紫外光改性活性炭纤维对SO2吸附性能的研究

罗涛朋

（南昌师范学院化学与食品科学学院，江西 南昌 330032）

0 引言

二氧化硫是大气中主要污染物之一，其在大气中易转化形成硫酸雾，腐蚀金属制品和建筑物，还会导致土壤和江河湖泊酸化，使动植物的生存环境遭到极大破坏，最终破坏生态平衡［1］。因此，采取有效的方法对大气中的SO2进行治理刻不容缓，这对人类的长远发展具有重要意义［2］。活性炭纤维是一种较好的可吸附二氧化硫的材料，其具有比表面积大、直径较细、微孔结构发达的特点［3］。活性炭纤维相对活性炭颗粒而言，具有更好、更快的吸附性能，因此，在SO2的废气处理领域得到广泛的研究与应用［4］。研究表明，通过改性技术可以进一步提升活性炭纤维对SO2的吸附性能。目前应用较为广泛的试剂有H2O2、KMnO4、KOH、NaOH、HCl、HNO3、H2SO4等强氧化性、强碱或强酸试剂，这些试剂成本较高、易对环境产生污染，不适用于工业生产制造［5］。因此，研究高效、低成本、无二次污染的绿色环保型高效脱硫技术一直是能源工业可持续发展面临的重要课题。

本研究以ACF 为前驱体，探究了不同强度和时间的紫外光改性处理对ACF-SO2吸附性能的影响。与上述传统方法相比，此改性条件更为温和，可以有效地减少有害废水的排放，更加环保。

1 试验部分

1.1 材料与试剂

聚丙烯腈基-活性炭纤维（ACF）（北海碳素）；淀粉、碘单质、浓硫酸、无水亚硫酸钠、氨基磺酸铵、碘酸钾（均为分析纯，西陇科学股份有限公司）。

1.2 仪器与设备

电子天平（型号：MP10001）；分析天平（型号：SQP）；红外光谱（型号：WQF-510A）；电热恒温干燥箱（型号：GZX-910MBE）；扫描电子显微镜（型号：TESCAN MIRALMS）；紫外分析仪（型号：ZF-7）。

1.3 SO2及改性ACF的制备

1.3.1 SO2的制备。将30 g Na2SO3放入250 mL平底烧瓶中，用两孔橡胶塞塞住上端，插入100 mL长颈分液漏斗和直角导管。管道的一端连接水箱以收集尾气。所有接口用真空润滑脂密封后再用20 mL浓硫酸填充长颈分液漏斗，并打开长颈分液漏斗活塞。气体发生5 min 后，将导管连接到气体收集袋，以收集高浓度SO2。

1.3.2 改性ACF 的制备。ACF 原片前处理：将活性炭纤维原片裁剪成15.5 cm×3.5 cm 约2 g 的长片，并分别放入烘箱中120 ℃烘干2 h 后，用分析天平称重标记，放入密封袋中，标记为ACF-0，放入干燥器中备用。254 nm 紫外光改性ACF 过程如下：取出5 片前处理好的ACF，用镊子放入紫外分析仪中，打开254 nm 灯管，分别照射1 h、2 h、3 h、4 h、5 h，标记为ACF-254-1、ACF-254-2、ACF-254-3、ACF-254-4、ACF-254-5，并进行ACF-SO2吸附量测试。365 nm 紫外光改性ACF 过程如下：取出5 片前处理好的ACF，用镊子放入紫外分析仪中，打开365 nm灯管，分别照射1 h、2 h、3 h、4 h、5 h，标记为ACF-365-1、ACF-365-2、ACF-365-3、ACF-365-4、ACF-365-5，并进行ACF-SO2吸附量测试。

1.4 ACF-SO2吸附量测试

将处理后的ACF 放入如图1 所示装置的洗气瓶内，洗气瓶两头涂好真空脂，并用止水夹夹紧，制造密封效果。再用进样器从集气袋中吸取5 mL 高浓度SO2注射进洗气瓶中静置48 h。将洗气瓶进气口接入装有单向阀的气泵，另一端连接装有50 mL 吸收液的砂芯吸收瓶，然后打开止水夹、气泵进行吹气，气流速度控制在0.5 L/min 左右，吹1 h。砂芯吸收瓶尾气接入含有甲基橙的水溶液中，用以判断是否有SO2发生逃逸。

然后将吸收液转入碘量瓶中，用少量吸收液洗涤吸收瓶两次并转入碘量瓶中摇匀，加入50 mL 2 g/L的淀粉溶液，用0.010 mol/L 的碘标准溶液滴定至蓝色，记录消耗量V1（mL）。活性炭纤维吸收SO2含量的计算见式（1）。

