧基团含量增加。

表2 MC-1和MC-N元素分析结果

2.2.2 改性用硝酸含量对MC-N吸附性能的影响

采用不同含量硝酸溶液，在45℃下对MC-1改性12 h，得到MC-N样品，然后进行甲苯气体吸附实验，得到单位质量MC-N甲苯吸附量和吸附穿透曲线示于图8。

图8 采用不同含量硝酸溶液改性的MC-N的甲苯吸附量和吸附穿透曲线

由图8(a)可知，硝酸质量分数为20%时，改性所得MC-N对甲苯饱和吸附量最大，再增大硝酸含量，所得MC-N的甲苯饱和吸附量明显下降。硝酸具有酸性和氧化性，对于碳材料的孔结构和表面基团具有较大影响。低含量硝酸由于氧化性和酸性有限，对于孔壁没有太大影响，而会使碳材料表面酸性基团有所增加，表面极性提高，从而提高甲苯吸附量；而甲苯为弱极性分子，MC-N对甲苯分子亲和力增大，从而提高碳材料甲苯饱和吸附量[21]。随着硝酸含量提高，硝酸的氧化性及酸性进一步提高，可将部分的介孔结构之间的壁腐蚀穿孔甚至完全腐蚀[22]，使介孔结构联通转变为大孔的结构，使得碳材料的吸附性能下降。

由图8(b)可知，硝酸质量分数为20%时，改性所得MC-N样品在100 min内对甲苯的吸附速率较小，这可能是由于微孔孔容提高的缘故；而后由于表面酸性基团影响，吸附速率又得以增大。当硝酸质量分数大于30%时，随着改性硝酸含量的提高，改性所得MC-1对甲苯的吸附速率增大，达到饱和所需时间缩短，一方面可归因于高含量硝酸对孔结构的破坏，另一方面归因于酸性基团含量的提高。

2.2.3 硝酸改性时间对MC-N吸附性能的影响

采用20%硝酸溶液，在45℃下对MC-1改性不同时间，得到MC-N样品，然后进行甲苯气体吸附实验，得到单位质量MC-N甲苯吸附量和吸附穿透曲线示于图9。

图9 采用含20%硝酸溶液改性不同时间(ta)的MC-N的甲苯吸附量和吸附穿透曲线

从图9(a)可以看出，改性时间为12 h所得MC-N对甲苯的饱和吸附量最大；改性时间超过16 h 后，MC-N对甲苯饱和吸附量明显下降。硝酸具有酸性和氧化性，在较短的作用时间内会使碳材料表面酸性基团增多，从而提高甲苯吸附性能；但随着处理时间延长，硝酸的氧化程度增加，材料孔隙结构遭到破坏，导致吸附能力大幅下降[23]。由图9(b)可以看出，随着改性时间的增加，所得MC-N对甲苯的吸附速率增大，吸附达到饱和的时间缩短。这是由于随着改性时间延长，碳材料表面吸电子团的酸性官能团增多；碳材料石墨层上自由π电子被吸走，其表面π电子云密度降低，降低了材料表面与甲苯之间色散力，从而加快吸附速率[14]；另一方面，无吸附作用的大孔含量增多，同样导致吸附饱和速率提高。

2.2.4 改性温度对MC-N吸附性能的影响

采用20%硝酸溶液，在不同温度下对MC-1改性12 h，得到MC-N样品，然后进行甲苯气体吸附实验，得到单位质量MC-N甲苯吸附量和吸附穿透曲线示于图10。

图10 采用含20%硝酸溶液不同温度(T)下改性12 h的MC-N的甲苯吸附量和吸附穿透曲线

由图10(a)可知， 60℃改性所得MC-N对甲苯的饱和吸附量最大，吸附饱和时间较长。温度是影响反应进程的重要因素，合适的温度使硝酸的酸性和氧化性充分发挥，使碳材料中的微孔孔容增加，而对于孔壁较厚的介孔没有太大的影响。由图10(b)可知，高于75℃改性时，较短时间内碳材料孔结构即被破坏，从而导致对甲苯吸附饱和过快，且吸附饱和量较低；当改性温度低于60℃时，由于微孔孔容得到一定程度的扩增，所得MC-N在100 min 内对甲苯吸附速率较小，而后又由于酸性基团含量的提高，饱和速率总体呈现加快趋势。

2.3 微孔-介孔多级孔碳材料最佳改性条件的确定

根据对硝酸含量、改性时间以及改性温度等单因子的考察结果，设计以硝酸含量(A)、改性时间(B)和改性温度(C)为因素的正交实验，选定L9(34)型正交表进行实验。L9(34)实验因子水平设计列于表3；以MC-N为吸附材料，甲苯吸附量为考察标准，正交实验直观分析列于表4。