式中：K表示活性炭纤维吸附SO2含量，mg/g；C0表示注射的SO2浓度，mg/mL；Vnd表示注射SO2的体积，mL；C（1/2 I2）表示碘标准溶液浓度，mmol/L；V1表示样品消耗体积，mL；32.0 表示1 mL 1 mol/L 碘标准溶液相当的二氧化硫的质量（mg）；mACF表示活性炭纤维的质量，g。

2 结果与分析

2.1 红外表征结果

不同时长254 nm紫外光照处理后ACF材料的红外光谱如图2所示。由图2可知，在1 000～1 170 cm-1间出现了碳氧键（C—O）单键伸缩振动及各种面内弯曲振动峰，表明ACF 在经过254 nm 紫外光照后产生了含氧官能团，并且随着紫外光处理时间的增加，振动峰越来越明显。因此，紫外光处理能够明显氧化活性炭纤维，增加纤维表面的含氧官能团。在3 400～3 800 cm-1间出现明显的羟基（—OH）伸缩振动吸收峰；在2 050 cm-1左右出现较窄的伸缩振动吸收峰，可能存在碳碳三键（C≡C）或碳氮三键（C≡N），表明在经过紫外光照后出现了不饱和键。

图2 不同时长254 nm紫外光照处理后ACF材料红外光谱

ACF 材料在365 nm 紫外光照不同时长后的红外光谱如图3 所示，从图3 中可以看出，在1 000～1 170 cm-1间出现了碳氧单键（C—O）伸缩振动及各种面内弯曲振动峰，说明ACF 在经过254 nm 紫外光照后产生了含氧官能团；在1 645～1 500 cm-1间出现碳碳双键（C=C）吸收峰，表明ACF 材料改性后碳碳双键未遭到破坏。与未处理的ACF 不同的是，改性后的ACF 在2 100～1 950 cm-1间出现明显的碳碳三键（C≡C）伸缩振动吸收峰，因此，ACF经改性后增加了不饱和键。在3 900～3 600 cm-1之间都出现了明显的碳氧单键（C—O）伸缩振动吸收峰。2 000 cm-1左右出现吸收峰，表明还可能存在碳氮三键（C≡N）。含氧、含氮官能团及不饱和键等是有利于ACF 吸附SO2的官能团。

图3 不同时长365 nm紫外光照处理后ACF材料红外光谱

2.2 SEM表征结果

5000x下不同处理方式ACF的SEM如图4所示。从图4 中可以看出，经过紫外光照射处理后，ACF 材料表面出现纤维老化现象，导致纤维表面更为粗糙。因此紫外线照射处理后，可以使纤维的比表面积增加，能够产生更多吸附SO2的活性位点，提高材料对SO2的吸附能力。SEM 图中254 nm 紫外光处理和365 nm 紫外光处理2 h 的粗糙程度相近，没有较大区别。

图4 5000x下ACF的SEM

2.3 改性ACF-SO2吸附性能测试

不同紫外线强度和光照时间处理下ACF-SO2吸附量数据见表1。其中365 nm紫外光处理数据，开始随着紫外光处理时间的增加，ACF-SO2吸附量逐渐升高，在处理2 h 时达到最高，吸附量达到6.012 mg/g，吸附率提升24.32%。但是随着紫外光处理时间的增加，ACF-SO2吸附量开始下降，甚至在365 nm紫外光处理5 h后，吸附率反而下降了10.64%。而254 nm紫外光处理后，ACF-SO2吸附量随着照射时间的增加而升高，在254 nm 3 h 时达到最高，为6.573 mg/g，提升率达到35.91%。

表1 不同波长紫外改性处理后ACF-SO2吸附量

不同波长紫外光改性处理ACF-SO2吸附量如图5 所示。从图5 中可以明显看出，经过紫外光处理后，ACF-SO2吸附量相对于原片有明显提升；但是当紫外光照射时间过长时，ACF会出现明显老化现象，材料对SO2的吸附量明显下降，甚至比原片还低。而254 nm 3 h紫外光处理有着最好的改性效果。

图5 不同波长紫外改性处理ACF-SO2吸附量

3 结语

本研究以聚丙烯腈基-活性炭纤维为前驱体，探究了不同强度和时间的紫外线光照处理改性对ACFSO2吸附性能的影响。结果表明，254 nm和365 nm紫外光照都能有效提升ACF-SO2吸附量，其中254 nm 3 h 紫外光处理有着最好的改性效果，ACF-SO2吸附量为6.573 mg/g，提升率达到35.91%。紫外光改性活性炭纤维的方法操作简单，可以有效地减少有害废水的排放，更加环保。