表3 用于优化微孔-介孔多级孔碳材料改性条件的L9(34)实验因子水平表

表4 以吸附量为指标的L9(34)正交实验直观分析数据

在表4中，除实验(3)外，其他各组实验的单位质量MC-N甲苯饱和吸附量均超过了0.4 g/g，吸附性能优良，其中实验(6)的结果最佳，单位质量MC-N吸附量达到0.687 g/g。由分析数据可得，改性温度的极差最大，达到0.43；其次是硝酸含量，为0.417；改性时间的极差为0.226，因素从主到次依次为C、A、B，其中A因素与C因素的极差相差不大。空白组的极差为0.013，说明正交实验可靠，数据可信。对应A因素列，K2>K3>K1；对应B因素列，K1>K3>K2；对应C因素列，K2>K1>K3。确定最优方案为A2B1C2，即硝酸质量分数20%、改性时间10 h、改性温度60℃。

从正交实验结果可以看出，改性温度对于改性碳的吸附性能影响最大，主要原因是温度是影响反应进程的重要因素，在合适的温度下，反应速率会得到很大提高；硝酸含量的影响也很明显，硝酸含量直接决定了体系的氧化性和酸性，是决定性因素；改性时间也是重要影响因素，但是随着反应进程的进行，硝酸会被逐渐消耗，所以时间的影响不如前两者明显。

3 结 论

(1) 以MCM-41分子筛为模板，蔗糖溶液为碳源，合成微孔-介孔多级孔碳材料，其比表面积可达1104.08 m2/g，平均孔容0.52 cm3/g，其中微孔孔容0.47 cm3/g，占总孔容89.15%。该碳材料具有层状结构，兼有微孔及介孔。

(2) 微孔-介孔多级孔碳材料对模拟甲苯有机废气饱和吸附量为0.107 g/g。硝酸改性后，该碳材料对甲苯吸附性能得到明显提高。硝酸酸性可提高微孔-介孔复合碳材料表面酸性官能团数量，硝酸氧化性对材料孔结构具有侵蚀、氧化作用，可使材料介孔结构侵蚀大孔结构。

(3) 微孔-介孔多级孔碳材料硝酸改性最佳条件为硝酸质量分数20%、改性时间10 h、改性温度60℃，此条件下所得改性微孔-介孔多级孔碳材料的甲苯饱和吸附量可达0.687 g/g。

[1] DOLIDOVICH A F, AKHREMKOVA G S, EFREMTSEV V S. Novel technologies of VOC decontamination in fixed, moving and fluidized catalyst-adsorbent beds[J].Can J Chem Eng, 1999, 77(2): 342-55.

[2] 曹利, 黄学敏, 宋文斌, 等. VOCs气体在活性炭上的二元吸附过程的研究[J].环境科学与技术, 2012, 35(5): 160-163.(CAO Li, HUANG Xuemin, SONG Wenbin, et al. Binary adsorption of gaseous VOCs on activated carbon[J].Environmental Science & Technology, 2012, 35(5): 160-163.)

[3] 陆立群, 伏晴艳, 张明旭. 石化企业储罐无组织排放现状及定量方法比较[J].辽宁化工, 2006, 35(12): 728-731.(LU Liqun, FU Qingyan, ZHANG Mingxun. Status of petrochemical storage tanks fugitive emission and quantitative methods[J].Liaoning Chemical Industry, 2006, 35(12): 728-731.)

[4] TWUMASI E, FORSLUND M, NORBERG P, et al. Carbon-silica composites prepared by the precipitation method. Effect of the synthesis parameters on textural characteristics and toluene dynamic adsorption[J].J Porous Mater, 2012, 19(3): 333-343.

[5] DEVATHASAN G, LOW D, TEOH P C, et al. Complications of chronic glue (toluene) abuse in adolescents[J].Aust N Z J Med, 1984, 14(1): 39-43.

[6] RUDDY E N, CARROLL L A. Select the best VOC control strategy[J].Chem Eng Prog, 1993, 89(7): 28-35.

[7] FOSTER K L, FUERMAN R G, ECONOMY J. Adsorption characteristics of trace volatile organic compounds in gas streams onto activated carbon fibers[J].Chem Mater, 1992, 4(5): 1068-73.

[8] ADACHI A, OZAKI H, KASUGA I, et al. Use of beer bran as an adsorbent for the removal of organic compounds from wastewater[J].J Agric Food Chem, 2006, 54(17): 6209-6211.

[9] RYTWO G, GONEN Y. Very fast sorbent for organic dyes and pollutant[J].Colloid Polym Sci, 2006, 284(7): 817-820.

[10] LIN C L, CHENG Y H, LIU Z S, et al. Adsorption and oxidation of high concentration toluene with activated carbon fibers[J].J Porous Mater, 2013, 20(4): 883-889.

[11] KIM K J, KANG C S, YOU Y J, et al. Adsorption desorption characteristics of VOCs over impregnated activated carbons[J].Catalysis Today, 2006, 111(3/4): 223-228.

[12] KRUK M， JARONIEC M， RYOO R， et al. Characterization of ordered mesoporous carbons synthesized using MCM-48 silicas as templates[J].J Phys Chem B, 2000, 104: 7960-7968.

[13] El-HENDAWY A N A. Influence of HNO3oxidation on the structure and adsorptive properties of corncob-based activated carbon[J].Carbon, 2003, 41(4): 713-722.

[14] HUANG G L, SHI J X, LANGRISH T A G. Removal of Cr (VI) from aqueous solution using activated carbon modified with nitric acid[J].Chemical Engineering Journal, 2009, 152(2-3): 434-439.

[15] ADIB F, BAGREEV A， BANDOSZ T J. Analysis of the relationship between H2S removal capacity and surface properties of unimpregnated activated carbons[J].Environ Sci Technol, 2000, 34(4): 686-692.

[16] 李立清, 石瑞, 顾庆伟, 等. 改性活性炭吸附二氯乙烷性能[J].中南大学学报(自然科学版), 2013, 44(4): 1701-1707.(LI Liqing, SHI Rui, GU Qingwei, et al. Adsorption properties of modified activated carbon for 2-dichloroethane[J].Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(4): 1701-1707.)

[17] 徐如人, 庞文琴, 于吉红. 分子筛与多孔材料化学[M].北京： 科学出版社, 2004: 130.

[18] 裴海娟. 无序介孔碳/硫化物的制备及性能研究[D].秦皇岛： 燕山大学, 2012: 10-11.

[19] 佟莉, 徐文青, 亓昊, 等. 硝酸改性活性炭上氧/氮官能团对脱汞性能的促进作用[J].物理化学学报, 2015, 31(3): 512-518.(TONG Li, XU Wenqing, QI Hao, et al. Enhanced effect of O/N groups on the Hg0 removal efficiency over the HNO3-modified activated carbon[J].Acta Phys-Chim Sin, 2015, 31(3): 512-518.)

[20] 李立清, 梁鑫, 石瑞, 等. 酸改性活性炭对甲苯、甲醇的吸附性能[J].化工学报, 2013, 63(3): 970-979.(LI Liqing, LIANG Xin, SHI Rui, et al. Adsorption of toluene and methanol onto activated carbons with acid modification[J].Chemical Engineering Journal, 2013, 63(3): 970-979.)

[21] 李立清, 石瑞, 顾庆伟, 等. 酸改性活性炭吸附甲苯的性能研究[J].湖南大学学报(自然科学版), 2013, 40(5): 92-98.(LI Liqing, SHI Rui, GU Qingwei, et al. Adsorption of toluene on activated carbons with acid modified[J].Journal of Hunan University (Natural Sciences), 2013, 40(5): 92-98.)

[22] 吴开金, 官新宇, 官九红, 等. 硝酸改性对活性炭吸附性能的影响[J].福建林业科技, 2009, 36(4): 35-37.(WU Kaijin, GUAN Xinyu, GUAN Jiuhong, et al. Influence of nitric acid modification on the adsorption properties of activated carbon[J].Journal of Fujian Foresty Sci and Tech, 2009, 36(4): 35-37.)

[23] 薛欢欢. 酸碱功能化有序介孔材料的合成与应用[D].上海： 上海师范大学， 2011： 28-31.

Preparation of Nitric Acid Modified Micro-Meso Hierarchical Porous Carbon andIts Adsorption Performance for Toluene

YAN Xi1,2, LIU Fang1, GAO Ya1, FAN Fengtao1, DUAN Chenglong1,ZHAO Chaocheng1, SUN Juan1, LIU Chunshuang1

(1.CollegeofChemicalEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266555,China;2.DepartmentofEnvironmentalScienceandTechnology,SINOPECResearchInstituteofSafetyEngineering,Qingdao266071,China)

Organic waste gases emitted from petrochemical industry can cause air pollution, thus it is imperative to develop effective adsorbents. The micro-meso hierarchical porous carbon of high surface area was prepared by hard-template method with MCM-41 as hard-template, then was modified by nitric acid. And the effects of nitric acid concentrate, modification temperature and time on the adsorption properties of the prepared carbon material were discussed. The optimal modification conditions were obtained by orthogonal test according to the results of single factor experiments. The results showed that the specific area and average volume of the prepared carbon material were 1104.08 m2/g and 0.52 cm3/g, respectively, and the equilibrium adsorption amount of toluene was 0.107 g/g. The toluene equilibrium adsorption amount was increased of the carbon material after nitric acid modification. The optimized experimental conditions were nitric acid concentrate of 20%, modification time of 10 h and temperature of 60℃, under which the toluene adsorption value was 0.687 g/g.

micro-meso hierarchical porous carbon; nitric acid; modification; toluene; adsorption; petrochemical industry

2015-08-10

中国石油大学(华东)拔尖人才项目(RC2015011)资助

闫茜，女，硕士研究生，研究方向为环境污染控制技术；E-mail:yanxi19911024@163.com

刘芳，女，教授，主要研究方向为高浓度有机废气的深度处理及回用技术研究；Tel: 0532-86984668;E-mail: liufangfw@163.com

1001-8719(2016)06-1090-09

X511

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2016.06.002